未来停车楼与参数化设计的相遇——杭州蜻蜓公园多塔高位连体结构设计

2022年8月12日，由浙江省建筑设计研究院和英国丹尼尔斯坦森事务所（Daniel Statham Studio）联合设计，杭州市钱江新城投资集团投资建设的未来停车场·蜻蜓公园项目正式竣工。该项目位于杭州市上城区秋涛路与庆春路交叉口东北侧，是目前国内规模最大的潜入式AGV机器人停车项目。2022年12月8日，蜻蜓公园正式开业运营，以“科技无垠、停车无限”的理念欢迎八方来客。

（a）项目效果图

（b）开业发布会

▲ 图1 杭州蜻蜓公园

1. 项目概况

杭州蜻蜓公园总建筑面积约24500m ² 。其中地上建筑面积约2500m ² ，地上分为10个塔楼，各塔楼层数各不相同，并在屋面层连为一体，首层塔楼之间的区域为公共活动空间，屋面高度约22m。地下室建筑面积约22000m ² ，地下共4层，埋深约20m，其中地下3、4层为兼顾式人防地下室。本项目的使用功能为公共汽车库。共计机动车停车位500个。其中地上为机械塔库式停车。地下为AGV机器人停车。

▲ 图2 机械塔库式停车

▲ 图3 AGV机器人停车

(图片由丹尼尔斯坦森事务所提供)

2. 设计概念

未来感的塔

未来停车场·蜻蜓公园从使用功能来说是一个汽车堆叠系统，从最开始方案设计阶段，丹尼尔斯坦森事务所就采取了大胆的尝试，将汽车堆叠系统置于未来感的塔中。这些未来感的塔有一系列偏移旋转的直线形成塔身轮廓。这些塔在屋顶处结合成“树冠”，为广场上的人们遮阴避雨，并在顶层提供了一个屋顶花园，供人们聚集和娱乐。

▲ 图4 设计概念图(一)

▲ 图5 设计概念图(二)

▲ 图6 方案草图

(图片由丹尼尔斯坦森事务所提供)

3. 结构设计概况

蜻蜓公园项目地上为钢结构，地下为混凝土结构。结构安全等级为二级，结构设计使用年限为50年，抗震设防类别为标准设防类，建筑耐火等级为一级，50年一遇的基本风压值为0.45kN/m ² ，地面粗糙度类别为C类，考虑±25°温度荷载，抗震设防烈度为7度(0.10g)，设计地震分组为第一组，场地类别为III类，地上钢框架抗震等级为四级，地下一层存在转换抗震等级为三级，地下室其余各层抗震等级均为四级。

主体结构的结构体系为：4个角塔(7~10#塔楼)采用钢框架-中心支撑体系，中间6个塔(1~6#塔楼)采用钢框架体系，各塔楼编号见图 7，建筑剖面图见图 8。

▲ 图7 各塔楼编号示意图

▲ 图8 建筑剖面图

图 9~图 11为典型结构布置图。地上10个塔楼，在17m标高有4个塔楼(1、4~6#塔)通过连廊连为一体，连廊采用H型钢梁，铰接于两端塔楼框架梁上；在22m标高处，10个塔楼在屋面层连为一体，屋面采用H型钢梁和箱形钢梁；屋面板均为钢筋桁架楼承板。塔楼间的屋面支承于塔楼中部伸出的斜撑上，在4个角塔(7~10#塔)设置了交叉型中心支撑，见图 12~图 13。上部结构嵌固端为地下室顶板，大部分塔楼柱落至基础，个别塔楼柱由于地下室车道使用功能要求，在地下室顶板或地下1层楼板处通过钢骨混凝土梁进行转换。主体结构主要构件截面尺寸为：钢柱直径400~600mm，钢柱壁厚20~30mm，应力比控制在0.8以内；钢梁主要为H型钢梁，部分为箱形梁，梁高250~500 mm，屋面个别梁高1000mm，应力比控制在0.9以内。钢骨混凝土梁高1200~1800 mm ，其中钢骨高900~1300 mm 。钢材强度等级均为Q355B。

▲ 图9 标准层结构平面图

▲ 图10 连廊层结构平面图

▲ 图11 屋面层结构平面图

▲ 图12 1#主塔楼结构剖面图

▲ 图13 10#角塔楼结构剖面图

4. 结构设计特点

结构参数化设计

项目在方案阶段，由于外部环境及内部因素对于项目具有较多不确定性影响，如各塔的位置、角度、形式、尺寸、层高等，往往会经历多轮建筑造型及使用功能的重大调整。对于复杂建筑，其方案是否合理、采用何种形式的结构及结构构件的最优尺寸等可以通过结构参数化设计来初步确定。结构参数化设计区别于建筑参数化建模之处，在于其除了能快速建立建筑模型外，还可在同一模型中快速施加荷载进行分析，求得合理结果。

