2010上海海EXPO主要要場場館館結結構構設設計計綜綜述述汪大大綏綏華東東建建筑筑設設計計研研究究院院有有限限公公司司2010.07.31一、、概概述述1851年，，倫倫敦敦世世博博會會，，水水晶晶宮宮，，開開創創了了建建筑筑工工業業化化；；1880年，，墨墨爾爾本本世世博博會會，，皇皇家家展展覽覽館館，，成成為為澳澳大大利利亞亞第第一一例例世世界界文文化化遺遺產產1889年，，巴巴黎黎世世博博會會，，埃埃菲菲爾爾鐵鐵塔塔，，巴巴黎黎的的標標志志和和象象征征；；1967年，，蒙蒙特特利利爾爾世世博博會會，，棲棲居居67，住住宅宅設設計計理理念念的的突突破破；；德國國館館，，張張拉拉結結構構的的先先驅驅；；1970年，，大大阪阪世世博博會會，，富富士士館館、、美美國國館館，，開開創創充充氣氣膜膜結結構構時時代代；；2000年，，漢漢諾諾威威世世博博會會，，日日本本館館，，一一座座36000平米的紙房子子；8/9號館，索結構構使用的極致致案例；2010年，上海世博博會。。。。。。。世博會是匯聚聚著人類物質質文明與精神神文明成果的的全球性盛會會，從某種意意義上講也是是一次建筑博博覽會，其建建筑往往匯集集了當時最先先進的設計理理念、建筑材材料、建造技技術等。一、概述上海世博會選選址在市中心心黃浦江兩岸岸，南浦大橋橋和盧浦大橋橋之間的濱江江地區，勢必必對上海新一一輪的城市發發展特別是黃黃浦江兩岸的的開發也會有有極大的推動動作用。一、概述本屆世博的主主題是：城市，讓生活活更美好。本屆世博會的的主要目標：：會期184天（2010.5.1—2010.10.31）；預期參展國和和組織200個；預期參觀人數數7000萬；為實現這一目目標，確定的的工程建設任任務是：規劃用地面積積5.28平方公里（按按人均8平米）；圍欄區（即憑憑票入內的區區域）面積3.28平方公里；總建筑面積125萬平方米，其其中展館面積積85萬平方米；原有建筑利用用約35萬平方米(用于聯合館，，企業館，物物流倉庫等)；高架平臺面積積51萬平方米。一、概述園區舊貌（衛衛星照片）。。根據2006年調查情況，，原區域內主主要土地利用用類型：從事各類重型型機械、化工工原料生產企企業和物流企企業的工業用用地，主要包包含江南造船船集團、港機機重工集團、、浦東鋼鐵集集團、南碼頭頭港區、溶劑劑廠、助劑廠廠等；居住、文教、、商業用地組組成的居住用用地，以半淞淞園路街道、、雪野新村街街道、南碼頭頭街道以及作作為浦鋼集團團家屬區的后后灘地區為主主。一、概述總體規劃圖。。大的展館建筑筑包括：一軸軸四館、11個聯合館、42個租賃館、42個國家自建館館。一、概述園區交通圖。。為向世博會提提供高效便捷捷的交通保障障，園區及周周邊進行了的的規模宏大交交通系統建設設，包括地鐵鐵、隧道、相相關城市道路路和水上交通通設施。共有有5條地鐵線路為為園區服務，，成為世博園園區與城市其其他部分聯系系的主要方式式。二、主要場館館概況世博園區極為為突出的區位位優勢決定了了它必將成為為上海新一輪輪發展的重要要增長極。這這一地區的規規劃確定了世世博建筑中有有一部分需按按永久性建筑筑來設計，俗俗稱一軸四館館。即中國館館、主題館、、世博中心、、世博文化中中心和世博軸軸。二、主要場館館概況中國館：由國國家館和地區區館組成。除除港澳臺外的的31個省市自治區區都在地區館館內設置展廳廳。世博后作作為永久性展展館。建筑面面積16萬平米。二、主要場館館概況主題館：在世世博期間是““地球、城市市、人”主題題的核心展示示區，世博后后是永久性展展館。建筑面面積13萬平米。二、主要場館館概況世博中心：世世博期間是會會議、接待、、慶典、新聞聞和管理等重重要活動的場場所，世博后后是大型會議議中心。建筑筑面積14萬平方米。二、主要場館館概況世博文化中心心：世博期間間用于開幕式式等主要慶典典及文藝演出出，并有大面面積的餐飲購購物休閑區域域供參觀者使使用。世博后后將是綜合性性的時尚文化化的地標，永永不落幕的城城市舞臺。建建筑面積13萬平方米。