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衢州市烂柯山世界围棋公园结构设计 / 同济设计四院

文化   2025-01-08 21:09   上海  



随着社会的发展和科技的进步，建筑对于结构的要求从实用、高效的基本功能，渐渐转变为美观、震撼的情感表达。同时科技的日新月异使得异形混凝土成为可能，而业主也往往追寻“异形”所带来的品质与地位，以及与众不同的独特性。

衢州市烂柯山世界围棋公园项目，正是这类建筑的代表。项目位于浙江衢州烂柯山旁，旨在打造世界围棋文化圣地，主要功能为围棋训练、比赛、展览等。单体地上三层，地下一层，总建筑面积3.2万平米，结构高度16.35m，为多层建筑。建筑造型从烂柯山著名景点“天生石梁”吸取灵感，并结合烂柯山“王质遇仙”的围棋典故，在圆形平面的基础上形成了外部造型凹凸有致、内部空间复杂多变的建筑单体。

烂柯山“天生石梁”


01.
三足鼎立——45°倾斜墙体的“站立“

极度异形的建筑造型，使得本项目存在诸多挑战，如内外两圈倾斜的筒体最大倾斜角度为40°，室内异形壳体存在开洞和转换，室外大拱跨度接近60m，局部大跨覆土屋面跨度达40m。同时建筑师希望采用清水混凝土的形式，以最大限度呈现出结构的天然美感，体现建构一体的理念。

建筑外观及室内造型
建筑典型剖面

针对建筑异形且苛刻的要求，结构既要确保受力合理，又要体现建筑之美，如何理性地选择结构体系至关重要。两圈倾斜的筒体最大倾斜角度为40°，且局部有大开洞削弱，结构师首先考虑的便是如何使倾斜筒体得以“站立”。常规如央视大楼加强基础抗倾覆设计是一种解决思路，但代价是结构造价的大幅增加。幸运的是，建筑沿圆周布置了三处交通核，这使得结构师可以借此设置三个刚度较大的竖向核心筒，与倾斜筒体形成互相支承，来抵抗倾斜筒体产生的水平推力，从而简化了基础设计的难度和代价，有效节约了成本。

内外筒体与竖向核心筒的连接

上部结构根据建筑清水混凝土的效果诉求，由内外两圈倾斜混凝土筒体+大跨混凝土拱+室外大跨钢拱+室内异形混凝土壳等共同组成，整个结构体系既有空间构件，又有基本的层概念，属于复杂空间杂交体系。

主要结构体系构成


02.
刚柔并济——60m拱形大跨的实现

为了呼应烂柯山“天生石梁”的名胜，建筑西侧有一弧形跨度近60m的大跨拱造型。一方面在原本倾斜的内外筒体上因开洞形成了混凝土大跨段，另一方面又形成了大跨度的楼面区域。结构师在权衡了利弊之后，采用了刚柔并济的设计思路——针对倾斜筒体的大跨段，在内外斜墙大跨段的顶、底分别设置横向盖板，内外墙体之间设置若干竖向混凝土墙体，使得内外墙体在大跨段形成共同受力的混凝土空腹桁架体系，从而完整实现了建筑质感，保证了空间的连续性，提升了结构刚度。另外为应对拱底拉应力较大的情况，在内外墙体的拱底分别增加型钢加劲，从而有效地控制混凝土的应力，实现了混凝土在大跨结构中的创新应用。

拱形大跨区位示意
大跨混凝土空腹桁架体系
内外筒体拱形大跨区域的整体分析

而对于大跨度的楼面区域，再采用混凝土形式显然已不合理，且该区域的结构形式对建筑效果没有过多影响，因此考虑采用传统的钢结构形式来实现大跨拱效果。结合建筑造型和平面布置，分别设置外立面桁架和两榀空腹桁架，并通过桁架间的钢梁改善面外稳定问题，从而解决了大跨屋面的结构问题。

大跨钢结构拱体系构成
斜墙施工过程
钢拱现场实景图


03.
有的放矢——集中荷载下的异形壳体设计

建筑东侧有一拱形通道，跨度约16m，高度5.5m，局部与上层楼面或倾斜墙体相连。相比常规的混凝土壳体，该壳体局部尚有上方楼面传来的集中荷载。结构师一方面在异形壳体局部受力较大的区域设置反梁形成加强肋；另一方面在集中荷载作用处内嵌加劲型钢作为加固措施，实现了建筑异形且复杂的空间效果。