本项目采用基于Midas Gen的MGT文件的参数化设计方法进行设计。

▲ 图14 参数化建模顺序：节点 - 单元 - 荷载 - 约束

▲ 图15 参数化调整过程

▲ 图16 所有塔的参数化模块组合

详细参见《建筑结构》第52卷,S1期：《基于MGT文件的结构参数化设计方法》。

广义层建模及多塔、施工顺序定义

图 7中，地上10个塔楼可以分为I、II、III三种类型。颜色最深的1#塔功能为立体机械停车塔库，其标准层层高为2400mm，为I型塔；颜色稍浅的2、3、7~10#塔功能为设备或预留管井，其标准层层高为3000mm，为II型塔；颜色最浅的4~6#塔功能为竖向交通核(楼梯、电梯)，其标准层层高为3200mm，为III型塔。

由于不同塔楼的层高分布不一致，故当采用PKPM、YJK等软件建模计算时，采用广义层概念进行建模分析，避免分析过程与假定出现冲突、标准层层高过小、过碎等模型计算的不利因素。

图 17为设计模型的广义层组装示意图，图上数字是广义层的层号。由图 17可以看到10、45、50、55广义层所在的位置在56广义层处相连形成连体，而56~62广义层在63广义层处相连形成连体。图 18为模型的多塔定义示意图，其中以不同颜色区分各个定义的单塔。

▲ 图17 模型广义层组装树状图

▲ 图18 多塔定义示意图

▲ 图19 广义层组装动画

图 20为自定义的施工顺序示意图，相同的颜色代表相同的施工顺序，自下而上逐层施工。由图 20可以看到，通过自定义施工顺序，各塔楼的相近标高上的施工顺序相近，符合实际的施工需要，说明自定义的施工顺序合理。

在施工顺序中，为了确保支撑主要承担水平荷载作用，提高支撑的延性，通过自定义构件级的施工顺序，把中心支撑的施工顺序定义为最后施工来进行计算，并在施工过程中采取中心支撑延迟安装的措施。

▲ 图20 施工顺序定义示意图

▲ 图21 施工顺序动画

风洞试验

根据现行国家规范《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012) 第8.3.1条第二款、第三款：当房屋和构筑物与规范表8.3.1中的体型不同，且无资料时，宜由风洞试验确定；对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。

▲ 图21 图 22 CFD数值模拟

(图片由丹尼尔斯坦森事务所提供)

▲ 图23 实体风洞试验在浙江大学的ZD-1边界层风洞中进行。

(图片由浙江大学建工学院提供)

17钢标抗震性能化设计

由于主体结构总高不大于24m，地震作用较小，根据2.1节的分析，采用“低延性-高承载力”的抗震性能化设计思路。

（1）结构不规则情况及概念设计

主体结构存在平面不规则和竖向不规则情况：平面不规则包括扭转不规则、楼板局部不连续；竖向不规则包括侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变。

采用概念设计，定义中心支撑为塑性耗能构件，定义直柱和支撑屋面的斜撑为关键构件重点加强，定义其余构件为一般构件，以此来建立多道防线。

（2）多遇地震下的承载力验算

对主体结构采用刚性楼板假定，采用不同软件进行多遇地震下的弹性分析。需要注意的是，对采用广义层方法建模的计算模型，在查看层间楼层指标时需要在程序中自定义楼层组装表，或提取相应结果自行计算。对于多塔连体结构，需要注意连体层的最大位移/平均位移，是否为连体层两端的抗侧力构件的弹性水平位移的结果，必要时需要提取两端的水平位移结果，自行计算最大位移/平均位移。

（3）设防地震下的承载力抗震验算

本项目抗震设防类别为标准设防类，设防烈度为7度(0.10g)，建筑高度小于50米。根据17钢标17.1.4条塑性耗能区承载性能等级的参考选用条件，初步选择性能等级为5~7。

采用“低延性-高承载力”的思路进行设计，最终选择性能5作为承载性能等级。对不规则结构，考虑塑性耗能区性能系数最小值增大20%，取0.54。结构构件延性等级为III级，非塑性耗能区一般构件的内力调整系数为1.21，非塑性耗能区关键构件的内力调整系数为1.33。

经试算并迭代调整各构件的性能系数尽量接近并略大于最小性能系数，完成设防地震下的承载力抗震验算。分析结果表明：整体结构各构件均满足17钢标的抗震性能化设计的要求，结构的承载力和延性均满足设计要求。

（4）罕遇地震下的弹塑性层间位移角验算

根据抗规5.5.3条的要求，采用PKPM和Midas Gen软件对主体结构进行罕遇地震下的静力弹塑性分析，分析结果表明，弹塑性最大层间位移角为1/89，小于规范限值1/50，满足规范要求。

节点有限元分析

由于斜撑与梁柱连接处，节点受力复杂，对于该连接处的钢结构节点进行了有限元分析。整体计算模型在节点处最不利的荷载组合为恒载+活载、Y向风荷载+降温荷载，取该组合结果作为外力输入节点有限元模型，节点底的约束定义为固接进行分析，典型节点分析结果见图 24。由图 24可知，典型节点最大应力为240MPa，小于节点的强度设计值290MPa，满足设计要求。