2010上海EXPO主要场馆结构设计综述

2010上海海EXPO主要要场场馆馆结结构构设设计计综综述述汪大大绥绥华东东建建筑筑设设计计研研究究院院有有限限公公司司2010.07.31一、、概概述述1851年，，伦伦敦敦世世博博会会，，水水晶晶宫宫，，开开创创了了建建筑筑工工业业化化；；1880年，，墨墨尔尔本本世世博博会会，，皇皇家家展展览览馆馆，，成成为为澳澳大大利利亚亚第第一一例例世世界界文文化化遗遗产产1889年，，巴巴黎黎世世博博会会，，埃埃菲菲尔尔铁铁塔塔，，巴巴黎黎的的标标志志和和象象征征；；1967年，，蒙蒙特特利利尔尔世世博博会会，，栖栖居居67，住住宅宅设设计计理理念念的的突突破破；；德国国馆馆，，张张拉拉结结构构的的先先驱驱；；1970年，，大大阪阪世世博博会会，，富富士士馆馆、、美美国国馆馆，，开开创创充充气气膜膜结结构构时时代代；；2000年，，汉汉诺诺威威世世博博会会，，日日本本馆馆，，一一座座36000平米的纸房子子；8/9号馆，索结构构使用的极致致案例；2010年，上海世博博会。。。。。。。世博会是汇聚聚着人类物质质文明与精神神文明成果的的全球性盛会会，从某种意意义上讲也是是一次建筑博博览会，其建建筑往往汇集集了当时最先先进的设计理理念、建筑材材料、建造技技术等。一、概述上海世博会选选址在市中心心黄浦江两岸岸，南浦大桥桥和卢浦大桥桥之间的滨江江地区，势必必对上海新一一轮的城市发发展特别是黄黄浦江两岸的的开发也会有有极大的推动动作用。一、概述本届世博的主主题是：城市，让生活活更美好。本届世博会的的主要目标：：会期184天（2010.5.1—2010.10.31）；预期参展国和和组织200个；预期参观人数数7000万；为实现这一目目标，确定的的工程建设任任务是：规划用地面积积5.28平方公里（按按人均8平米）；围栏区（即凭凭票入内的区区域）面积3.28平方公里；总建筑面积125万平方米，其其中展馆面积积85万平方米；原有建筑利用用约35万平方米(用于联合馆，，企业馆，物物流仓库等)；高架平台面积积51万平方米。一、概述园区旧貌（卫卫星照片）。。根据2006年调查情况，，原区域内主主要土地利用用类型：从事各类重型型机械、化工工原料生产企企业和物流企企业的工业用用地，主要包包含江南造船船集团、港机机重工集团、、浦东钢铁集集团、南码头头港区、溶剂剂厂、助剂厂厂等；居住、文教、、商业用地组组成的居住用用地，以半淞淞园路街道、、雪野新村街街道、南码头头街道以及作作为浦钢集团团家属区的后后滩地区为主主。一、概述总体规划图。。大的展馆建筑筑包括：一轴轴四馆、11个联合馆、42个租赁馆、42个国家自建馆馆。一、概述园区交通图。。为向世博会提提供高效便捷捷的交通保障障，园区及周周边进行了的的规模宏大交交通系统建设设，包括地铁铁、隧道、相相关城市道路路和水上交通通设施。共有有5条地铁线路为为园区服务，，成为世博园园区与城市其其他部分联系系的主要方式式。二、主要场馆馆概况世博园区极为为突出的区位位优势决定了了它必将成为为上海新一轮轮发展的重要要增长极。这这一地区的规规划确定了世世博建筑中有有一部分需按按永久性建筑筑来设计，俗俗称一轴四馆馆。即中国馆馆、主题馆、、世博中心、、世博文化中中心和世博轴轴。二、主要场馆馆概况中国馆：由国国家馆和地区区馆组成。除除港澳台外的的31个省市自治区区都在地区馆馆内设置展厅厅。世博后作作为永久性展展馆。建筑面面积16万平米。二、主要场馆馆概况主题馆：在世世博期间是““地球、城市市、人”主题题的核心展示示区，世博后后是永久性展展馆。建筑面面积13万平米。二、主要场馆馆概况世博中心：世世博期间是会会议、接待、、庆典、新闻闻和管理等重重要活动的场场所，世博后后是大型会议议中心。建筑筑面积14万平方米。二、主要场馆馆概况世博文化中心心：世博期间间用于开幕式式等主要庆典典及文艺演出出，并有大面面积的餐饮购购物休闲区域域供参观者使使用。世博后后将是综合性性的时尚文化化的地标，永永不落幕的城城市舞台。