[分享]钢结构赏析 | 德州国际会展中心结构设计

项目信息

建设地点：山东省德州市

建筑面积：10.8 万平方米

建筑高度：最高点49.10 m

抗震设防烈度：7 度（0.10 g）

结构类型：钢框架+大跨屋面桁架

最大跨度：多功能厅62 m

夜景效果图

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德州国际会展中心位于山东省德州市经济技术开发区高铁新区，总建筑面积约108160 m²，其中地面建筑面积约94210 m²，地下建筑面积约13950 m²，为德州创新谷标志性名片。

东西向剖面图

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项目主体分为四馆一中心，即四周四个标准展厅呈中心放射状展开，中央核心区为多功能展厅和会议中心。标准展厅面积约1万m²，均为单层无柱大空间，结构高度为32.0 m，建筑净高12~15 m；中央核心区展厅面积约5000 m²，结构高度为46.3 m，其中多功能展厅净高10.8 m。该中心集展览、会议、商务、餐饮、娱乐等多功能为一体，未来将成为辐射鲁西北、冀东南区域的大型综合会展平台。

结构布置及体系创新

综合各种因素，选定下部支撑结构均采用钢框架形式，展厅屋盖采用钢结构平面桁架体系，中央核心区屋盖采用双层桁架网壳组合结构。

01

 构思设缝

为解决建筑不规则性，结构设计师们反复构思，设置四道结构缝将主体建筑分为四展厅+一中央核心区，以减小温度作用和地震作用的影响。

结构缝分布图

02

 多重复合体系

中央核心区屋盖由塔冠、穹顶、环廊连梁、次屋面、主屋面、钢柱六部分组合构成，各分体系之间既紧密联系，又层次分明。

中央核心区屋盖结构图

分体系依次为塔冠、穹顶、环廊连梁、次屋面、主屋面、钢柱

由于整体结构体系规模庞大，仅屋盖主结构构件总数超过20000根，计算分析上采用独立计算，整体复核的策略，既保证结构分析的准确性，也显著提高设计效率。

整体结构体系

03

 体外预应力

根据建筑方案，多功能会议厅下方为二层通高，因净高要求，结构总高度需控制在2.6 m以内，采用双向平面钢桁架+压型钢板组合楼盖体系。选取5种不同的预应力结构形式，将参数X =（施加预应力后杆件轴力-未施加预应力杆件轴力）/张拉力作为参考指标，并以上、下弦受益程度为准则，来比较各方案效果。

预应力桁架区域图

将最优方案（三）施加于原结构，结果显示预应力的施加可有效减小不利构件的应力及整体挠度，增大结构刚度。

04

 细部构思

中央核心区屋盖的穹顶采用十向平面主桁架+双层扁壳结构形式，通过焊接球节点连接，平面桁架延伸至壳外后形成局部三管桁架保证稳定，通过立柱及楼板平衡拱推力。

中央核心区屋盖穹顶结构细部

展厅屋盖采用平面桁架+隅撑的结构体系，可节约建筑的吊顶装饰，形成了简洁的室内观感及优美的流线造型。

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展厅屋盖结构细部

关键问题的专项分析

01

 动力弹塑性分析

为进一步评估中央核心区结构在罕遇地震下的抗震性能，确定结构薄弱部位和关键构件的塑性损伤情况，并根据分析结果采取适当的加强措施，因此需进行动力弹塑性分析。

地震波下受压损伤分布图

地震波下受压损伤等级

分析结果发现，框架部分基本未出现中等损坏以上的损伤，局部框架出现轻微损坏和中等损坏。主要竖向构件未发生严重破坏，结构层间位移角满足规范限值。根据三条地震波的作用结果，证明结构具有较高的承载力和较好的延性，能达到“大震不倒”的抗震性能目标。

02

 温度作用分析

为分析温度变化对中央核心区屋面结构变形、杆件内力、柱底剪力的影响，选取两种工况进行研究：T1为屋盖升温30 ℃，下部框架升温15 ℃；T2为屋盖降温30℃，下部框架降温15 ℃。

