南昌旭輝中心項目(圖1所示)是旭輝集團在江西南昌經(jīng)開區(qū)的一個綜合體項目，其展示中心面積約2251㎡，為兩層的展示建筑。泰大創(chuàng)新為大家分享立柱數(shù)量優(yōu)化的過程。
圖1 南昌旭輝中心項目
在南昌旭輝中心項目的設計中，屋面方案成為建筑師關注的焦點。屋面為48米直徑的圓形，建筑師希望能在確保結構安全的前提下做到極薄的效果。若采用常規(guī)“徑向梁+環(huán)向梁”的網(wǎng)格結構方案，則屋面不論是采用鋁板、矮立邊鋁鎂錳板或者是鈦鋅板，都會存在屋面構造厚度過大的問題，僅“吊頂+屋面保溫防水”的建筑構造厚度就達到約400mm，且板與板之間會形成較多的“縫”或者“肋”，嚴重影響美觀。為優(yōu)化屋面結構，旭輝集團將上部鋼結構單獨委托泰大創(chuàng)新(都市設計鋼結構所)進行結構設計。，結構工程師決定使用板桁架(圖2所示)作為旭輝中心項目的屋面結構。
板桁架是泰大創(chuàng)新專門針對于大跨度屋面研發(fā)的創(chuàng)新結構體系。通過在兩塊平行鋼板中間焊接W型腹板，板桁架形成了整體雙向傳力結構系統(tǒng)，使得結構的受力性能良好。板桁架的圍護鋼板參與受力，進一步增強了結構的承載性能。同時，板桁架也能做到極薄的視覺效果。通過機加工等多種技術，板桁架保證了面層的平整美觀，無需另做鋁板裝飾，從而節(jié)省了雙面200mm左右的裝飾層厚度。相較于傳統(tǒng)鋼結構+上下鋁板包覆的屋面設計方案，板桁架結構顯然更具有明顯的技術優(yōu)勢。
基于板桁架的上述優(yōu)勢，結構設計團隊對建筑結構的立柱也進行了一系列創(chuàng)新性的優(yōu)化方案。經(jīng)過四輪優(yōu)化，立柱結構得以不斷完善，實現(xiàn)了空間的最大化利用與美學效果的完美結合，分別如圖3~圖6所示。
首先，在第一輪優(yōu)化中，結構設計師取消了玻璃幕墻處的外圈立柱，最大屋面懸挑長度達到了14.5m，這一舉措使得室內主要空間往外觀看時沒有任何結構遮擋，空間更加通透，營造出開闊明亮的氛圍，如圖7所示。
第二輪優(yōu)化中，基于板桁架強大的整體面外剛度，外圈柱子去除后，內圈立柱作為與外圈立柱平衡的立柱，也沒有了存在的意義。因此，結構設計師們去除了內圈立柱，使整個屋面的重量和側向力均由一圈立柱來獨立承擔，為結構內部的活動空間增添了更多的靈活性與開放性，使得整個建筑更具現(xiàn)代感與實用性，如圖8所示。
在進行兩輪優(yōu)化之后，內裝設計師提出了新的要求，希望沙盤周圍空間不要有立柱影響參觀流線。因此結構設計團隊又針對性地抽掉了影響沙盤周圍的一根立柱，使空間動線更加順暢。取消沙盤附近的立柱后，屋面最大懸挑長度超過16.5m。而且更為重要的是，沙盤處為屋面懸挑最大處，拿掉這根立柱后，相鄰的兩顆立柱承受了遠超其它立柱的豎向荷載，這一點結構工程師通過局部加強等特別處理解決了所有立柱尺寸統(tǒng)一的問題。同時需要保證屋面懸挑超過16m時屋面的豎向變形不會壓壞玻璃也是結構設計的難點。還好板桁架結構的強大豎向剛度使得屋面只有很小的豎向變形發(fā)生。
最終一輪優(yōu)化中，結構設計師對地震力和風荷載進行了計算，并采用了一些方法減少立柱的彎矩，最終將原先直徑為400毫米的立柱優(yōu)化為直徑為200毫米，減少了結構對空間的干擾，提升了建筑的整體美感與精致度，如圖10所示。
超薄的板桁架屋面結構結合極少的纖細立柱，不僅使得南昌旭輝中心項目更加美觀，同時也為項目的功能性與實用性帶來了全新的提升。由于展示區(qū)的緊張工期，最終項目在3個月內完美呈現(xiàn)。能夠協(xié)助建筑師實現(xiàn)良好的建筑效果，作為結構工程師我們也感覺到了結構設計價值的存在。