【结构精品案例】“优雅天鹅”造型结构

工程概况天津博物馆位于天津市友谊路与平江道交口处, 用地南至平江道，西至友谊路，东至四号路，占地面积约5万㎡，总建筑面积约3.5万㎡，建筑物总高度约为33m, 主体部分结构形式为钢筋混凝土框架--剪力墙钢支撑结构,屋盖为钢网壳，建筑平面呈半圆形,直径达186m,基础形式为桩--承台基础。建筑物外形为仿天鹅造型建筑。天津博物馆设计思想和方案特点

工程概况

天津博物馆位于天津市友谊路与平江道交口处, 用地南至平江道，西至友谊路，东至四号路，占地面积约5万㎡，总建筑面积约3.5万㎡，建筑物总高度约为33m, 主体部分结构形式为钢筋混凝土框架--剪力墙钢支撑结构,屋盖为钢网壳，建筑平面呈半圆形,直径达186m,基础形式为桩--承台基础。建筑物外形为仿天鹅造型建筑。

天津博物馆设计思想和方案特点

天津博物馆的通道是从天鹅颈部走廊中穿过，到达风除室后再接着进入结构主体。该方案中，壳面和幕墙曲面光滑、浑圆，与地面自然连接，整体装修以白色为基调，形成一个“展翅飞翔的天鹅”的造型。

天津博物馆建筑设计

天津博物馆由天鹅湖、天鹅颈和绿色项链构成，整体布局沿占地的西北向轴线对称。

总体规划

在天鹅湖东西两侧湖岸和长189m的天鹅颈范围内，共设有三个参观主入口,在与来宾入口相对的一侧（南侧）设有四个工作人员出入口、一个文物出入口。

汽车停车场、自行车存车场设在从东侧主入口看不到的地方，并将冷却塔和卫星接收天线也设在该区域。

天鹅湖直径130m，水深从300mm到800mm逐渐加深，湖岸可供儿童嬉戏。天鹅湖周围设有广场，采用花岗岩铺地，并在石材下铺两层砂和灰土的来防止冰冻所造成的花岗岩脱落。

在网壳的外围设7m宽防水防盗沟，既能防止突发洪水进入藏品库，也可以防盗。

平面设计

天津博物馆首层为钢筋混凝土结构，柱网为7mX7m，二层为钢筋混凝土结构，柱网为14m×14m，三层为钢结构，只在展室的隔墙部分设置柱，展室为跨度28m×45m的无柱大空间。

（1）首层平面设计

首层平面图如图1所示。在北侧设置前厅，其中包括序厅、问询处、售票处、贵宾室、多功能厅、图书阅览区域等；在南侧设置有收藏室、设备室、办公室等。

图一：天津博物馆首层平面图

设在壳面的边缘部分的办公室可以实现自然采光和通风。

建筑外观照明设计

在采光窗下设置照明装置，与壳面端部的灯带一起突出“天鹅”的造型。设在天鹅湖和天鹅颈处的灯光，增强了整个建筑的亮度，美化了天津的夜景。夜景效果如图2所示。

图二：天津博物馆夜景照明效果

图三：绚丽夜景照明效果
天津博物馆结构设计

（1）荷载取值

天津博物馆工程所处地区的基本风压Wk=0.48kN/㎡，基本雪压0.25kN/ ㎡；展厅部分: 5.0kN/㎡，办公室:2.0kN/㎡，卫生间:2.5kN/㎡，楼梯:3.5kN/㎡，走道:3.5kN/㎡，机房:6kN/㎡

（2）工程地质概况

本工程场地类别为Ⅲ类场地,属中软场地土,地下水静止水位埋深在1.0～1.5m左右,地下水对混凝土及钢材均无腐蚀性,在埋深15m以上土层均属非液化土层。

（3）抗震设计

本工程场地地震基本烈度为7度，设防烈度为7度，乙类建筑,设计采用设防烈度计算,按8度采取抗震措施。结构抗震等级:框架三级,剪力墙二级。

上部结构设计

天津博物馆上部结构设计包括混凝土和钢结构两部分的设计

（1）混凝土部分

1）结构选型

本工程混凝土部分为三层结构,首层层高5m,二层8.7m；柱网: 首层为7×7m,二层14×14m、7×14m 。三层部分局部设置支承屋盖的钢管柱。本工程不设任何缝,混凝土部分结构最大长度约为180m,为避免浇注混凝土时温度变化引起收缩应力,采用设置后浇带方式解决。后浇带沿x向设置4道,沿y向设置2道,主体结构完成2个月后封闭。另外考虑此建筑物二层层高较高,柱网跨度较大,且二层上部还有支撑钢屋盖柱子,在地震作用下,为避免位移较大,在楼梯间处设置了350mm厚剪力墙,在建筑隔墙处局部设交叉钢杆支撑。

