摘要：近年來(lái)隨著人們對(duì)文化旅游需求的持續(xù)增長(zhǎng)，主題公園工程在土木工程界開始得到關(guān)注。與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，主題公園中建筑單體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有特殊性。本文首先通過(guò)介紹主體-包裝整體分析模型闡明了包裝材料、包裝結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，然后分別歸納總結(jié)了主題公園單體結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，最后展望了在主題公園建設(shè)中對(duì)新型結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。本文對(duì)主題公園單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)分析，可以為結(jié)構(gòu)工程師提供借鑒并促進(jìn)我國(guó)土木工程界對(duì)主題公園工程研究工作的開展。
01前 言
主題公園是根據(jù)某個(gè)特定的主題，采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和多層次活動(dòng)設(shè)置方式，集諸多娛樂(lè)活動(dòng)、休閑要素和服務(wù)接待設(shè)施于一體的現(xiàn)代旅游目的地。它是根據(jù)特定的主題創(chuàng)意，主要以文化復(fù)制、文化移植、文化陳列以及高新技術(shù)等手段、以虛擬環(huán)境塑造與園林環(huán)境為載體來(lái)迎合消費(fèi)者的好奇心、以主題情節(jié)貫穿整個(gè)游樂(lè)項(xiàng)目的休閑娛樂(lè)活動(dòng)空間[1]。最新調(diào)查顯示，近年來(lái)人們?cè)谛蓍e娛樂(lè)中對(duì)主題公園的需求一直在持續(xù)增長(zhǎng)[2]。作為旅游業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要業(yè)態(tài)，建設(shè)主題公園可以應(yīng)對(duì)社會(huì)對(duì)文化旅游的需求日益增長(zhǎng)的形勢(shì)，同時(shí)可以有效緩解旅游業(yè)對(duì)自然景觀資源所帶來(lái)的壓力，從而促進(jìn)旅游經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。其工程規(guī)?？梢苑譃樘卮笮汀⒋笮?、中小型。
在滿足建筑功能的前提下，典型的主題公園建筑單體通過(guò)主題包裝和游樂(lè)設(shè)施為游客帶來(lái)情景與環(huán)境的沉浸式娛樂(lè)體驗(yàn)。其中，主題包裝應(yīng)用文化符號(hào)或藝術(shù)手法呈現(xiàn)在建筑單體表面，其主題各異、形態(tài)各異，圖1對(duì)此做出了舉例說(shuō)明。一個(gè)主題公園建筑單體的設(shè)計(jì)需要包裝專業(yè)、游樂(lè)設(shè)施專業(yè)，建筑專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、建筑設(shè)備專業(yè)等多專業(yè)人員之間的合作，其系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在常規(guī)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了特殊的要求。因此，本文闡述了主題公園單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并且展望了其發(fā)展趨勢(shì)。
02主體-包裝整體分析模型
主題包裝是主題公園中建筑單體的重要組成部分，分布于建筑單體的外立面以及室內(nèi)主要迎客面。一般情況下，包裝材料的自重及其所承擔(dān)的外荷載首先通過(guò)連接件傳遞到包裝次鋼結(jié)構(gòu)，包裝次鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)一步通過(guò)可靠連接將內(nèi)力傳遞至包裝主鋼結(jié)構(gòu)，如圖2所示。包裝材料的種類主要包括主題雕塑砂漿(theme cement plaster，簡(jiǎn)稱tcp)、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，簡(jiǎn)稱frp)、玻璃纖維增強(qiáng)混凝土(glass-fiber reinforced concrete，簡(jiǎn)稱 grc)、聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene，簡(jiǎn)稱 eps)、仿真植物等。tcp 材料需要噴涂在鋼筋網(wǎng)片上，然后進(jìn)行雕刻施工，鋼筋網(wǎng)片通過(guò)焊接固定在包裝次鋼結(jié)構(gòu)之上[1]。由于frp和grc材料中的纖維可以承受一定的拉力，故可以將二者進(jìn)行模塊化加工并在其背面分布鋼龍骨，然后采用連接件將龍骨裝配在包裝次鋼結(jié)構(gòu)之上。eps材料則非常輕質(zhì)，一般可以直接與包裝次鋼結(jié)構(gòu)連接。根據(jù)包裝專業(yè)的要求，次鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長(zhǎng)度(l1)，即包裝材料與主鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的距離，一般可以在 0.3~1.5米之間；次鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的距離(l2)一般可以在0.6~0.8米之間；如圖2所示。