（1）变形方面，经计算得出各测点变形变化百分比，可知温度对屋盖结构中央挠度影响较小。

屋盖结构测点分布图

屋盖结构位移响应

（2）杆件内力方面，单独温度作用下，钢结构杆件应力比超过0.25的杆件数只占8.65%，主要为主梁、穹顶位置与下部支柱相连的构件，在通过大跨度积累后产生较大变形内力。

温度单工况作用下应力比

（3）柱底剪力方面，内柱竖向反力改变仅在0.2%左右，水平反力变化明显，由于结构纵向尺度大于横向尺度，在温度作用下会产生较大的膨胀收缩变形，从而导致较大的内力重分配。

支座反力测点布置图

计算中央核心区楼板温度作用下的应力云图。分析现象可知，框架柱柱顶在T1或T2工况下，发生相对位移而产生楼板应力，楼板应力较小处则由于离嵌固端较近，框架柱在该平面内相对变形较小。

升温时楼板应力云图

降温时楼板应力云图

虽未超过混凝土抗拉强度标准值，但针对超长问题，施工图阶段采取以下措施：改善混凝土材料性能，采用抗裂纤维，减少收缩应变；在超长位置楼板设置双层双向拉通钢筋。

03

 大跨楼面舒适度分析

本项目存在较多大跨度的楼面结构，因此采用Midas Gen对结构楼盖进行基于时程计算的舒适度分析。

楼层平面布置图

对楼板进行剖分并进行竖向自振频率的分析，其中前三阶竖向振动频率及阵型如下。

第一振型图（f=3.39,多功能厅中心竖向振动）

第二振型图（f=3.95,走廊大跨度处竖向振动）

第三振型图（f=4.17,走廊南侧悬挑竖向振动）

输入人行荷载激励曲线，并记录结构的加速度时程响应曲线。

人行荷载激励曲线

加速度时程响应曲线

经上述分析得到结构竖向振动频率及振型可知，楼板基频最低为3.39Hz>3.0Hz，且楼板最大加速度为0.012<0.15m/s2，均满足规范要求。

04

节点可靠性分析

考虑到结构的重要程度，选取楼面桁架与钢框架柱结构连接节点，采用ANSYS进行节点弹塑性分析。

典型楼面桁架节点

 

穹顶拱心节点

分别对静力荷载组合、中震弹性、大震不屈服三种状态进行分析，结果表明柱节点核心区内应力分布均匀且应力水平较低，均满足设计要求并具有较高的安全储备（图示仅以静力荷载工况为例）。

楼面桁架节点应力云图

穹顶拱心节点应力云图

新型设计手段应用

01

 参数化建模

采用NURBS曲面方法建立异形曲面屋盖结构模型，比传统的网格建模方式能更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型，可充分考虑复杂屋面结构设计中的各种因素。

参数化屋盖模型

参数化建模可以将每个建模步骤都用数据列表记录下来，便于后期模型调整，仅需修改模型中某一部分数据，整体模型便会随之更新。

02

 3D打印

3D打印技术通过材料逐层叠加的方式制造物体，其成型速度快且节能环保成本低。本项目在建筑方案设计阶段，设计师们利用此技术直观生动地检验建筑空间与结构梁柱关系的合理性。

3D打印模型

03

 BIM技术

 BIM技术使建筑行业不再受限于传统的2D 图面，通过全面的“三维校核”，设计师及业主可以发现隐藏在设计中的问题。本项目建立BIM模型后，各专业使用此模型充分沟通讨论，可视化分析高低错落的屋面与管线关系等问题，在施工前检视建筑空间及内部设备设施，消除各类碰撞，可以减少返工，缩短工期，节约成本。

屋面桁架三维模型图

结语

道是“好风凭借力，送我上青云”，我们充分发挥科技优势，挖掘设计手段创新，致力于让结构设计变得更加简单高效、安全可靠，让建筑美感体现地淋漓尽致。

道是“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，结构设计任重道远，但当我们经受过除旧布新的阵痛，必定能肩负新时代的使命。