二、主要場館館概況世博軸：位于于浦東園區中中軸線上，是是整個園區的的交通樞紐，，世博期間主主要用于人流流集散、安檢檢、商業、餐餐飲服務，世世博后改建為為商業設施。。總建筑面積積25萬平方米，其其上蓋由大面面積索膜結構構和六個單層層網格體系的的陽光谷組成成，是園區內內最大的單體體建筑。三、技術特點點及新技術應應用概述以上五個永久久性建筑，均均為規模宏大大，功能復雜雜大型公共建建筑。且多為為大跨度（大大懸挑），要要求大荷載，，或體形新穎穎奇特，其結結構設計充滿滿挑戰。這些些建筑中除個個別是由國外外建筑師創意意外，絕大部部分由我國工工程技術人員員完成。（一）結構形形式豐富多樣樣，具有創新新性中國館建筑創創意為“東方方之冠”，結結構設計采用用四個規整的的鋼筋混凝土土筒體為主要要承重和抗側側力結構，從從約30米高度開始向向四個方向挑挑出帶有拉梁梁的巨型斜撐撐，作為樓層層的支承結構構。受力明確確，傳力可靠靠。以簡潔的的手法恰當地地實現了建筑筑創意，自然然天成，可謂謂建筑結構相相得益彰。三、技術特點點及新技術應應用概述（一）結構形形式豐富多樣樣，具有創新新性主題館首次采采用總長270米的多跨桁架架來覆蓋整個個屋面，其中中V形支撐張弦桁桁架跨越126米的大空間，，滿足了主題題館對展覽空空間的多種要要求，大跨部部分用鋼量指指標100kg/m*m亦較合理。三、技術特點點及新技術應應用概述（一）結構形形式豐富多樣樣，具有創新新性世博軸地上地地下各2層，其上蓋由由6個陽光谷和其其間的連續張張拉膜結構組組成。陽光谷谷為單層三角角形網格結構構，體量巨大大，高達40米，最大的一一個陽光谷上上口長軸達90米。而網格構構件采用矩形形鋼管，基本本斷面僅65*180，其找形、網網格生成、穩穩定分析、節節點構造均有有創新。帶有有內外桅桿的的總長達840米的超大型連連續張拉膜結結構也是也是是為本項目度度身設計而為為世界所僅見見。三、技術特點點及新技術應應用概述（一）結構形形式豐富多樣樣，具有創新新性飛碟造型的世世博文化中心心，核心部分分是18000座大型演出空空間。建筑立立面要求有凌凌空欲飛的感感覺，為此必必須有大懸挑挑，最大達40米。場內空間間要求的限制制使得懸挑結結構的錨固成成為難題，設設計中采用內內框架與拉環環協同的方式式來解決，也也很有創意。。三、技術特點點及新技術應應用概述（二）結構設設計為園區建建設實現低碳碳減排創造條條件努力實現低碳碳減排，是世世博園建設中中的一個重要要指導思想。。五大主體結結構地上部分分基本上均采采用了鋼結構構，相對于混混凝土結構，，鋼結構可回回收利用，在在減少二氧化化碳排方面有有突出的優勢勢。主題館的屋面面結構設計積積極配合了太太陽能光伏電電池的安裝，，形成了面積積達20000平米、2.8MW的發電容量。。主題館的外外墻框架設計計配合了大面面積綠墻安裝裝的需要，形形成了6000平方米的世界界最大綠墻，，對改善園區區生態起了巨巨大的作用。。三、技術特點點及新技術應應用概述（二）結構設設計為園區建建設實現低碳碳減排創造條條件世博軸的設計計創意是造就就一個巨大的的生態調節器器，而結構是是實現這一功功能之載體。。陽光和新風通通過陽光谷引引入地下室——減少了地下空空間空調和照照明的電力負負荷；雨水通過陽光光谷和膜結構構全部納入供供水系統供——節約了寶貴的的水資源；空調采用地源源熱泵，空調調水循環管路路埋設在灌注注樁中，通過過樁與地下水水進行熱交換換——節約了能源。。三、技術特點點及新技術應應用概述（三）多方案案比較，精心心設計優秀的結構設設計必定來自自多方案比較較。世博五大大主體項目在在設計過程中中都反復進行行了方案比較較，從中選擇擇最適合的方方案。主題館：通過三個方案案的對比，得得出：雙向張張弦桁架方案案因受矢高限限制，長向桁桁架剛度過弱弱，不能為短短向桁架分載載，反成負擔擔，用鋼量不不經濟，施工工也較復雜。。剛架方案用用鋼量低，但但對基礎有較較大推力，會會增加基礎設設計的難度和和材料消耗，，而且桿件過過多建筑空間間效果不理想想，綜合效果果不佳，因而而最終確定單單向張弦桁架架的方案。