扬州世博园雨林馆钢结构设计
陈大好，注杰，陈国强，陈竹，魏大平
（南京长江都市建筑设计股份有限公司，南京210002）
摘要：扬州世博同南林馆为大跨度空间结构，建筑造型独特，结构基于建筑外皮通过空间找形，采用抽空四角锥的双层不规则圆柱面网壳.系统闸述了结构设计的重难点和创新点；介绍了主体结构的布置和找形、设近似算法.采用仅考虑结构整体缺陷的二阶P-4弹性分析法进行结构静力分析及构件设计.结果表明，在 备用房的结构布置及其与上部网壳空间关系；通过参考相关规范，给出了体型复杂屋盖结构风荷载偏安全的各荷载组合下，构件应力比均满足要求.采用弹性全过程的直接分析法进行结构整体稳定性分析，得到最大接支座及网壳弦杆落地或落设备用房屋面接支座）节点的做法.分析表明雨林馆钢结构结构设计安全可 荷载系数均满足结构整体稳定要求.给出了双层网壳球节点、支座（钢立柱顶部管接支座、横管钢梁落地饮掌，并充分实现了结构成就建筑之美.
关键词：扬州世博同雨林馆；钢结构：双层不规则属柱面网壳；抽空四角锥；风荷载：整体稳定性分析；铰接支座
中图分类号：TU393.3文献标志码：A文章编号：1002-848X（2025）20-0070-07
[引用本文]陈大好，汪杰，陈国强，等.扬州世博网雨林馆钢结构设计[J].建筑结构，2025 55（20）：70-76.CHENDahao WANG Jie CHEN Gaqiang et al. Steel structure design on Rainforest Pavilion of Yangzhou World Expo Park [ JJ- Building Strueture 2025 55(20) :70-76.
Steel structure design on Rainforest Pavilion of Yangzhou World Expo Park
CHEN Dahao WANG Jie CHEN Guoqiang CHEN Zhu WEI Daping( Nanjing Changjiang Urban Architectural Design Co. Lad. Nanjing 210002 China)
Ahstraet: The Rainforest Pailion of Yangzho Word Expo Park is a largespan spatial stnucture with umique architeturallattisd shell vith an evacuated sqare pyramid. The key and inwative points of stuetural design was systematically design. The structure is based on the building skin through space form finding using a double-layer iregular cylindricalelaboratd. The layt ad frm fnding of the main steture the stctural layt of the equipment rom ad its spatialrelatiohp with the uper mesh shell wee intced. An apxite algrith fo win lad arial sfety of clex rf stnctures was given by refeing to relevant specications. The secod-orer P- elastic analysis metbod that onlyconsiders the overall stuctural defected was used for structural static analysis and ponent design. The resuls indicatethat the stress ratis of the ponents mes the requirements mder varos load binations. The diret analsis methodof tbe entire elastic ps was use to analyze tbe erall stability f the stctue and the maxim lad cficents obtained met te reqirements of the ellstahility f the stce. Te cstcti methd of dbe-lyer grid shellalnodes and supts ( hinged supports at the tp of seel columms hinged suports on the floor af horizntal steel beams andhinged suppoets on the flor ar equipent af the grid shell chrd) nodes were provided. The analysis shs that the sdeel structure design of the Rainfoes Pavilion is safe and reliable and fully realizes the beauty af the bilding achieved by thestructure.
Keywords;Rainforest Pavilion of Yangzhou World Expo Park ; steel structure; double-layer iregular cylindrical latticedshell; eracuate square pyramid ; wind load; owerall stability analysis; hinged support
扬州世博园雨林馆工程位于江苏省扬州市仪外围护采用玻璃幕ETFE充气膜，建成后的建 将具有区域特色的江海文化表现地惟妙惟肖，建筑
1工程概况
征枣林湾，是2021年扬州世界园艺博览会扬州园的筑整体鸟瞰如图1所示.主展览馆.雨林馆建筑设计立意源自长江中的“大熊猫”一江豚，通过模拟生物形态化的设计语言，
雨林馆室内建筑面积11464m²，头尾均有部分室外开散区域，结构总体长度约250m，最大跨度约
充气膜的规格要求，划分网格的平面投影尺寸约3.3mx3.3m.结构空间网格采用四角锥编织，对外周近地处曲率变化较大的网格进行加密.在建 筑主立面及头尾翘起区段外周设置一道收边横管钢梁，网格内外弦杆及腹杆交汇至此横管钢梁；在建筑的次要立面区段，双层网壳内外弦杆以壳体厚度为间距均落地支承于基础或设备用房的混凝土结构上.横管钢梁部分区段直接落地支承于基础上，部分区段在半空支承于钢立柱上，其他处均 悬空.
