1. 引言
在当今建筑领域，创新与可持续发展成为核心追求。钢木混合结构作为一种新兴的建筑结构形式，受到了广泛的关注和应用，为建筑行业带来了新的活力与潜能。钢木混合结构巧妙地将钢材的高强度、优良的力学性能与木材的自然质感、良好的保温隔热性能相结合。这种融合不仅满足了现代建筑对结构强度和稳定性的要求，还赋予了建筑独特的美学价值和生态友好特性[1]-[3]。
钢木混合结构的发展前景十分广阔，逐渐成为了建筑领域的研究热点。这一趋势促使越来越多的研究人员投身于钢木混合结构的研究中，以期推动该领域技术的不断创新与发展。陈飞等[4]研究了自复位钢木混合剪力墙(SC-STHSW)的抗震性能，通过结合预应力钢框架(PTSF)与轻木剪力墙，并加滑移摩擦阻尼器(SFDs)连接，增强了复位性能。研究发现，提升自复位比率αE能显著降低震后残余及最大位移。李征等[5]设计了自重与侧抗力分离的钢–木混合结构(ST-SGLRS)，并创新性地提出了直接位移迭代设计法。研究表明，该设计方法对具备独立重力和侧向抵抗体系的钢–木混合结构是切实可行的。Colin F. Gilbert等[6]研究了新型的钢木混合支撑框架，重点关注钢梁与木柱之间的支撑连接，旨在将高性能结构钢支撑系统应用于重型木结构中。初步验证了可行性，建议未来进行系统地震性能测试，评估不同布局效果。赵伟等[7]探索了新型嵌入式钢木复合柱替换传统钢管柱的设计，以长沙别墅为例验证合理性。研究显示，新设计提升承载与抗屈曲能力，增强结构稳定性，地震模拟中表现优异，能替代纯钢柱确保建筑安全稳定。
钢木混合结构在实际工程中应用广泛。上海西岸人工智能峰会B馆[8]采用了钢木混合网壳结构，以0.5 m高的木梁实现成功构建出跨度达40 m的空间，是当前世界上在单元材料使用方面最为节省的互承式钢木混合异形网壳。上海崇明体育训练基地游泳馆[9]采用了钢木混合张弦壳体结构，这种钢木混合结构不仅能提供足够的强度，而且还能很好地解决游泳馆建设和使用中保温以及耐腐蚀的难题。位于成都市青羊区的青羊樾府社区中心[10]巧妙地运用了层压胶合木的钢木混合体系，使社区中心具备了良好的结构性能和耐用性，还实现了社区空间的最大化利用。湖南长沙象山国际幼儿园[11]采用了一种创新的胶合木框架支撑–钢框架混合结构，具有较强的空间适应性，可以灵活调整以满足幼儿园不同功能区域的需求。
虽然，钢木混合结构有诸多优点，但由于木结构刚度较小，其在施工过程中容易产生较大变形，影响工程质量，甚至发生工程事故。因此，本文以广州纳米中心圆项目为实例，深入分析其大跨度球状网壳钢木混合结构施工全过程，提出相应的施工关键措施，为大跨度钢木混合结构的施工提供借鉴。本文利用MIDAS GEN软件，对广州纳米中心圆球状网壳结构进行了施工过程分析。在建模过程中，全面分析了有无玻璃荷载以及有无环向拉索作用下的多种工况组合，以精确模拟不同施工阶段对结构的影响。基于详细的分析结果，针对该工程提出了针对性的施工措施建议。这些建议旨在确保结构在施工过程中的安全性和稳定性，同时优化施工流程，提高工程效率。通过本文的研究，可为类似大跨度钢木混合结构的施工提供参考和借鉴。
2. 项目概况
广州纳米中心圆项目位于广州市黄埔区护林中路195号，其核心结构工程聚焦于纳米园内的标志性中心圆区域。此区域采用了一种创新的球状网壳钢木混合结构体系，巧妙地融合了现代建筑美学与工程技术。纳米中心圆项目的外观效果如图1所示。该中心圆最大直径为38米，高度为21米，垂直空间内规划为三层上部结构及一层地下室。其形态灵感源自自然界的苹果，呈现出一种既现代又和谐的苹果状外观。网壳部分采用了先进的胶合木结构技术，不仅展现了木材的自然美感，还确保了结构的稳固与耐用。而位于“苹果核”位置的核心部分，则是钢结构与外包木结构的完美融合。此外，整个结构的表皮采用了现代感十足的玻璃幕墙体系，不仅为室内引入了充足的自然光线，还营造出一种通透而梦幻的视觉效果，使得这一建筑杰作在日光与夜色中皆能展现出不同的魅力，成为广州市黄埔区一道亮丽的风景线。
Figure 1. Nano center circle project
图1. 纳米中心圆项目
纳米中心圆工程的结构设计使用年限为50年，安全等级为二级。整体采用球状钢木混合网壳结构。同时，该项目的结构耐火等级设计严格遵循木结构标准。在抗震设计方面，项目所在场地的设防烈度为7度，地震加速度值为0.10 g。此外，整个结构的建筑总高度为21米，屋面网壳的最高点为17.3米。外壳三维示意图如图2所示。
Figure 2. 3D schematic diagram of the shell
图2. 外壳三维示意图
3. 施工过程数值分析
3.1. 建模过程
3.1.1. 材料特性
1) 结构用材
规格材：有木材认证机构的质量认证记号，墙骨柱木材采用Ⅴ级及以上级，窗过梁及屋面搁栅木材达到Ⅲc及以上。项目结构用材如表1所示。
