2011年西安世园会天人长安塔结构设计*

2011年西安世园会天人长安塔结构设计*

车顺利 贾俊明 吴 琨 韦孙印 曾凡生

(中国建筑西北设计研究院有限公司， 西安 710018)

摘 要：天人长安塔是2011年西安世园会四大标志性建筑之一，它融合了隋唐古韵和现代元素，是西安新的地标性建筑。天人长安塔结构设计实现了建筑塔形由木塔、砖塔、钢筋混凝土塔向全钢结构建筑塔形的完美演绎。结合结构布置和构件布置，介绍该结构的特点，通过分析确定结构方案。该工程在继承传统建筑风格的基础上，运用现代建筑结构材料和工艺，创造建筑空间，满足建筑功能需求，确保工程的可逆性和安全性，开辟了传统风格建筑设计的新思路。

关键词：传统建筑； 塔形建筑； 世园会； 钢结构； 结构设计

1 工程概况

西安世园会天人长安塔(图1)位于世园会园区制高点。该塔融合传统与现代元素，雄浑挺拔、巍然屹立在美丽的灞河之滨。它不仅是世园会四大标志性建筑之一，也是西安新的地标性建筑。天人长安塔既具有唐代传统木塔的造型特色，又具有观光、展览等现代功能，贯穿古今、寓意“天人长安”[1-5]。全塔采用钢框架-钢支撑结构体系，质量轻、施工快[6-7]。屋顶及所有挑檐均采用夹层玻璃，与墙体的玻璃幕墙共同构成水晶塔的效果。建筑地上有13层，地下有1层，总高度为95 m。总占地面积为8 992 m2，总建筑面积为13 060 m2，其中地上为12 066 m2，地下为994 m2。

2 建筑特点

天人长安塔地下1层层高为8 m，地上建筑为7明6暗共13层，其中1层层高为8.4 m，顶层由楼面至屋脊为15 m，其余各明层层高为6.21 m；暗层最大层高为5.8 m，其余为3.93 m，各暗层设有长悬挑坡屋面，挑出长度最大约4.1 m，建筑立面见图2。

图1 建筑立面示意

长安塔平面为正方形，地下室平面尺寸为36.7 m×36.7 m，随着层高的增加，平面尺寸逐渐内收，至顶层纵横向尺寸收至22.5 m×22.5 m。

该建筑具有以下特点：1)长安塔各层有明层、暗层之分，随着建筑标高、层数的增加，体型不断缩进；2)长安塔为传统风格建筑，挑檐、斗拱等元素造成建筑檐口构造复杂，且挑檐悬挑长度介于4.1～6.5 m，屋檐出挑及倾斜度较大；3)天人长安塔具有观光、展览等现代功能，屋顶及所有挑檐均采用夹层玻璃围护，与墙体的玻璃幕墙共同构成水晶塔的效果，因此，结构构件几乎全部外露，且规格和尺寸受限；4)长安塔顶层为大开间形式，屋面坡度约23°，钢梁投影跨度达22.5 m。

3 结构布置

图2 1层檐口处结构布置

根据建筑特点，天人长安塔结构主体采用钢框架-钢支撑体系，柱采用方或圆钢管混凝土柱，梁采用钢梁。1层檐口和暗层结构布置如图2、图3所示，结构外圈框架柱(②、⑨轴线和、轴线对应柱)按建筑缩进模数不断的内缩，外圈钢框柱顶采用牛腿式内折转换实现塔身收缩，③、⑧轴线和?、轴线对应柱伸至6层暗层标高处由圆形钢管混凝土柱(φ600×16)转换为矩形钢管混凝土柱(□400×16)。檐口处通过设置异型收边钢梁(图4)，既满足建筑出翘要求，又兼作排水天沟。各屋面挑檐处，结合斗拱设置结构受力构件(图5)，解决屋檐悬挑较大的问题。

