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技术支持中心案例研究伯格斯动物园红树林,阿纳姆,荷兰
伯格斯动物园红树林,阿纳姆,荷兰
SteelConnection designCBFEMConnection

伯格斯动物园红树林,阿纳姆,荷兰

阿纳姆

伯格斯动物园红树林是一个3000平方米的生态展示区,设有淡水盆地,并通过具有潮汐变化的咸水泥滩,为海牛和蝴蝶等动物物种提供自然栖息地。这一令人惊叹的景观延伸于一座穹顶形结构之下,其最高点距地面16米。

本文也提供以下语言版本
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH

项目数据

地点 - Antoon van Hooffplein 1,阿纳姆

业主 - Koninklijke Burgers' Zoo,阿纳姆

建筑设计 - Koninklijke Burgers' Zoo / Sijven Eindhoven,阿纳姆

结构设计 - ABT,Velp

结构深化设计 - Staalbouwkundig Adviesburo Van Odenhoven

项目管理  - P&H Adviseurs Construction & Real Estate(施工管理与监督),Veldhoven

钢结构施工 - Moeskops Steel Construction,Bergeijk

项目概述

全球大面积红树林正在消失,而红树林对自然生态具有不可或缺的功能。伯格斯动物园希望唤起游客的保护意识,在阿纳姆建造了世界上最大的室内红树林。该红树林以中美洲国家伯利兹的红树林为原型。进入伯格斯红树林后,参观之旅从一座横跨海牛水池(100立方米)的钢桥开始。随后,路线沿栈道穿越红树林。在这片极度盐碱化的环境中,随着潮汐变化产生不同的生态条件,只有少数植物物种能够存活。前方,一扇长12米、高1.8米的弧形亚克力观察窗使游客得以与加勒比海牛近距离接触。伯格斯红树林由一座跨度60米的钢穹顶结构覆盖。加勒比海牛水池蓄水量达100万升。

钢结构设计与用钢说明

设计是一个综合权衡的过程。对于红树林展馆,设计阶段最重要的考量是在两个目标之间审慎取舍:一方面,在最优建筑形态下尽可能扩大生态展示区的展示面积;另一方面,尽可能增大建筑体量,同时通过最小化外立面与屋面面积来控制建造成本。此外,与伯格斯丛林馆和伯格斯沙漠馆一样,结构须建于室外。所选用的弧形屋盖结构很好地满足了上述要求。结构在中部最高,使生态展示的体验效果最佳,同时为树木生长提供了空间。在穹顶较低的部位,仍有足够的净高以满足功能使用需求,且竖向外立面面积被控制在最小范围内。

穹顶结构采用钢材设计,这本身颇为特别,因为此类结构通常采用木材建造。选用钢材的原因在于该生态展示区需要大量自然采光。木结构因截面尺寸较大,会大幅减少采光量,产生大量阴影。 

事实证明,钢材更适合承受底部环梁所需的高拉力。 

穹顶在一个方向上由直径323毫米、壁厚8毫米的钢管跨越。由于穹顶具有双曲率,各钢管并非相互平行,但总体间距约为4米。最大跨度由五段预制构件组成,平均长度为13米;较小跨度则由更少的构件组成。各构件通过每组十颗螺栓的法兰连接进行拼接。一个重要细节是,中心处的法兰设有所谓的"脱锌孔",以防止热浸镀锌钢材发生劣化。这是因为整个结构暴露于室外环境,实际的屋面防水层悬挂于结构下方。

主管之间设有斜撑连接,由直径193毫米、壁厚8毫米的钢管组成。斜撑通过叉形节点与主管连接,这些连接板均预制焊接于主管和斜撑管上。由于穹顶的双曲率特性,每个叉形节点的角度各不相同,因此对尺寸精度和加工质量要求极高。在主管和斜撑的安装过程中,整体结构由三套临时支撑体系进行支撑。这是必要的,因为穹顶只有在结构完全合拢后才能获得其整体刚度。穹顶采用逐步累积安装的方式建造,待穹顶合拢后,临时支撑结构随即拆除。

底部环梁承受来自穹顶的全部荷载,其组成管材与主梁相同:直径323毫米、壁厚8毫米的钢管。该环梁同样由预制构件拼接而成,为确保安全,各构件通过40毫米厚的焊接法兰连接。穹顶主管通过法兰与底部环梁连接,短管段焊接于环梁上,管头设有瓶形连接板。这些连接件同样对尺寸精度要求极高,因为由于穹顶曲率的影响,每根主管的连接位置各不相同。

底部环梁由钢柱独立支撑,柱截面为HEA 240型钢,如前所述,柱间距为4.50至5.00米。由于地面标高变化,各柱长度不同。柱间局部设有风撑。所有柱子在安装阶段均设有临时支撑,在穹顶结构安装过程中,每隔两根柱子设置一道拉梁。

特殊构造创新与节点详情

在穹顶边缘,网格结构汇聚于一道环梁。该环梁由摆柱支撑,柱间设有斜向支撑。 

分段底部环梁的截面尺寸为 Ø 323.9 × 8 S355J2H,业主提出的设计条件如下:

  • 节点须能承受轴向压力 Nc,Rd = 2818 kN
  • 热浸镀锌结构须设置"排锌孔",面积不小于截面面积的30%
  • 不允许未焊接的钢材连接,内部亦不例外(两侧均须采用角焊缝或对接焊缝)
  • 结构外表面不得积存污垢、落叶等杂物
  • 现场拼接节点仅允许采用螺栓连接(不得现场焊接)

节点的最终解决方案通过 IDEA StatiCa Connection 计算确定。

斜向支撑设计面临的挑战如下:

  • 此类结构对加工制作公差极为敏感
  • 镀锌排锌孔削弱了关键截面的承载能力
  • 单侧唇板仅能焊接于一侧  

借助 IDEA StatiCa Connection,上述所有问题均得以解决——采用全焊接连接板,无需设置镀锌排锌孔。

结论

用工程团队的话来说:"在 IDEA StatiCa Connection 中进行设计,就像是结构深化工程师或结构工程师在使用'乐高'积木。"

图片来源:ABT B.V.