Table 1. Structural materials
表1. 结构用材
材料名称 |
解释 |
含水率 |
SPF |
进口云杉、松、冷杉结构材统称 |
≤15 |
OSB |
木基结构板材 |
≤15 |
螺栓：4.8级普通螺栓；锚栓：材料为Q355B。
混凝土强度等级为C30；钢筋强度等级为1HRB400。
钢材：本单体使用钢构件强度为Q355。
2) 材料设计指标和允许值
本项目主要的胶合木构件强度等级为TCt32，系数调整后的设计值根据《木结构设计标准》。材料设计指标和允许值如表2所示。
Table 2. Material design indicators and allowable values
表2. 材料设计指标和允许值
强度等级 |
TCt24 |
TCt28 |
TCt32 |
TCt36 |
TCt40 |
抗弯强度设计值fm (MPa) |
16.7 |
19.5 |
22.3 |
25.1 |
27.9 |
顺纹抗压强度设计值fc (MPa) |
14.8 |
16.9 |
19.0 |
21.1 |
23.2 |
顺纹抗拉强度设计值ft (MPa) |
10.5 |
12.4 |
14.2 |
16.1 |
17.9 |
弹性模量E (MPa) |
6500 |
8000 |
9500 |
11,000 |
12,500 |
由上述表格可知，强度等级为TCt32的胶合木构件的抗弯强度设计值fm = 23.0 MPa；顺纹抗压及承压强度设计值fc = 19.0 MPa；顺纹抗拉强度设计值ft = 14.2 MPa；弹性模量E = 9500 MPa。
SPF材料力学性能：抗弯强度设计值fm = 11.0 MPa；顺纹抗压及承压强度设计值fc = 10.0 MPa；顺纹抗拉强度设计值ft = 14.2 MPa；顺纹抗剪强度设计值fv = 1.4 MPa；弹性模量E = 9000 MPa。
Q355B钢的屈服强度为345 N/mm2。
3.1.2. 设计荷载
1) 主体结构构件自重
主体结构构件密度取值如表3所示。
Table 3. Density value of main structural components
表3. 主体结构构件密度取值
构件 |
材料 |
密度(kN/m3) |
钢构件、链接件 |
钢 |
78.5 |
木梁 |
TCT32 |
5.5 |
2) 附加面荷载
外壳结构承受附加面荷载如表4所示。
Table 4. The shell structure bears additional surface loads
表4. 外壳结构承受附加面荷载
材料名称 |
重量(kN/m2) |
(10TLOW-E)18A + (10T + 2.28SGP + 8T)超自夹胶中空玻璃 |
0.768 |
龙骨 |
0.2 |
总和 |
0.968 |
3) 活荷载
外壳：不上人屋顶：0.5 kN/m2。
3.2. 分析过程
采用逐层建模分析的方法。首先，构建首层网壳模型，并对其在各种工况下进行的分析；然后在首层模型的基础上，继续搭建二层模型，并同样对各种工况实施分析。最终，当所有层级模型均构建完毕并经过分析后，整合形成一个完整的整体模型，再次进行全面的工况分析。
3.2.1. 分层分析
构建首层网壳模型后，对其在1.0DL + 1.0LL工况下产生的变形进行计算。首层模型如图3以及图4所示。计算结果显示，首层网壳再无拉索不考虑玻璃荷载的情况下产生的最大节点位移为100 mm；产生的Z向最大节点位移为22 mm，满足规范要求。网壳在无拉索考虑玻璃荷载的情况下产生的最大节点位移为139 mm；产生的Z向最大节点位移为30 mm，满足规范要求。网壳在有拉索考虑玻璃荷载的情况下产生的最大节点位移为22 mm；产生的Z向最大节点位移为4.6 mm，满足规范要求。
Figure 3. The first layer without cable
图3. 首层无拉索模型
Figure 4. The first floor has a lasso model
图4. 首层有拉索模型
首层分析完毕后，继续在首层的基础上构建二层的模型，然后对其在1.0DL + 1.0LL工况下产生的变形进行计算。二层模型如图5以及图6所示。计算结果显示，二层网壳再无拉索不考虑玻璃荷载的情况下产生的最大节点位移为9 mm；产生的Z向最大节点位移为7.6 mm，满足规范要求。网壳在无拉索考虑玻璃荷载的情况下产生的最大节点位移为12 mm；产生的Z向最大节点位移为9.8 mm，满足规范要求。网壳在有拉索考虑玻璃荷载的情况下产生的最大节点位移为9 mm；产生的Z向最大节点位移为5.7 mm，满足规范要求。