图3 1层暗层结构布置

1—每钢橼定位处设8 mm厚加劲肋；
2—与悬挑钢梁围焊，焊角高度6 mm。
图4 檐口异型收边梁

1—屋檐挑梁；2—矩形钢管椽；3—结构受力构件；
4—建筑装饰；5—柱内隔板并预留浇捣孔；
6—框架梁；7—框架柱。
图5 斗拱节点

由于结构各明、暗层层高悬殊较大，各层刚度结构构件布置时采取如下措施加强结构整体性能：1)结合建筑楼梯、电梯等内部交通核区域设置带撑框筒；2)大层高楼层外周圈设置加强桁架；3)将斗拱设置为支撑构件，解决檐口出挑较大问题；4)在屋面刚架中设置钢拉索，从而克服屋面跨度、倾角大的问题(图6)。结构立面布置见图6。

1—屋面钢架处设置钢拉索；2—交通核区域设置中心
或偏心支撑；3—层高较大楼层处外圈设置加强桁架；
4—屋檐处利用斗拱设置支撑。
图6 结构立面布置示意

4 结构的整体设计及分析

结构整体模型如图7 所示，分别采用SATWE和MIDAS两种不同的三维空间程序进行结构整体内力、位移计算。计算模型中，建筑结构安全等级为二级，设计基本地震加速度为0.20g，结构重要性系数为1.0 ，黄土地区建筑物分类为甲类，建筑抗震设防分类为丙类，建筑场地类别为Ⅱ类，设计使用年限为50年，特征周期值为0.35 s，地基基础设计等级为乙级，框架抗震等级为二级，抗震设防烈度为8度，基本风压为0.4 kN/m2，设计地震分组为第一组，基本雪压为0.2 kN/m2，基础形式为箱形基础。主要结构构件截面尺寸和材质见表1。

图7 计算模型

表1 主要构件截面尺寸及材质

类型 主要截面规格钢材混凝土KZ-1矩形钢管混凝土柱□400×14Q345BC40KZ-2矩形钢管混凝土柱□400×(20～14)Q345BC40KZ-3圆钢管混凝土柱?600×16Q345BC40带撑框筒矩形钢管混凝土柱□400×(20～16)Q345BC40主梁H型钢梁H400×(200～250)Q345B次梁H型钢梁H300×(200～150)Q235B支撑H型钢梁H250×250Q235B

SATWE 和MIDAS 两种程序分析出的结构反应特征、变化规律基本吻合，各项指标均能满足国家建筑设计标准的要求[8-10]。

多遇地震反应谱分析时，整体参数分析采用刚性楼板假定，构件设计采用非强制刚性楼板假定。结构周期计算结果见表2，MIDAS计算结构前4阶振型如图8所示。

表2 模态周期及振型

软件周期/s平扭系数(X+Y+T)振型1振型2振型3振型4振型1振型2振型3振型4周期比有效质量系数/%X向Y向SATWE2460238120450862100+000+000000+100+000000+000+100050+050+00008392919609MIDAS2453236920330855092+018+000017+093+000001+001+098043+047+00008393799719

a—第1振型; T1=2.452 7 s;b—第2振型; T2=2.368 9 s;c—第3振型; T3=2.032 6 s;d—第4振型; T4=0.854 5 s。
图8 结构前4阶振型

该建筑结构第1振型表现为结构沿X方向的平动，第2振型反映了结构沿Y向的平动，第3振型则为扭转振型，第四振型为平动耦合。计算主要结果表明(表3)、两种计算程序计算结构动力特性结果基本接近，且各项指标均满足国家建筑设计标准的要求[8-10]。

表3 结构整体分析主要结果

方法最大层间位移角最大位移比基底剪力/kN地震作用下底层剪重比/%地震作用风荷载地震作用风荷载地震作用风荷载X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向SATWE1/5951/5981/21171/223511711．1541．0191．0124896491510421040321331MIDAS1/6231/6331/22081/234511071．0051．0051．0004976510410691054324332设计标准1/2501/250≤1/250≤1/250≤12≤12≤12≤12----≥32≥32

