天津博物館的建筑設計和結構體系
        
                                  
                    
        作者：建筑鋼結構網(wǎng)    					
        
					時間：2009-12-22 20:26:03					[收藏]
        
               
        
                
        				
        				
        

               
        
               
          
				陳志華 王小盾 嚴定中 陳勇 張
          
摘要：介紹了天津博物館的工程概況，分析了天津博物館的設計思想和特點，研究了總體規(guī)劃、建筑的平面設計、立面設計、剖面設計和外觀照明設計，分析了結構體系、上部鋼和混凝土結構設計以及下部結構設計，并通過對天津博物館建筑設計和結構設計的分析論述，展現(xiàn)了天津博物館作為標志性建筑的所獨具的特色，同時也說明一個優(yōu)秀的建筑作品離不開建筑和結構的有機結合。
          
關鍵詞：天津博物館；結構設計；建筑設計
          
中圖分類號：TU          文獻標識碼：
          

          
1 工程概況
          
天津博物館位于天津市友誼路與平江道交口處, 用地南至平江道，西至友誼路，東至四號路，占地面積約5萬?，總建筑面積約3.5萬?，建筑物總高度約為33m, 主體部分結構形式為鋼筋混凝土框架--剪力墻鋼支撐結構,屋蓋為鋼網(wǎng)殼，建筑平面呈半圓形,直徑達186m,基礎形式為樁--承臺基礎。
          
天津博物館是天津市歷史、藝術綜合博物館,建筑物外形為仿天鵝造型建筑。天津博物館由陳列展覽區(qū)、藏品庫房區(qū)、圖書資料中心、辦公與技術用房和設備用房等五大部分組成，建筑層數(shù)為三層，在室外設有容積為6500m3天鵝湖（分為兩部分）。
          
2 天津博物館設計思想和方案特點
          
作為新天津的標志性建筑，天津博物館的設計不僅要具有鮮明的現(xiàn)代風格，追求作為建筑自身所具有的技術先進、功能合理的設計理念，而且要反映天津的城市特點和風貌，展現(xiàn)現(xiàn)代都市的魅力，體現(xiàn)天津博物館館藏實力，為天津增添一份獨特的文化氣息，同時還要保證天津博物館與文化藝術中心、行政中心及天鵝湖的整體和諧并各自獨具特色。天津博物館是通過國際公開的設計招投標確定的方案，由日本川口衛(wèi)設計事務所和高松伸設計事務所中標，初步設計和施工圖設計由川口衛(wèi)設計事務所總負責，聯(lián)合高松伸設計事務所和天津市建筑設計院等共同完成，天津大學建工學院負責了天津博物館的科研、試驗和關鍵技術的研究、開發(fā)和設計等工作。
          
天津博物館的通道是從天鵝頸部走廊中穿過，到達風除室后再接著進入結構主體。該方案中，殼面和幕墻曲面光滑、渾圓，與地面自然連接，整體裝修以白色為基調(diào)，形成一個“展翅飛翔的天鵝”的造型。
          
3 天津博物館建筑設計
          
天津博物館由天鵝湖、天鵝頸和綠色項鏈構成，整體布局沿占地的西北向軸線對稱。
          
3.1 總體規(guī)劃
          
在天鵝湖東西兩側湖岸和長189m的天鵝頸范圍內(nèi)，共設有三個參觀主入口,在與來賓入口相對的一側（南側）設有四個工作人員出入口、一個文物出入口。
          
汽車停車場、自行車存車場設在從東側主入口看不到的地方，并將冷卻塔和衛(wèi)星接收天線也設在該區(qū)域。
          
天鵝湖直徑130m，水深從300mm到800mm逐漸加深，湖岸可供兒童嬉戲。天鵝湖周圍設有廣場，采用花崗巖鋪地，并在石材下鋪兩層砂和灰土的來防止冰凍所造成的花崗巖脫落。
          
在網(wǎng)殼的外圍設7m寬防水防盜溝，既能防止突發(fā)洪水進入藏品庫，也可以防盜。
          
3.2 平面設計
          
天津博物館首層為鋼筋混凝土結構，柱網(wǎng)為7mX7m，二層為鋼筋混凝土結構，柱網(wǎng)為14m×14m，三層為鋼結構，只在展室的隔墻部分設置柱，展室為跨度28m×45m的無柱大空間。
          