异形壳体区位示意
集中荷载处结构剖面示意
异形壳体的应力分析
集中荷载下内嵌型钢的加固措施
异形壳体现场实景图


04.
以形御力——40m跨覆土屋面的张弦结构

围棋道场作为比赛场地，平面呈圆形，要求区域内为直径40m的无柱空间。同时在屋面上方设有满铺绿化，兼具人行观光、休闲的需求。平均覆土300mm，局部存在1.5m深树池和大树，无论是重荷载还是舒适度都对结构设计提出了挑战。

常规该类大跨覆土屋面多采用桁架等形式，结构整体高度较大且杆件数目较多，严重影响下方室内的净高和视觉感受。结构师注意到因为排水找坡的原因，屋面呈现中间高、周圈低的特点，于是从“形”中找到了“力”的突破口，提出了张弦屋盖的结构体系——中央刚性环和辐射钢梁形成主要刚性受力结构，配合柔性的拉索，通过预应力的施加，使其对钢梁有了弹性支承效果，极大的提高了结构整体受力的效率，有效减小了钢梁的截面高度，改善了结构刚度和舒适度响应，同时纤细的拉索也使结构对室内效果的影响降到了最低。


覆土张弦屋面的体系构成

屋面基频（3.99Hz>3.0Hz）和竖向振动加速度峰值（0.093m/s2<0.15 m/s2）
张弦屋面现场实景图


05.
借力克力——斜墙预应力的裂缝控制技术

内斜墙局部有一拱形玻璃幕墙，作为室内与围棋道场庭院的分界，这使得原本倾斜的内斜墙中形成了跨度22m、高5.5m的洞口，洞口上方的墙体荷载需要有效传递到洞口两侧。分析表明，洞口边墙体的底部拉应力达到了9.2MPa，需要采取有效措施来控制墙体的裂缝。
结构师在楼板预应力技术的基础上进行演化，提出在洞口两侧斜墙中设置预应力筋的设想。采用缓粘结预应力技术，在斜墙内形成预压力，有效改善了斜墙底部的拉应力，将裂缝控制在了规范许可的范围内。

内斜墙开洞效果图
斜墙内预应力筋布置示意
施加预应力后墙底拉应力极值降低42%
内斜墙开洞现场实景图


06.
形随力变——混凝土无柱旋转楼梯挑战

建筑在南侧有一旋转楼梯，内径2.1m，外径6.0m，高度5.75m，旋转450°，同时建筑希望中间不立柱子。常规此类的旋转楼梯多为钢结构，但对本项目而言，钢楼梯带来的质感将与整体建筑风格格格不入，因此如何用混凝土实现这一无柱旋转楼梯成为结构工程师的又一挑战。

设计师从桥梁箱梁的整体受力中获得灵感，考虑将扶手和梯板作为一个整体进行分析。通过初步的分析发现，旋转楼梯靠近内径的一侧对刚度和承载力的贡献较大，靠近外径的一侧则较小。因此与建筑师商议，将外侧的扶手改为轻质条板形式，并由内自外采用变截面的梯段板，从而最大限度地减轻结构自重。变截面的L形断面，一方面实现了无柱旋转楼梯的效果，另一方面外部收尖的形式也给人以轻巧的观感。

旋转楼梯效果图
旋转楼梯典型断面和受力分析
旋转楼梯现场实景图


07.
后记

面对复杂的建筑造型，结构工程师在项目设计中遵循建构合一的原则，从力学本质出发，在异形的建筑外表下探索结构的理性表达，很好地实现了建筑效果。目前项目主体已顺利完工，进入了后期收尾工作，即将以崭新的面貌展现在世人眼前，迎接四面八方游客的光临。

核心建筑现场立面图
核心建筑现场鸟瞰图
透光混凝土墙现场实景图
连廊钢楼梯现场实景图
室外吊挂连廊现场实景图
内斜墙实景图

项目概况
设计单位：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司
项目地址：浙江省衢州市
项目年份：2022年~2024年
建筑面积：地上+地下约3.2万平方米
结构体系：复杂空间+异形混凝土杂交体系
结构奖项：同济设计集团结构创新三等奖


END
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