5 典型节点设计

项目设计中结合工程特点及使用功能，对局部构件和节点进行细化设计。如塔体内缩，结构外圈框架柱不断的缩进，导致柱端节点不连续。结构设计采用了牛腿式内折转换节点(图9)，解决了柱内缩引起的柱端不连续问题。

a—设计节点;b—实际节点。
1—顶板留浇捣孔，待混凝土浇捣完毕后洞口补强；2—上柱；3—转换牛腿；4—内隔板均留浇捣孔；5—下柱。
图9 牛腿式转换上、下柱节点

在6层暗层标高处，依据结构构件布置及建筑功能布局要求，通过合理的节点设计实现了圆形钢管混凝土柱向方形钢管柱节点的转换(图10)，满足了建筑布置需求。为减少或抵消斜屋面刚架处的侧推力，在屋架下弦处设置拉杆，有效地控制了屋架构件规格和屋架挠度(图11)。

6 结束语

本工程主体结构采用钢结构符合绿色环保的社会发展趋势，体现了环境友好、可持续发展的科学发展观思想，与世园会天人长安的创意理念相吻合。该工程项目施工周期短、造价合理、结构稳定性好。

a—模型节点;b—设计节点。
1—加劲板(共4件)；2—弧形封板(共4件)；3—隔板；4—钢梁。
图10 圆管-矩形管柱转换节点

a—模型节点;b—设计节点。
1—屋檐挑梁；2—屋檩；3—屋架梁；4—矩形钢管椽；5—框架柱；6—拉索及耳板。
图11 屋架拉索节点

工程采用钢结构，结构质量轻、施工快，且钢材为可循环材料，节能环保。屋顶及所有挑檐均采用夹层玻璃，与墙体的玻璃幕墙共同构成水晶塔的效果。用现代建筑材料作为传统建筑的骨架，在保证传统建筑神韵的基础上，使建筑满足现代功能要求。

参考文献：

[1] 赵元超. 天地之间：张锦秋建筑思想集成研究[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2] 张锦秋.建筑院士访谈录[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3] 张锦秋.欲攀琼楼登玉宇,俯瞰苍茫觅风情 2011西安世园会四大标志性建筑之：长安塔[J]. 建筑与文化,2011(2)：24.

[4] 张锦秋,徐嵘. 长安塔创作札记[J]. 建筑学报,2011(8)：9-11.

[5] 李萍. 近20年来西安地区建筑创作中多元化探索的研究[D].北京：清华大学,2013.

[6] 王宏旭,周华新，董欢涛，等.天人长安塔钢-混组合结构应用技术[J]. 施工技术,2011(2)：31-33.

[7] 丁亮进,董欢涛.天人长安塔钢结构综合施工技术[J]. 施工技术,2010(8)：158-159.

[8] GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S].

[9] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].

[10] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].

THE STRUCTURE DESIGN OF CHANG’AN TOWER FOR 2011 XI’AN INTERNATIONAL HORTICULTURAL EXPOSITION

Che Shunli Jia Junming Wu Kun Wei Sunyin Zeng Fansheng

(Northwestern Architectural Design Institutes Company Ltd， Xi’an 710018， China)

Abstract：Chang’an Tower for 2011 Xi’an International Horticultural Exposition, which combines ancient elements of the Sui and Tang Dynasties and modern elements, is a new landmark building in Xi’an. The structure design of Chang’an tower perfectly realized the transition of tower building from wood-tower, brick-tower, concrete-tower to steel-tower. The characteristics and difficulties of structure design were introduced, the appropriate structure layout was determined by analyzing the structure characteristics. Based on the traditional architectural style, the modern building materials and technology were applied to create architectural space and achieve the function demand of the building, so as to ensure the reversibility and the safety of the project. It opened the new way for ancient building design and application of steel structure.

KEY WORDS：traditional building; tower building; International Horticultural Exposition; steel structure; structural design

* 中建股份科技研发课题(CSCEC-2012-Z-16)。

第一作者：车顺利，男，1976年出生，博士，高级工程师,一级注册结构工程师。

Email：[e-mail]

收稿日期：2016-10-05

DOI：10.13206/j.gjg201702013