宁业辉

1.工程概况

潍坊火车站为胶济铁路线上的一等客运站，既有北站房候车面积偏小，外部交通拥堵，为适应旅客运输发展需求，在潍坊站站场南侧新建南站房，站房总建筑面积25495.94m2，于2018 年底开工建设，2020 年底投入使用，开通之后潍坊站增加了一倍的候车面积，最高聚集人数能达到8000 人。

南站房总面宽175m，总进深67m，站房建筑高度为24.8m（室外地面至屋檐和屋脊的平均高度），站房采用钢筋混凝土框架结构，结构设置两道变形缝将站房分为A、B、C 三个区。南站房屋面以潍坊风筝文化为切入点，采用与北站房对称的蝴蝶造型，营造南北站房 “南雄北秀，比翼齐飞”的外观效果，通过具有张力的屋顶实现南站房的雄伟，衬托北站房的秀丽，隐喻潍坊鼎盛富足的风筝城市风貌，象征潍坊各项事业蒸蒸日上（见图1）。

图1 潍坊站南站房鸟瞰效果图

2.屋面蝴蝶造型建模

潍坊站南站房屋面投影面积14900m2，为表达振翅欲飞的蝴蝶造型，屋面采用轻盈舒展富有变化的曲线轮廓，给人以强烈的视觉冲击，这同时也给结构设计师带来了不小的挑战，如何将生硬的结构力学法则与生动的建筑形态完美地融合在一起，成为屋面结构设计的关键问题。为给旅客提供一个更加舒适宽敞的候车体验，区别于既有北站房较密的柱网布置，南站房二层候车大厅采用大空间、全通透的设计，这样导致作为屋面支承的框架柱全部布置于候车大厅的周边，形成的屋面结构最大跨度为63m。结合屋面造型和承载要求，经过方案比选最终确定屋面采用大跨度空间网架结构形式，正放四角锥螺栓球节点（局部为焊接球），下弦支承[1]。

本工程顶层仅在左右两侧两排柱距内布置办公和设备用房，此区域内可利用的支承网架的框架柱布置较为密集，其余空间均为二层候车大厅，框架柱沿周边布置，网架跨度从52m～63m 变化。网架四周均有悬挑，南、北方向最大悬挑长度分别为18m 和15m，东、西方向为蝴蝶造型的翅膀，最大悬挑长度12.5m（图2），为营造轻盈灵动的立面效果，建筑要求悬挑部分的厚度越薄越好。结合屋面表皮的外轮廓造型，网架上弦杆所在的曲面已经确定，能够允许结构自由布置的是下弦杆所在的曲面，根据《空间网格结构技术规程》，网架的高跨比可取1/10～1/15，B 区网架厚度由中间大跨度向两端悬挑变薄，网架可布置为由中间厚逐渐向两端变薄的类似“鱼腹式”断面（图3），与两端简支结构构件受力图形完全契合。A、C 区为三边支承一边开口的网架结构，网架厚度也从开口处较大逐渐向两侧变薄（图4）。经过反复试算和优化截面，最终确定的网架中央区域厚度为3.5m，到悬挑端统一收为1.3m，既满足了结构受力要求，又满足了建筑挑檐轻薄的要求。网架在整体建模过程中，还需要考虑中央椭圆形排烟窗、水箱间开洞等区域的节点划分，按照“厚度大网格尺寸大，厚度小网格尺寸小”的布置原则，保证相邻杆件间的夹角大于45°且不宜小于30°，这样构建的下弦杆所在曲面均为双曲面，再采用腹杆连接起上下弦杆，最终形成网架三维模型。

图2 屋面网架平面布置图

图3 屋面网架南北方向典型剖面

图4 屋面网架东西方向典型剖面

3.结构设计参数取值

本工程结构设计使用年限50 年，屋面网架结构安全等级为一级，重要性系数1.1，站房所在地抗震设防烈度8 度，设计基本地震加速度值0.20g，设计地震分组第二组，建筑场地类别Ⅱ类，特征周期0.40s。

本工程按照《空间网格结构技术规程》规定，水平地震作用和竖向地震作用均采用振型分解反应谱法验算，网架为混凝土框架柱支承，阻尼比取值0.03，水平地震影响系数最大值0.16，竖向地震影响系数最大值0.104。

主要荷载取值如下：上弦恒载0.50kN/m2（屋面板系统、檩条），下弦恒载0.50kN/m2（吊顶、灯具、检修马道等），屋面上弦活荷载0.50kN/m2，下弦检修马道活荷载1.0kN/m2，网架杆件自重由程序自动考虑，球节点自重按照占杆件自重比例30%考虑。