建建筑面积13万平方米。二、主要场馆馆概况世博轴：位于于浦东园区中中轴线上，是是整个园区的的交通枢纽，，世博期间主主要用于人流流集散、安检检、商业、餐餐饮服务，世世博后改建为为商业设施。。总建筑面积积25万平方米，其其上盖由大面面积索膜结构构和六个单层层网格体系的的阳光谷组成成，是园区内内最大的单体体建筑。三、技术特点点及新技术应应用概述以上五个永久久性建筑，均均为规模宏大大，功能复杂杂大型公共建建筑。且多为为大跨度（大大悬挑），要要求大荷载，，或体形新颖颖奇特，其结结构设计充满满挑战。这些些建筑中除个个别是由国外外建筑师创意意外，绝大部部分由我国工工程技术人员员完成。（一）结构形形式丰富多样样，具有创新新性中国馆建筑创创意为“东方方之冠”，结结构设计采用用四个规整的的钢筋混凝土土筒体为主要要承重和抗侧侧力结构，从从约30米高度开始向向四个方向挑挑出带有拉梁梁的巨型斜撑撑，作为楼层层的支承结构构。受力明确确，传力可靠靠。以简洁的的手法恰当地地实现了建筑筑创意，自然然天成，可谓谓建筑结构相相得益彰。三、技术特点点及新技术应应用概述（一）结构形形式丰富多样样，具有创新新性主题馆首次采采用总长270米的多跨桁架架来覆盖整个个屋面，其中中V形支撑张弦桁桁架跨越126米的大空间，，满足了主题题馆对展览空空间的多种要要求，大跨部部分用钢量指指标100kg/m*m亦较合理。三、技术特点点及新技术应应用概述（一）结构形形式丰富多样样，具有创新新性世博轴地上地地下各2层，其上盖由由6个阳光谷和其其间的连续张张拉膜结构组组成。阳光谷谷为单层三角角形网格结构构，体量巨大大，高达40米，最大的一一个阳光谷上上口长轴达90米。而网格构构件采用矩形形钢管，基本本断面仅65*180，其找形、网网格生成、稳稳定分析、节节点构造均有有创新。带有有内外桅杆的的总长达840米的超大型连连续张拉膜结结构也是也是是为本项目度度身设计而为为世界所仅见见。三、技术特点点及新技术应应用概述（一）结构形形式丰富多样样，具有创新新性飞碟造型的世世博文化中心心，核心部分分是18000座大型演出空空间。建筑立立面要求有凌凌空欲飞的感感觉，为此必必须有大悬挑挑，最大达40米。场内空间间要求的限制制使得悬挑结结构的锚固成成为难题，设设计中采用内内框架与拉环环协同的方式式来解决，也也很有创意。。三、技术特点点及新技术应应用概述（二）结构设设计为园区建建设实现低碳碳减排创造条条件努力实现低碳碳减排，是世世博园建设中中的一个重要要指导思想。。五大主体结结构地上部分分基本上均采采用了钢结构构，相对于混混凝土结构，，钢结构可回回收利用，在在减少二氧化化碳排方面有有突出的优势势。主题馆的屋面面结构设计积积极配合了太太阳能光伏电电池的安装，，形成了面积积达20000平米、2.8MW的发电容量。。主题馆的外外墙框架设计计配合了大面面积绿墙安装装的需要，形形成了6000平方米的世界界最大绿墙，，对改善园区区生态起了巨巨大的作用。。三、技术特点点及新技术应应用概述（二）结构设设计为园区建建设实现低碳碳减排创造条条件世博轴的设计计创意是造就就一个巨大的的生态调节器器，而结构是是实现这一功功能之载体。。阳光和新风通通过阳光谷引引入地下室——减少了地下空空间空调和照照明的电力负负荷；雨水通过阳光光谷和膜结构构全部纳入供供水系统供——节约了宝贵的的水资源；空调采用地源源热泵，空调调水循环管路路埋设在灌注注桩中，通过过桩与地下水水进行热交换换——节约了能源。。三、技术特点点及新技术应应用概述（三）多方案案比较，精心心设计优秀的结构设设计必定来自自多方案比较较。世博五大大主体项目在在设计过程中中都反复进行行了方案比较较，从中选择择最适合的方方案。主题馆：通过三个方案案的对比，得得出：双向张张弦桁架方案案因受矢高限限制，长向桁桁架刚度过弱弱，不能为短短向桁架分载载，反成负担担，用钢量不不经济，施工工也较复杂。。