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3
02
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，优选了建筑美观、受力合理的异形钢结构形式，与建筑美观较完美的融合。通过各种技术措施（例如标准棱形组件，大悬挑变形控制，异形钢结构设计等）解决了工程中的各种难点。结构体系简洁，美观，所有节点连接均较为成熟，用钢量适中，圆满完成了工期和成本方面的预期目标，取得了显著的社会和经济效益。