（1）首層平面設計
          
首層平面圖如圖1所示。在北側設置前廳，其中包括序廳、問詢處、售票處、貴賓室、多功能廳、圖書閱覽區(qū)域等；在南側設置有收藏室、設備室、辦公室等。
          


          
設在殼面的邊緣部分的辦公室可以實現(xiàn)自然采光和通風。
          
前廳的東西兩端各設置一個圓廳，圓廳的外形為獨特的組合圓頂，以反光板來裝飾，襯托出前廳漂亮的空間。 東端的圓廳為多功能廳，是前廳的休息空間。西端的圓廳為貴賓廳。在前廳內(nèi)設置茶座，參觀人員可以在休息的同時欣賞天鵝湖的景色。
          
在防盜措施良好的首層的中央部位設置藏品庫，它距外墻的位置適中，內(nèi)部不受外部環(huán)境干擾。藏品庫的各個出入口均安裝防盜門，內(nèi)部設置消毒裝置。搬運口設在藏品庫的中間，具有足夠的操作空間。
          
（2） 二層、三層平面設計
          
    前廳北側的通道是通向展室的主要路線，展室設在中央，沿殼的南側一邊設置工作人員用通道，前廳與展室之間由斜墻分開。
          
（3）內(nèi)部路線設計
          
參觀人員的參觀路線與工作人員的工作路線明確分開。參觀路線設在北側（前廳一側），工作人員路線設在南側。前廳中央的自動扶梯為主參觀路線。
          
3.3 剖面設計
          
首層為序廳、多功能廳、貴賓廳、圖書資料中心、藏品庫和辦公室，二層為博物館及民族展展室，三層為天津歷史展室。
          
一至二層的層高為5m，二至三層的層高為8.7m，層高設定留有較大余量，可確保足夠的設備檢修空間。首層前廳地面高度可比藏品庫高1000mm，因此可充分利用殼面端部空間。在三層展室，吊頂?shù)母叨葟?m到13.1m分7個層次構成。
          
屋頂網(wǎng)殼矢高為2m，可作為敷設設備管道空間使用。
          
分隔前廳和展室的斜墻由傾斜角為78度的6塊曲面構成。從首層到網(wǎng)架下弦的5個墻面，加上首層中央局部的1個墻面，仿佛6扇屏風，具有現(xiàn)代化的象征意義。裝修選用白色石材，賦予整個建筑一種高雅的品位。
          
3.4立面裝修設計
          
建筑物立面裝修設計主要包括殼面和玻璃幕墻、采光窗、落地窗。
          
“天鵝”外形由面積為15539平方米的殼面和面積為5764平方米的幕墻構成。
          
殼面是半徑158m球面的一部分，表面積為15539平方米。殼面由網(wǎng)殼、檁材、保溫層、折板及鍍瓷鋁面板構成。保溫層厚100mm，包覆整個殼面。 折板層采用相互獨立的折板，將一片片板材交錯疊壓進行施工，做出球面的效果。在球的水平方向設四道橫管，將雨水沿網(wǎng)殼排走。這樣既保證屋面不漏水，又便于殼面施工。殼面采用鍍瓷鋁板包覆，這種板厚為2mm，表面為純白色陶瓷涂層，它和陶瓷一樣不需要維護，比涂氟產(chǎn)品更具耐久性。施工方法是把鋁型材按照從600mm到900mm的間距呈扇形布置，再把寬600mm到900mm，長2900mm的鍍瓷鋁板現(xiàn)場拼接施工。殼面的防水處理是在鍍瓷鋁板層和折板層上做兩遍防水，可完全防止漏水。
          
玻璃幕墻由天鵝兩翼的側幕墻和與天鵝頸連接的中央幕墻構成。側幕墻曲面是圓錐面的一部分，由鋼桁架支承。中央幕墻是將軸線上的標準曲面旋轉后形成的形狀，由分為兩支的鋼梁組成，并由橢圓形的中空的群柱支承。側幕墻或中央幕墻都能夠在調(diào)整了幾何學的形狀后將全部材料在平面狀態(tài)下進行施工。側幕墻和中央幕墻的鋁制窗框主要沿垂直方向布置，水平方向的窗框只是部分設置。
          
在殼面設置的可控制的開合式采光窗，在作為前廳和三層展室自然通風用開口部的同時，還具有排煙、換氣等排氣功能。
          
殼面的端部是懸臂梁，在殼面與基地之間就形成了高2m的接縫狀的開口即落地窗。落地窗做成玻璃或百葉的，其傾斜角為69度，每隔約20m設置一開口面積為2平方米的百葉窗，具有進風、排氣的功能。
          
3.5 建筑外觀照明設計
          
在采光窗下設置照明裝置，與殼面端部的燈帶一起突出“天鵝”的造型。設在天鵝湖和天鵝頸處的燈光，增強了整個建筑的亮度，美化了天津的夜景。夜景效果如圖2所示。
          


          
4 天津博物館結構設計
          
4.1 工程概況
          
天津博物館地上共3層,總高度約33m,主體部分結構形式為鋼筋混凝土框架--剪力墻鋼支撐結構,屋蓋為鋼網(wǎng)殼，該建筑平面呈半圓形，直徑達186m。
          
（1）荷載取值
          
天津博物館工程所處地區(qū)的基本風壓Wk=0.48kN/?，基本雪壓0.25kN/ ?；展廳部分: 5.0kN/?，辦公室:2.0kN/?， 衛(wèi)生間:2.5kN/?，樓梯:3.5kN/?，走道:3.5kN/?，機房:6kN/?
          