a.單向張弦桁架架b.雙向張弦桁架架c.剛架體系三、技術特點點及新技術應應用概述（三）多方案案比較，精心心設計世博軸：世博軸的結構構方案更是經經歷了反復比比選論證的過過程。下拉索索（無谷索））方案建筑效效果最好，簡簡潔通透，但但安全度較低低，膜的局部部損壞會導致致整個結構破破壞。重錘方方案膜應力穩穩定，但錘的的位移太大，，技術處理有有難度。內桅桅桿方案以其其變形小，結結構安全性高高，施工可控控性好而被確確定為實施方方案。a.重錘方案b.下拉索方案c.內桅桿方案三、技術特點點及新技術應應用概述（三）多方案案比較，精心心設計世博文化中心心：世博文化中心心的屋蓋結構構也做了三種種方案比較，，空間桁架方方案因桿件布布置符合建筑筑師要求，豎豎向剛度大，，對大懸掛荷荷載的適應性性強而入選。。a.空間網架結構構b.弦支骨架結構構c.空間桁架結構構三、技術特點點及新技術應應用概述（四）新技術術研究與應用用（1）消能減震技技術世博中心：世博中心對防防屈曲支撐（（BRB）的應用進行行了較系統研研究，包括結結構抗震性能能目標的確定定，BRB的合理布置，，BRB的參數確定及及節點設計等等，并參照國國外資料及本本工程特點編編制了用于本本工程的BRB的驗收標準。。-2500-1500-50050015002500-60-40-200204060軸向位移/mm軸力/kN加載步三、技術特點點及新技術應應用概述（四）新技術術研究與應用用（2）主題館對粘彈性阻尼尼器的應用進進行了研究。。研究表明明在超長建筑筑的柱間支撐撐中合理布置置粘彈性阻尼尼器可以有效效地降低地震震作用和溫度度應力。地震震剪力可降低低20-23%，柱的溫度內內力可降低25%。（3）在世博文化中中心工程中，采采用TMD進行豎向振動動控制。對大大懸臂部分的的豎向剛度及及其在人群行行動荷載下的的豎向加速度度反應進行了了分析研究和和實測，并據據此在需要的的部位設置了了TMD,以保證正常使使用條件下的的舒適度。三、技術特點點及新技術應應用概述（四）新技術術研究與應用用（4）結構健康監監測。索膜結結構中，索與與膜的應力狀狀態是結構是是否健康的最最重要指標。。在世博軸工程中采用了了磁通法這一一新技術測量量索的內力。。膜應力的測試試則采用真空空法（右圖））。同樣在實實驗室條件下下得到膜內力力，真空度和和膜出平面變變形的關系，，即可方便地地在現場測得得膜內力。三、技術特點點及新技術應應用概述（五）新設計計方法研究（1）自由曲面找找形（陽光谷谷找形）以建立彎曲應應力為零、薄薄膜應力最小小的曲面為目目標，提出了了一種基于計計算機輔助幾幾何設計（CAGD）的一體化有有限元建模技技術與造型優優化方法。并并建立了一套套CAD軟件與有限元元軟件協同建建模與造型優優化設計系統統，該系統可可通過調整設設計參數（約約束條件、空空間條件）得得到多種合理理曲面形態。。初始狀態第3迭代步第8迭代步最終狀態三、技術特點點及新技術應應用概述（五）新設計計方法研究（2）智能網格布布置（陽光谷谷網格布置））為滿足自由曲曲面單層網格格桿件長度盡盡量一致、分分布盡量均勻勻、過渡盡量量流暢的要求求，以自由曲曲面優化找形形為前提，基基于網格形狀狀和單元長度度的網格質量量衡量標準，，編制了智能能化網格設計計程序。平面網格空間網格優化網格三、技術特點點及新技術應應用概述（五）新設計計方法研究（3）CAD與CAM相結合的先進進制造技術世博軸陽光谷谷為單層網格格曲面，桿件件采用矩形斷斷面，交匯于于同一節點的的各桿件主軸軸方向與節點點法向的關系系的確定是一一個難題。最最終以“節點點相鄰面法線線合矢量”為為原則提出了了矩形截面鋼鋼管在自由空空間曲面上的的合理定位方方法，并將該該方法通過計計算機程序實實現三維實體體模型的自動動生成與測評評功能。進而而將CAD與CAM作為前后工序序連接起來，，借助機器人人加工技術，，實現了陽光光谷這一高難難度結構制造造的國產化。。