图1雨林馆建成乌图
60m，最高点标高约32m.主体拟采用空间网格结 构，在南、北侧主人口和西侧次入口挑空处采用立柱支承，其他区段直接落地与基础或设备用房固定.抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.15g，建筑场地类别Ⅲ类，特征周期0.55s，设计地震分组第二组，抗震设防类别丙类.根据气象资 料，扬州历史气温为-6-37℃，考虑现场施工温度在10C左右，则实际温差-20-30℃.
3.1.2结构布置
“鱼体”外形由不规则曲面组成，边界起伏大、跨度大，就其受力特点而言，可采用钢管桁架结构或双层网壳结构两种方案.为了满足建筑设计意图，实现 建筑效果与结构布置的完关结合，考虑到网壳结构的网格划分更符合”鱼鳞”造型，球节点便于外围护充气膜龙骨的附着，最终采用抽空四角锥的双层不规则圆柱面网壳结构，厚度约2.Im.主体钢结构三维模 型及双层网壳结构典型剖面如图2所示.
2结构设计的重难点及创新点
规则，整体变化大，边界复杂，网格编织困难，即结 本工程结构设计的重难点包括：1）网壳体型不构如何成就建筑之美、如何根据建筑外形建立受力合理的结构模型；2）由于项目工期紧，无风洞试验数据”，对于此类形体复杂的风敏感结构，风荷载取值困难；3）长度约250m的超长钢结构双层网壳， 温度作用的影响需重点关注；4）四角锥网格节点交汇杆件较多，且在斜率变化处部分节点的杆件夹角较小，网壳的球节点是设计的重点：5）网壳部分区段落于设备用房屋顶，设备用房作为转换结构，是设计的重点；6）网壳支承情况较多，支座节点是设 计的重点.
本工程结构设计的创新点：1）采用抽空四角锥双层网壳模拟极具生物形态的空间网格结构；2）通过参考相关行业标准，偏安全地确定体型复杂屋盖结构的风荷载；3）根据本工程的结构特点，双层网 壳采用部分内外弦杆分别落地支承、部分内外弦杆汇于收边横管钢梁支承及部分钢立柱半空支承三种方式相结合的支承形式.
图2主体钢结构三维模型及双层网壳结构典型制面
结构主体钢构件均采用无缝钢管，网壳壳体、收边横管钢梁、钢立柱和焊接球主要采用Q355B钢，部分钢立柱采用Q420B钢，螺栓球节点采用45号钢.主要钢构件截面及材质见表1.整体网壳钢结构共设置142个支座：在半空支承于31根钢立柱 顶，采用固定支座，与外围护竖直幕墙相连的部分钢立柱兼作抗风柱，钢立柱柱脚均采用刚接：在落地支承和设备用房屋面支承区域，布置111个固定铰支座.支座布置见图3.
3结构选型和布置
3.1主体钢结构
3.1.1结构找形
雨林馆形体似“鱼”，“鱼体”轮廊整体外凸，腹部略有内凹，头尾翘起，外周一圈的边界变化较多.根据建筑的形体外廊，采用3D模型处理软件初步在“鱼体”表皮划分网格，并尽量维持俯视角度下网格尺寸一致，以实现“鳞片”的层次感，结合外围护
表1主要钢构件截面及材质
杆件位置 外弦杆 180×10/12 6219x14/16 $245×16 截面形式 材质 Q355B内弦杆 180x84219x12/14 4219×16*、4245×16* 273×20* Q3558废杆 140×4/8 d159x6/8 、4180×10* 4219×14 * Q355B Q355B收边横管 钢立柱 $610×20 d699×20 4377×14/35$610×20 Q420B
注：带为用于与收边横管相连的杆件.
图3支座布置
3.2设备用房
根据建筑功能要求，沿网壳东侧外轮廓，布置有一栋单层设备用房.其平面呈扇环形，弧向长约110m，径向宽约20m，高5.65m.上部网壳外周一 区段覆盖于设备用房，部分支承点落在设备用房屋面上，因此，设备用房除满足自身受力外，还需承担上部网壳的部分荷载.结合建筑功能、工期、造价等因素，设备用房采用现浇钢筋混凝土框架结构，共设4排框架柱，其中内周2排框架柱间距根据上 部网壳内外弦落点位置确定，传力更为直接.单层屋盖采用框架梁双次梁布置，局部跨间有净高要求的房间，采用框架梁大板布置.设备用房结构布置及与上部网壳空间关系如图4所示.