2）主要结构截面尺寸

柱子:600㎜×600mm，800㎜×800mm，40㎜0×600mm(斜柱)

框架梁:首层350㎜×700 mm，层400×1200 mm

楼盖梁:首层250㎜×500mm井字梁，二层350㎜×800mm井字梁

楼板:采用12cm厚钢筋混凝土楼板

砼标号:基础采用C30钢筋及混凝土，首层采用C30钢筋砼，二层采用C40钢筋砼

3）结构分析

本工程采用建研院PKPM系列, TAT结构分析软件进行混凝土部分计算,计算中考虑耦联影响。建筑物总重310000kN(混凝土部分)，结构重心与形心基本重合，计算结果如下：

根据结构分析，本工程柱子轴压比均能满足规范要求限值。

（2）钢结构部分

天津博物馆的钢结构部分包括屋顶网壳、幕墙结构和天鹅颈三部分，如图3所示。

图三：天津博物馆钢结构图

1 ）材料:钢材以Q235b为主，结构计算及节点的焊接连接及螺栓连接分别以国内相关规范为依据。

2）荷载：基本风压0.4KN/㎡，重要性系数1.2，基本雪压0.25 KN/㎡，活荷载0.5 KN/㎡。

3）屋顶网壳结构

天津博物馆的屋顶为双层网壳结构，节点形式为螺栓球节点。网架厚度为2米，网格尺寸为2.5米～4.1米。

①屋顶的支承体系

屋顶的支承体系分为以下3类。

a.下部结构支承

在天津博物馆内部展厅的墙壁设置柱，柱顶直接与网架结构的节点连接，柱脚由钢管变形的铰接柱来支承，这种柱不能承担水平力，只能在垂直方向支承大屋顶竖向荷载。

b.外周圈的钢结构柱

在外圈柱之间设置斜撑的来共同支承大屋顶。

柱顶直接与屋顶节点连接。柱脚为利用钢板作成的铰接节点。该节点形式约束斜撑结构面内的转动，允许结构面外转动。这样由斜撑所负担的水平力可以很好的传递给基础。

4）玻璃幕墙结构

天津博物馆的立面是最高约33米的玻璃幕墙，分为两部分：与天鹅颈部相连的中央幕墙及两端的侧幕墙。

在中央部分与天鹅颈相连是10根箱形曲线钢梁，梁高800㎜～450㎜,梁宽400㎜～250㎜。沿高度方向每6米设置横向杆件，并且沿1.25米的间距设置了直接连接玻璃的纵向杆件，以形成玻璃幕支承结构。10根箱形断面曲线钢梁在跨中和端部由钢筋混凝土结构支承，顶端与大屋顶的拱相连接。

在两端，沿拱以约5米间距设置了桁架梁，梁高2m～0.88m，在桁架梁上沿高度方向以6米间距设横向杆件，构成的玻璃幕的支承结构，然后再以1.25米的间距设置直接连接玻璃的纵向构件，形成立面玻璃幕的造型。支承桁架的上部与大屋顶边界的拱紧密连接。在支承桁架的外侧弦杆直接连接玻璃的位置和内侧弦杆均以6米间距设置横向杆件，这些横向杆件可以防止桁架杆件的面外屈曲变形。

5）天鹅颈

天鹅颈由从主入口经过天鹅湖进入天津博物馆内的回廊构成，屋顶用玻璃覆盖。

天鹅颈部是由10根箱梁构成，箱形梁的尺寸为350㎜×175㎜。它的两端部各有4根钢管柱列支承，在中间由30米间距的呈椭圆形平面布置的钢管柱群来支承，每组有8根。这些柱与椭圆形梁刚接。10根箱形梁与椭圆形梁进行有效连接。

结论

采用仿生性建造的天津博物馆是天津一个标志性建筑。本文通过介绍其建筑和结构的设计，说明一个完美的建筑作品，既离不开建筑，也离不开结构，要通过建筑和结构的有机统一协调才能实现。