刚架方案用用钢量低，但但对基础有较较大推力，会会增加基础设设计的难度和和材料消耗，，而且杆件过过多建筑空间间效果不理想想，综合效果果不佳，因而而最终确定单单向张弦桁架架的方案。a.单向张弦桁架架b.双向张弦桁架架c.刚架体系三、技术特点点及新技术应应用概述（三）多方案案比较，精心心设计世博轴：世博轴的结构构方案更是经经历了反复比比选论证的过过程。下拉索索（无谷索））方案建筑效效果最好，简简洁通透，但但安全度较低低，膜的局部部损坏会导致致整个结构破破坏。重锤方方案膜应力稳稳定，但锤的的位移太大，，技术处理有有难度。内桅桅杆方案以其其变形小，结结构安全性高高，施工可控控性好而被确确定为实施方方案。a.重锤方案b.下拉索方案c.内桅杆方案三、技术特点点及新技术应应用概述（三）多方案案比较，精心心设计世博文化中心心：世博文化中心心的屋盖结构构也做了三种种方案比较，，空间桁架方方案因杆件布布置符合建筑筑师要求，竖竖向刚度大，，对大悬挂荷荷载的适应性性强而入选。。a.空间网架结构构b.弦支骨架结构构c.空间桁架结构构三、技术特点点及新技术应应用概述（四）新技术术研究与应用用（1）消能减震技技术世博中心：世博中心对防防屈曲支撑（（BRB）的应用进行行了较系统研研究，包括结结构抗震性能能目标的确定定，BRB的合理布置，，BRB的参数确定及及节点设计等等，并参照国国外资料及本本工程特点编编制了用于本本工程的BRB的验收标准。。-2500-1500-50050015002500-60-40-200204060轴向位移/mm轴力/kN加载步三、技术特点点及新技术应应用概述（四）新技术术研究与应用用（2）主题馆对粘弹性阻尼尼器的应用进进行了研究。。研究表明明在超长建筑筑的柱间支撑撑中合理布置置粘弹性阻尼尼器可以有效效地降低地震震作用和温度度应力。地震震剪力可降低低20-23%，柱的温度内内力可降低25%。（3）在世博文化中中心工程中，采采用TMD进行竖向振动动控制。对大大悬臂部分的的竖向刚度及及其在人群行行动荷载下的的竖向加速度度反应进行了了分析研究和和实测，并据据此在需要的的部位设置了了TMD,以保证正常使使用条件下的的舒适度。三、技术特点点及新技术应应用概述（四）新技术术研究与应用用（4）结构健康监监测。索膜结结构中，索与与膜的应力状状态是结构是是否健康的最最重要指标。。在世博轴工程中采用了了磁通法这一一新技术测量量索的内力。。膜应力的测试试则采用真空空法（右图））。同样在实实验室条件下下得到膜内力力，真空度和和膜出平面变变形的关系，，即可方便地地在现场测得得膜内力。三、技术特点点及新技术应应用概述（五）新设计计方法研究（1）自由曲面找找形（阳光谷谷找形）以建立弯曲应应力为零、薄薄膜应力最小小的曲面为目目标，提出了了一种基于计计算机辅助几几何设计（CAGD）的一体化有有限元建模技技术与造型优优化方法。并并建立了一套套CAD软件与有限元元软件协同建建模与造型优优化设计系统统，该系统可可通过调整设设计参数（约约束条件、空空间条件）得得到多种合理理曲面形态。。初始状态第3迭代步第8迭代步最终状态三、技术特点点及新技术应应用概述（五）新设计计方法研究（2）智能网格布布置（阳光谷谷网格布置））为满足自由曲曲面单层网格格杆件长度尽尽量一致、分分布尽量均匀匀、过渡尽量量流畅的要求求，以自由曲曲面优化找形形为前提，基基于网格形状状和单元长度度的网格质量量衡量标准，，编制了智能能化网格设计计程序。平面网格空间网格优化网格三、技术特点点及新技术应应用概述（五）新设计计方法研究（3）CAD与CAM相结合的先进进制造技术世博轴阳光谷谷为单层网格格曲面，杆件件采用矩形断断面，交汇于于同一节点的的各杆件主轴轴方向与节点点法向的关系系的确定是一一个难题。最最终以“节点点相邻面法线线合矢量”为为原则提出了了矩形截面钢钢管在自由空空间曲面上的的合理定位方方法，并将该该方法通过计计算机程序实实现三维实体体模型的自动动生成与测评评功能。进而而将CAD与CAM作为前后工序序连接起来，，借助机器人人加工技术，，实现了阳光光谷这一高难难度结构制造造的国产化。。