图4设备用房结构布置及与上部网壳空间关系
4 风荷载计算
依据《建筑结构荷载规范》（GB500092012）（简称荷载规范）、《屋盖结构风荷载标准》（JGJ/T481-2019）（简称屋盖风荷载标准），本
工程风荷载计算采用近似算法，另因本工程网壳属风敏感结构，应考虑风压脉动对结构产生风振的影响.风荷载标准值w由体型风压和脉动风压两个 部分组成，计算如下：
式中：w为风压，按100年重现期取值0.45kN/m²；μ.为风压高度变化系数，结构最高点约32m，大部 分区域未超18mμ，取距地面20m高度作为计算均值点，地面粗糙度B类，可得μ =1.23；μ.为风荷载体型系数：u为脉动风效应等效风压系数.
本工程网壳体型为各段跨度不同的不规则拱形，平面投影呈弧形，风荷载体型系数产，和脉动风 效应等效风压系数u可近似参照屋盖风荷载标准中的体型相似的矩形平面柱面屋盖取值方式计算而得，计算时，本网壳矢高f等效取25m.
4.1风荷载体型系数μ、
后的矩形平面柱面屋盖在0°45°90°三个风向角下 根据屋盖风荷载标准附录A.0.2，可得出简化的体型系数分布，如图5所示，其中结构长度B等效取230m，跨度L等效取55m.在风荷载计算时，为减少计算工作量，偏安全考虑将45°风向角下体络取大值.另再考虑平面投影由弧形简化为矩形 型系数分别与0°和90°风向角下体型系数按区域包的形状效应系数1.1.
图5体型简化后的x.分布
4.2脉动风效应等效风压系数μ.
根据屋盖风荷载标准附录B.0.3，按简化后的矩形平面柱面屋盖考虑下压和上吸两种工况下的脉动 风效应等效风压系数，计算公式分别见式（2）、（3）：
式中：u.为脉动风效应等效风压系数峰值；y为沿跨度方向的距离：r为折算频率；n为结构第I阶自振
w=μμ μ.=（μ μ）μ（1)
(2)
(3)
频率；U为求折算频率/的公式里的中间变量，无实际物理含义.
上述中部“鱼体”封闭区段X向风荷载取值与荷载规范的近似取值相比：总风压力0.280.94=1. 22kN/m²大于1.21×1. 1×1. 23×0. 45= 0. 74kN/m²; 总风吸力1.50.22=1.72kN/m²大于1.21×1.6×1.23×0.45=1.08kN/㎡².故采用该方法计算的风荷载较荷载规范偏安全.按荷载规范近似计算风1.21，风压高度变化系数取1.23. 荷载时，风荷载体型系数如图9所示，风振系数取
式（2）、（3）中包括μ，和sin（2πy/L）两个部分，其中μ，分布可根据相关参数计算查表得出，sin（2=y/L）的取值分为[0，π]和（=，2π]两个区段，并分别按π和5=/4处的正弦值0.707和-0.707作中间值作为平均值的取法偏安全）.将μ，和 为两个区段的平均值（因为正弦函数为凸函数，按sin（2=y/L）在各个分区进行图乘，即可得到脉动风效应等效风压系数μ计算值，如图6所示.为了简化风荷载工况数量，并与风荷载体型系数μ对应，对不同风向角下风压和风吸进行归并包络取大值， 可得出μ.取值分布，见图7.另再考虑平面投影由弧形简化为矩形的形状效应系数1.1.
图9风荷载体型系数
5 钢结构整体分析与设计
软件.直接分析设计法应采用考虑结构整体的二 上部钢结构的整体计算分析采用SAP2000V22阶大P-效应和构件的小p-8效应，考虑结构和构件的初始缺陷、节点连接刚度和其他对结构稳定性有显著影响的因素，允许材料的弹塑性发展和内力重分布，获得各种荷载设计值（作用）下的内力和标 准值（作用）下位移[.SAP2000的直接分析法设计中，在不考虑材料弹塑性发展的情况下，对构件进行韵分，然后施加构件综合初始缺陷，以实现考虑构件小p-&效应对结构的影响.就本工程面言， 由于杆件数量较多，采用考虑材料弹塑性发展的直接分析法的计算量过大，为提高效率，在结构静力分析、构件设计阶段采用仅考虑结构整体缺陷的二阶P-4弹性分析法，在结构稳定性分析阶段，采用 弹性全过程的直接分析法-3.