将首层、二层有无拉索以及是否考虑玻璃荷载情况的分析结果汇总于表5中。由表5中的数据可知，施加拉索可约束网壳产生水平及竖向位移，有效防止木材发生形变。
Figure 5. The second layer cable free model
图5. 二层无拉索模型
Figure 6. The second floor has a lasso model
图6. 二层有拉索模型
Table 5. Displacement of nodes in the first and second storey structures
表5. 首层、二层结构的节点位移
层间 |
拉索情况 |
荷载情况 |
最大节点位移(mm) |
z向最大节点位移(mm) |
首层 |
无拉索 |
不考虑玻璃荷载 |
100 |
22 |
考虑玻璃荷载 |
139 |
30 |
有拉索 |
考虑玻璃荷载 |
22 |
4.6 |
二层 |
无拉索 |
不考虑玻璃荷载 |
9 |
7.6 |
考虑玻璃荷载 |
12 |
9.8 |
有拉索 |
考虑玻璃荷载 |
9 |
5.7 |
3.2.2. 整体分析
在首层、二层的基础上继续建模，最后得到整体模型。整体模型如图7以及图8所示。然后对整体模型无拉索情况下进行了多种连接方式的分析，如木梁与木梁之间的固–固连接、固–铰连接，并考虑了铰接一端不同抗弯刚度的影响。还对整体模型有拉索情况下是否考虑玻璃荷载进行了分析。将上述分析内容以及结果汇总于表6、表7以及表8中。
Figure 7. The whole cable free model
图7. 整体无拉索模型
Figure 8. The whole has a lasso model
图8. 整体有拉索模型
Table 6. Node displacement and circumferential deformation of structures under different degrees of constraint release
表6. 结构在释放不同约束度下的节点位移与环向变形
层间 |
拉索情况 |
木梁与木梁之间的连接方式 |
释放约束度(%) |
最大节点位移(mm) |
网壳环向最大变形增加量(mm) |
整层 |
无拉索 |
固–固链接 |
0 |
139 |
867 |
20 |
156 |
980 |
40 |
179 |
1124 |
60 |
215 |
1350 |
80 |
283 |
1777 |
Table 7. Node displacement and circumferential deformation of the structure under different bending stiffness conditions
表7. 结构在不同抗弯刚度下的节点位移与环向变形
层间 |
拉索情况 |
木梁与木梁之间的连接方式 |
铰接一端的抗弯刚度(%) |
最大节点位移(mm) |
网壳环向最大变形增加量(mm) |
整层 |
无拉索 |
固–铰链接 |
80 |
142 |
892 |
60 |
179 |
1124 |
40 |
215 |
1350 |
20 |
282 |
1771 |
Table 8. Node displacement and circumferential deformation of structures under different load conditions
表8. 结构在不同荷载情况下的节点位移与环向变形
层间 |
拉索情况 |
荷载情况 |
最大节点位移(mm) |
z向最大节点位移(mm) |
网壳环向最大变形增加量(mm) |
整层 |
有拉索 |
不考虑玻璃荷载 |
8.6 |
8.6 |
54 |
考虑玻璃荷载 |
11 |
11 |
70 |
由表6~8的数据可知，木梁与木梁之间的连接方式对网壳的变形影响较大。完全固–固连接抵抗变形的能力最强，随着释放的约束度的增加，变形会逐渐增大。在固–较连接的铰接一端保留一定抗弯刚度能在一定程度上提高抗变形能力。
4. 结论
本文对广州纳米中心圆大跨度球状网壳钢木混合结构的施工过程进行了数值分析。使用MIDAS GEN软件对该大跨度结构进行分层、整体及不同节点约束的建模，研究不同工况下结构的形变情况，对结果进行分析和总结。主要结论如下：
1) 玻璃荷载会增加网壳节点位移，环向拉索有效约束变形，保持结构稳定。
2) 木梁间连接方式影响网壳变形，固–固连接最优，固–较连接中保留抗弯刚度可提高抗变形能力。
3) 建议广州纳米中心圆项目采用刚性节点，分层施工并即时施加环向拉索，防止结构形变。
4) 类似的大跨度钢木混合结构工程可借鉴上述措施，确保结构稳定。
基金项目
企业委托科研项目：大跨度球状网壳木结构施工关键技术研究与应用(523318)。