（2）工程地質(zhì)概況
          
本工程場地類別為Ⅲ類場地,屬中軟場地土,地下水靜止水位埋深在1.0～1.5m左右,地下水對混凝土及鋼材均無腐蝕性,在埋深15m以上土層均屬非液化土層。
          
（3）抗震設計
          
本工程場地地震基本烈度為7度，設防烈度為7度，乙類建筑,設計采用設防烈度計算,按8度采取抗震措施。結構抗震等級:框架三級,剪力墻二級。
          
4.2 上部結構設計
          
天津博物館上部結構設計包括混凝土和鋼結構兩部分的設計
          
（1）混凝土部分
          
1）結構選型
          
本工程混凝土部分為三層結構,首層層高5m,二層8.7m；柱網(wǎng): 首層為7×7m,二層14×14m、7×14m 。三層部分局部設置支承屋蓋的鋼管柱。本工程不設任何縫,混凝土部分結構最大長度約為180m,為避免澆注混凝土時溫度變化引起收縮應力,采用設置后澆帶方式解決。后澆帶沿x向設置4道,沿y向設置2道,主體結構完成2個月后封閉。另外考慮此建筑物二層層高較高,柱網(wǎng)跨度較大,且二層上部還有支撐鋼屋蓋柱子,在地震作用下,為避免位移較大,在樓梯間處設置了350mm厚剪力墻,在建筑隔墻處局部設交叉鋼桿支撐。
          
2）主要結構截面尺寸
          
柱子:600?×600mm，800?×800mm，40?0×600mm(斜柱)
          
框架梁:首層350?×700 mm，層400×1200 mm
          
樓蓋梁:首層250?×500mm井字梁，二層350?×800mm井字梁
          
樓板:采用12cm厚鋼筋混凝土樓板
          
砼標號:基礎采用C30鋼筋及混凝土，首層采用C30鋼筋砼，二層采用C40鋼筋砼
          
3）結構分析
          
本工程采用建研院PKPM系列, TAT結構分析軟件進行混凝土部分計算,計算中考慮耦聯(lián)影響。建筑物總重310000kN(混凝土部分)，結構重心與形心基本重合，計算結果如下：
          


          
根據(jù)結構分析，本工程柱子軸壓比均能滿足規(guī)范要求限值。
          
（2）鋼結構部分
          
天津博物館的鋼結構部分包括屋頂網(wǎng)殼、幕墻結構和天鵝頸三部分，如圖3所示。
          


          
1）材料:鋼材以Q235b為主，結構計算及節(jié)點的焊接連接及螺栓連接分別以國內(nèi)相關規(guī)范為依據(jù)。
          
2）荷載：基本風壓0.4KN/?，重要性系數(shù)1.2，基本雪壓0.25 KN/?，活荷載0.5 KN/?。
          
3）屋頂網(wǎng)殼結構
          
天津博物館的屋頂為雙層網(wǎng)殼結構，節(jié)點形式為螺栓球節(jié)點。網(wǎng)架厚度為2米，網(wǎng)格尺寸為2.5米～4.1米。
          
①屋頂?shù)闹С畜w系
          
屋頂?shù)闹С畜w系分為以下3類。
          
a.下部結構支承
          
在天津博物館內(nèi)部展廳的墻壁設置柱，柱頂直接與網(wǎng)架結構的節(jié)點連接，柱腳由鋼管變形的鉸接柱來支承，這種柱不能承擔水平力，只能在垂直方向支承大屋頂豎向荷載。
          
b.外周圈的鋼結構柱
          
在外圈柱之間設置斜撐的來共同支承大屋頂。
          
柱頂直接與屋頂節(jié)點連接。柱腳為利用鋼板作成的鉸接節(jié)點。該節(jié)點形式約束斜撐結構面內(nèi)的轉動，允許結構面外轉動。這樣由斜撐所負擔的水平力可以很好的傳遞給基礎。
          