温度作用按照升温+25℃、降温-25℃考虑。

雪荷载按照百年一遇雪压0.40 kN/m2取值，因站房屋面高低起伏，存在明显的波谷区域，其积雪不均匀分布系数取为2.0。

风荷载按照百年一遇风压0.45kN/m2取值，地面粗糙度类别B 类，本工程屋面曲线造型复杂，对风荷载比敏感，而其体型系数在荷载规范中没有完全对应的取值依据，为保证采用合理准确的参数，确保结构的抗风能力，特委托中国建科院对本工程进行风荷载CFD数值模拟试验，得到不同风向（0°～180°范围内每隔15°，共计13个风向）下屋面体型系数的计算结果。按照报告提供的试验数据，在计算程序中输入不同风向工况下的风荷载数据，充分保证结构设计安全。特别值得注意的是挑檐迎风向受负压控制，体型系数合值可达到-2.4（图5、图6），如果没有试验数据，工程设计中很难估算取值，造成设计安全隐患[2]。

图5 屋盖上表面体型系数分布图（0°风向）

图6 屋盖下表面体型系数分布图（0 度风向）

4.结构计算分析

钢网架结构计算采用上海同磊3D3S 结构分析软件，三个区网架杆件共计16317 根，荷载组合考虑恒、活、风、地震、温度相互组合，支座边界条件考虑温度作用引起杆件内力较大，在A 轴附近支座处沿着Y 方向释放（X、Z 方向固定），其余均采用固定铰支座（X、Y、Z 三向固定）。经过计算分析，支座反力Z 向最大为2120kN，水平向最大为990kN，本工程采用性能较好的抗震球形钢支座，支座承载力应小于最大支座反力。经过截面优选、校核和节点设计，所有杆件最大应力比均控制在0.93 以下，最大杆件截面采用∅245x14，螺栓球最大截面∅300，螺栓最大为M68，因A、C 区三边支承、一边开口，开口处杆件内力过大，采用加大网架厚度等办法效果不明显，经过反复试算最终确定采用部分焊接球节点，焊接球最大采用WSR6025。在恒荷载与活荷载标准值作用下，A、C 区最大挠度值为196mm，B 区最大挠度值180mm，满足挠度容许值L/250 的要求。网架主体结构用钢量610t，折合每平方米用钢量为41kg，较初设阶段进一步优化，结构各项指标计算均满足要求。

5.树形柱及节点构造

本工程在站房正立面结合屋面蝴蝶造型设置两颗对称布置的树形柱，柱顶三个曲线树枝状分叉，而站房正立面挑檐最大悬挑长度18m，CFD 数值模拟试验显示受风吸力较大，因此考虑在树形柱柱顶采用销轴连接与网架螺栓球节点进行连接（图7），这样无论在恒活载下压的条件下，还是在风吸力条件下，都能对悬挑网架提供有效的支承条件，避免挑檐产生较大的变形。树形柱由三根∅500mmx20 圆钢管（内灌C40 混凝土）通过连接板相互焊接成型（图8），避免了采用铸钢节点而造成生产工艺繁琐，分支钢管弯曲的角度要结合网架球节点所在位置确定，加工尺寸需三维放样确定。

图7 树形柱与网架下弦销轴连接节点

图8 树形柱三维轴测图

6.施工方案及挠度检测

本工程屋面网架采用顶升+散拼的施工方案，即先进行B 区屋盖结构顶升施工，然后进行两侧区域A 区2-5 轴、C 区14-17 轴屋盖顶升施工，最后进行悬挑网架高空散装施工。网架均需进行施工工况的验算，顶升点应设置均匀，各顶升点处按照验算结果需加大网架局部构件，保证网架施工安全稳定。网架施工过程中按照一系列质量控制保证体系进行，顺利完成了网架安装，并委托第三方检测单位对网架挠度进行了测量，实际测量值均不超过对应荷载条件下挠度计算值的1.15倍，见表1，满足《空间网格结构技术规程》JGJ 7-2010 的要求。

表1 网架屋面板安装完成后挠度实测值与计算值对比（单位：mm）

7.结语

潍坊火车站南站房屋面造型新颖独特，设计难点在于：（1）三维空间建模，良好的空间构型既要满足建筑造型需要，又要符合结构受力原则，是得到合理计算结果的基础；（2）网架结构跨度大、悬挑大，风荷载体型系数分布复杂，要充分分析结构计算结果，反复调整试算，得到合理的结构计算指标；（3）节点构造复杂，要巧妙地利用各种建筑造型构件作为有利的结构受力条件，完善各连接节点构造，使其与计算模型假定相契合。