结构的美感-平塘天文小镇天幕商业街建设项目天幕、虫洞异型钢结构设计

结构的美感——平塘天文小镇天幕商业街建设项目天幕、虫洞异型钢结构设计01工程概况平塘天文小镇天幕商业街建设项目为我公司设计项目，项目位于贵州平塘国际射电天文科普文化园东部。整个项目用地总长度在450米左右，总用地面积8万平方米，总建筑面积7.5万平方米，项目投资约5亿元。天幕商业街设置公寓区、天文体验区、商业购物区、广场休闲区四大功能区。图1

项目效果图该项目最大的亮点为“天幕”与“虫洞”的空间异形钢结构。异形钢结构沿着项目东西方向轴线布置，盖于中间商业街上。本文主要介绍这两处空间异形钢结构的主要特色与技术要点。图2

项目总图示意图3

项目实景1图4

项目实景2图5

项目实景302整体建筑特色（1）随山筑形本工程根据地形特点采用随山筑形的设计理念，天幕钢结构随山成型、花篮钢结构尽线舒展。结构设计结合本工程建筑特点、采用贴切建筑美观、受力合理的结构形式，保证外露钢结构的结构形态美。图6

丰富的空间体验（2）ETFE膜材料本工程根据建筑外形及采光要求，以及当地山区紫外线较强、多冰雹、多雨水的气候特点，选择了ETFE膜材料作为天幕钢结构的屋面系统。ETFE膜材具有较高的透光率，可以让光线通过，但同时又可以阻止紫外线，紫外线一般通过率不会超0.3%，避免破坏材料和使人类的皮肤受伤。同时，ETFE膜材质量轻，韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，耐候性和耐化学腐蚀性强，具有优良的抗冲击性能、热稳定性和耐化学腐蚀性。而且自重极轻、机械强度高、加工性能好，其自清洁功能使表面不易玷污，即使破损也很容易修补，也可通过雨水冲刷带走表面污物。图7

ETFE膜材料屋面系统（3）天幕透明屏天幕显示材料选用菱形拼接透明屏，具有高通透性（60%以上通透率），质量轻，安装方便等特点；菱形拼接透明屏可根据现场调整灯条的长度与间距，特别适用大面积幕墙及异形的应用场合；PC定制颜色，可以做到屏体与建筑设计风格完美融合，从而满足建筑的功能与美观要求。图8

菱形屏幕实际效果03“天幕”设计特色图9

天幕3D模型视图（1）图10

天幕3D模型视图（2）天幕钢结构分为东西两段，东侧天幕长度约为230m，西侧天幕长度约为180m。整个钢结构的单跨跨度接近20m，高度约28m。其下挂的天幕LED显示屏面积超过5000平方米，目前是世界异形天幕中面积最大、长度最长的天幕街。以下为天幕钢结构的主要设计特点。（1）LED支撑钢结构标准模块本工程天幕钢结构须下挂LED屏幕，根据LED设计要求，下弦层构件布置采用平面菱形布置，设计LED支撑钢结构标准模块方便LED直接吊挂，加大现场装配率。模块的平面为一个边长为10.98m的菱形，并由次梁分隔为一个个边长为1.83m的小菱形，能够满足每一小块菱形拼接透明屏的安装。图11

LED支撑钢结构标准模块下弦平面布置图图12

LED支撑钢结构标准模块截面布置图图13

LED支撑钢结构标准模块截面3D视图图14

LED支撑钢结构标准模块截面计算分析图（2）大悬挑变形控制根据建筑外形要求，东西天幕两端均为大悬挑，悬挑长度最大为16.8m，通过强化分析及加强措施（添加钢柱连接上下弦），从而满足设计要求。图15

悬挑端在恒+活作用下挠度值（最大挠度51.3mm，悬挑长度16.8m，挠跨比1/327，满足规范要求）图16

悬挑端在恒+风作用下挠度值（最大挠度18.1mm，悬挑长度16.8m，挠跨比1/928，满足规范要求）图17

天幕悬挑端“龙头”实拍图（3）温控强化针对本工程天幕钢结构长度较长（230m、180m），温度效应明显（±30°）的情况，设计加强了对温度应力的强化分析，并加强天幕钢结构两侧的柱子刚度以抵抗温度变形。图18

东侧天幕温度效应弯矩MY(单位KN.m)04“虫洞”设计特色图19

虫洞3D模型视图（1）图20

虫洞3D模型视图（2）虫洞钢结构的直径为36m、高度23m，为整个商业街的轴心位置。（1）小构件理念本项目地处山区，材料运输条件较差，且本工程钢结构施工周期较短，工程体量大、交叉作业多。因此设计采用小构件设计，所有屋面钢梁尽量采用成品型钢或圆管截面，加快采购进度，同时每个单体尽量采用3~4种主要截面，且轴网规则，每段构件加工长度基本统一，保证了构件的加工速度和现场管理。表1

虫洞主要采用截面类型（2）桁架柱设计根据建筑造型特点及使用功能要求，虫洞竖向支撑结构采用由9根钢管柱组成的竖筒桁架柱，直径由底到顶分别为5m，2m（最窄处）、10m。为有效提供环向约束力，沿柱高方向每2m设置一道环梁约束，并设置两道柱斜撑，柱顶设置1道环向平面桁架。图21

环形桁架柱展开图

（3）平面桁架设计长悬臂悬挑结构采用16榀法向平面桁架，桁架结构高度根部为2m，端部为3m，悬挑长度13m，中部桁架高度线性变化。法向平面桁架根部汇合在桁架柱体系顶部的环向平面桁架，按照悬挑结构的受力特点，沿法向布置平面桁架，屋面荷载经过平面桁架直接传递至竖向支撑体系，传力路径明确、直接，整体结构简洁;平面桁架相对独立，施工方便，质量易保证。结构计算变形均满足要求。图22

法向平面桁架布置图图23

标准法向平面桁架侧视图图24

屋盖在恒+活作用下挠度值（最大挠度55.9mm，悬挑长度13m，挠跨比1/253，满足规范要求)图25

屋盖在风作用下侧移（最大侧移90mm，最高高度23m，侧移比1/256，满足规范要求)（4）随灯铸形由于外挂灯具直接吊挂在钢结构上，虫洞钢结构空间布置与灯光设计方案密切相关。在设计过程中与灯光设计密切配合，确保灯光效果的同时，保证每个LED灯都能挂在预留的钢结构挂点上，加快现场其他工种的施工进度。图26

LED悬挂梁节点05总结天幕街的钢结构部分向民众传达商业以及奇幻的氛围，使之在展馆区域内外都能感受到科技气息。本方案室外环境与建筑构造、方位、色彩紧密结合在一起，强调建筑与环境的整体性，给游客形成多层次、全方位、立体化的空间感受。灯光以中央星空广场为中心，沿着建筑走向，向各个角落放射、发散，呼应“星空”、“天文”的主题，同时体现整个广场的宏大。第十二届贵州省旅游产业发展大会于2017年11月7日在此召开，本项目的落成为大会旅游产品特色商品展提供了优越的展示平台。有利于助推贵州旅游产业发展，提高人们幸福感。图27

第十二届贵州省旅游产业发展大会召开本工程在设计上结合本工程的建筑随山筑形与使用要求的特点，