另外，該支座通過面外轉動可以釋放由于溫度變化在網(wǎng)架結構在徑向產(chǎn)生的伸張或收縮的變形，從而避免產(chǎn)生溫度應力。
          
c.正立面頂部的拱
          
正立面的鋼管拱也支承著屋蓋結構，而拱又由連接天鵝頸的桿件所支承，這在保證提高網(wǎng)架結構的經(jīng)濟性的同時也解決了拱結構的屈曲穩(wěn)定問題。
          
②大屋頂?shù)挚顾搅?br />
作用在大屋頂上的水平力（風荷載、地震時力等）通過屋頂結構可以直接傳給地基。也就是說，作用在大屋頂上的水平力利用大屋頂傳給下部結構，對于地震時的慣性力考慮由下部結構獨立抵抗。
          
當X方向的水平力作用在大屋頂上時，在與荷載作用方向接近的角度的柱間斜撐進行最有效的抵抗。由于水平力作用的大屋頂?shù)谋砻婧托睋谓Y構面有高差，在外力和反力之間產(chǎn)生力偶。，內(nèi)部的鉸接柱中的軸力，能有效地進行抵抗此力偶。
          
當Y方向的水平力作用在大屋頂上時，基本上與X方向是相同的。只是在Y方向水平力的作用下，在拱的支點的近旁的桿件的軸向與荷載方向一致，因此拱也能夠很有效地抵抗水平力。
          
③大屋頂施工程序
          
首先進行鋼筋混凝土下部結構的施工，接著在支承大屋頂?shù)闹е浇鼮橹行脑O置腳手架，安裝支承大屋頂?shù)闹е?、斜支撐、拱狀梁；然后在地面把空間網(wǎng)架拼裝成結構單元，按順序進行施工。所有屋頂結構全部施工完成后，進入裝修工程。
          
4）玻璃幕墻結構
          
天津博物館的立面是最高約33米的玻璃幕墻，分為兩部分：與天鵝頸部相連的中央幕墻及兩端的側幕墻。
          
在中央部分與天鵝頸相連是10根箱形曲線鋼梁，梁高800?～450?,梁寬400?～250?。沿高度方向每6米設置橫向桿件，并且沿1.25米的間距設置了直接連接玻璃的縱向桿件，以形成玻璃幕支承結構。10根箱形斷面曲線鋼梁在跨中和端部由鋼筋混凝土結構支承，頂端與大屋頂?shù)墓跋噙B接。
          
在兩端，沿拱以約5米間距設置了桁架梁，梁高2m～0.88m，在桁架梁上沿高度方向以6米間距設橫向桿件，構成的玻璃幕的支承結構，然后再以1.25米的間距設置直接連接玻璃的縱向構件，形成立面玻璃幕的造型。支承桁架的上部與大屋頂邊界的拱緊密連接。在支承桁架的外側弦桿直接連接玻璃的位置和內(nèi)側弦桿均以6米間距設置橫向桿件，這些橫向桿件可以防止桁架桿件的面外屈曲變形。
          
5）天鵝頸
          
天鵝頸由從主入口經(jīng)過天鵝湖進入天津博物館內(nèi)的回廊構成，屋頂用玻璃覆蓋。
          
天鵝頸部是由10根箱梁構成，箱形梁的尺寸為350?×175?。它的兩端部各有4根鋼管柱列支承，在中間由30米間距的呈橢圓形平面布置的鋼管柱群來支承，每組有8根。這些柱與橢圓形梁剛接。10根箱形梁與橢圓形梁進行有效連接。
          
4.3 基礎設計
          
由于本工程柱網(wǎng)下荷載的不均勻性,必然產(chǎn)生變形的不均勻性,故本工程采用樁基礎，選用600鉆孔灌注樁或350?×350?預制樁,該建筑物埋深取2.0m, 鉆孔灌注樁樁端埋深21.0m。本工程主要采用600鉆孔灌注樁,主結構入口剛架采用350?×350?預制樁。
          
鉆孔灌注樁單樁承載力Ruk=1710kN，設計值為RD=1000kN
          
承臺厚度為1200?，承臺間設拉梁,拉梁尺寸一般為350?×700 ?，局部柱網(wǎng)尺寸較大處為400?×1200?。
          
5 結論
          
采用仿生性建造的天津博物館是天津一個標志性建筑。本文通過介紹其建筑和結構的設計，說明一個完美的建筑作品，既離不開建筑，也離不開結構，要通過建筑和結構的有機統(tǒng)一協(xié)調(diào)才能實現(xiàn)。
          
參考文獻
          
1．陳志華, 王小盾, 劉錫良. 天津博物館的空間鋼結構體系. 第二屆全國現(xiàn)代結構工程學術研討會. 2002年7月. 馬鞍山. PP.138
          
          
		  
          				
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