图6脉动风效应等效风压系数p计算值
图7归并后的分布
4.3风荷载标准值w分布
根据上述μ和μ的分布和取值，经式（1）计算，即可得出两个主方向的风压力和风吸力作用下的风荷载标准值w的分布，如图8所示.
整体计算时，恒载取0.5kN/m²，活载0.5kN/m²，雪荷载取0.75kN/m²，风荷载按第3节取值，温度作用取±30℃，并按《建筑抗震设计规范》（GB50011一2010）考虑水平和竖向地震作用.
5.1内力分析
5.1.1自振模态
经计算分析：整体结构的基本周期T=0.765s，振型为尾部的水平振动；第2周期T=0.599s，振型部悬挑端的竖向振动，结构前3阶振型图见图10. 为腹部的竖向振动；第3周期7，=0.517s，振型为头由图可以看出，结构的前3阶自振模态以竖向振动为主，整体抗侧刚度较好.
5.1.2结构变形与杆件应力
本工程为中部围合结构，首尾均有开散，尾部
图8风荷载标准值分布/（kN/m²)
图10整体结构基本振型模态
人口处钢立柱在水平荷载作用下变形最大.经计算分析，中部最高处钢立柱（柱高10.7m）在X向风荷载作用下的柱顶水平位移为20.3mm，为柱高的1/527；在X向地震作用下的的柱顶水平位移为8.5mm，为柱高的1/1259，均满足规范1/250的限 值要求.在"1.0恒载1.0活载0.6风压荷载“的标准组合下，结构的竖向变形最大：网壳腹部的最大挠度为62mm，为跨度的1/980；头部悬挑端（悬挑长度12.2m）的最大挠度为59.7mm，为跨度的1/410，均满足规范1/300的限值要求.
各类杆件的应力比见表2.可以看出，在“恒载风荷载”的基本组合下，杆件应力水平较低，最大未达0.6，可以看出风荷载取值是偏安全的；在最不利荷载组合下，大部分杆件应力比在0.5左右，网 壳受力较大的杆件集中在支座附近，最大应力比0.87，钢立柱由于其高度变化较大，应力幅度亦较大，绝大部分杆件的最不利工况为“恒载半跨雪荷载风荷载温度作用”的基本组合，杆件应力比均小于1.0，满足要求.
表2杆件应力比水平
杆件类别 恒载 恒载风荷载量不利荷藏组合外弦杆 0. 017~0.344 0. 072~0. 565 0. 212~0. 794内弦杆 0. 031 ~0.354 0.0140.339 0. 077~0. 550 0.0360. 543 0. 198~0. 772收边模管钢梁 废杆 0.018~0.323 0. 048 ~0. 465 0. 167~0. 870 0. 242~0. 834钢立柱 0. 091~0.202 0. 1050. 573 0. 2150. 817
5.1.3网壳支座水平力
5.2稳定性分析
上部网壳整体呈类柱面拱壳，在竖向荷载和温大设计值约1900kN.本工程基础管桩数量较少、水 度作用下，网壳支座对基础具有较大水平推力，最平承载力较小，结合网壳支座的分布特征和受力特点，并综合考虑施工工期和工程造价，最终采用设衡体系的方法，解决了支座的水平推力问 置地拉梁，将两侧支座下基础拉接，形成受力自平题（图11）.
图11网壳支座下地拉梁自平衡示意图
本工程网壳为不规则的圆柱面网壳，结构跨度分析.根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7- 较大，边界和支承情况复杂，需对结构进行稳定性2010）的相关要求，选取“1.0恒载1.0满跨活载”、“1.0恒载1.0西半跨活载”和“1.0恒载1.0东半跨活载”三种组合工况，分别进行线性屈曲分析和非线性稳定分析.非线性稳定分析采用弹性 全过程的直接分析法，材料按全程弹性，考虑结构的初始几何缺陷（其最大计算值为200mm）和构件的初始缺陷（其综合缺陷代表值取1/400）.各工况下达到最大荷载时的结构变形如图12所示.可以看出，结构的薄弱区域位于西侧腹部内凹部分，针 对此薄弱区，采取了控制杆件最大应力比≤0.75、全区域外弦杆采用焊接球节点的加强措施.
各工况下非线性稳定分析的荷载-位移曲线如图13所示.可以看出，在“1.0恒载1.0西半跨活 载”工况下，结构的最大荷载系数最小，而“1.0恒载1.0东半跨活载”工况下最高.经分析，由于结构西侧腹部壳体内凹，东侧外凸，造成两侧基本为
图12各工况下达到最大荷载时的结构变形云图/mm