包裝次鋼結(jié)構(gòu)不參與結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算，主要用于完成與主題包裝造型一致的結(jié)構(gòu)找形、支承包裝材料并將力傳遞至包裝主鋼結(jié)構(gòu)。故只需滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)構(gòu)件內(nèi)力、變形以及長(zhǎng)細(xì)比的要求即可，一般由包裝專業(yè)進(jìn)行具體的深化設(shè)計(jì)并施工。而包裝主鋼結(jié)構(gòu)需要參與結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算，由結(jié)構(gòu)專業(yè)負(fù)責(zé)。典型的主題公園單體結(jié)構(gòu)整體分析模型如圖3所示，包裝主鋼結(jié)構(gòu)可以依附于主體混凝土結(jié)構(gòu)或者主體鋼結(jié)構(gòu)。包裝結(jié)構(gòu)也可以根據(jù)造型特點(diǎn)獨(dú)立于主體結(jié)構(gòu)之外，并且單獨(dú)設(shè)立基礎(chǔ)。需要注意的是，在使用不同類型的結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)軟件時(shí)，必須采用相同的主體-包裝整體分析模型，并保證結(jié)構(gòu)布置、荷載條件和邊界條件等一致，如圖3所示。從而準(zhǔn)確考慮主體結(jié)構(gòu)與包裝結(jié)構(gòu)之間的相互影響，得到可靠、統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果。該結(jié)構(gòu)同時(shí)也需要滿足其它設(shè)計(jì)專業(yè)所提出的條件以及現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。
基于主體-包裝整體分析模型，主題公園單體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。首先根據(jù)包裝、游樂(lè)設(shè)施、建筑、設(shè)備提出的專業(yè)條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但由于創(chuàng)意荷載的特殊性，本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所取用的創(chuàng)意荷載尚不能完全明確，一般為預(yù)估值。故在主題包裝和游樂(lè)設(shè)施的條件更新之后，需要對(duì)原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核。如果結(jié)構(gòu)復(fù)核不通過(guò)，后續(xù)工作需要根據(jù)結(jié)構(gòu)是否已經(jīng)施工，選擇進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造加固設(shè)計(jì)或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更。因此相比于一般建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主題公園建筑單體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，對(duì)設(shè)計(jì)管理也提出了更高要求。
03主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
在常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，主題公園中建筑單體的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：1）當(dāng)包裝鋼結(jié)構(gòu)支承于主體混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，宜在支座處設(shè)置略高于建筑完成面的鋼筋混凝土反墩，如圖5所示。該措施可以方便包裝鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)定位施工，能夠使預(yù)埋件的錨筋避開鋼筋較密的區(qū)域，還有利于實(shí)施簡(jiǎn)捷有效的建筑防水做法。2）為了滿足主體-包裝整體分析模型的計(jì)算條件，反墩應(yīng)支承在混凝土梁或柱之上；當(dāng)支座反力較小且不影響整體模型計(jì)算時(shí)，反墩也可以支承在混凝土板之上，并需要驗(yàn)算混凝土板的受沖切承載力。3）當(dāng)包裝鋼結(jié)構(gòu)的支撐構(gòu)件落在主體混凝土結(jié)構(gòu)的立面時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的埋件宜設(shè)置在主體混凝土梁或柱的側(cè)面，盡量避免設(shè)置在建筑填充墻的側(cè)面。4）當(dāng)主題包裝造型比較規(guī)則時(shí)，包裝次鋼結(jié)構(gòu)可以直接與主體結(jié)構(gòu)相連，從而省略包裝主鋼結(jié)構(gòu)。5）主體結(jié)構(gòu)需要滿足對(duì)大型游樂(lè)設(shè)備吊裝及安裝的要求。6）當(dāng)建筑填充墻表面具有較重的主題包裝時(shí)，尚需驗(yàn)算墻體的穩(wěn)定性。7）當(dāng)部分主體結(jié)構(gòu)與藝術(shù)相結(jié)合時(shí)，裸露的結(jié)構(gòu)帶有天然的美感，可以無(wú)需外包裝包覆。
04包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
鋼結(jié)構(gòu)的良好施工性能可以較好地適應(yīng)于主題包裝復(fù)雜多變的形態(tài)，圖6以大型假山為例對(duì)此做出舉例說(shuō)明。王波等[1]對(duì)主題公園中大型 tcp 假山的結(jié)構(gòu)形式和施工工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明采用鋼結(jié)構(gòu)作為支撐結(jié)構(gòu)可以使主題公園塑石假山具有較好的施工性能。在常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，包裝主鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：1）包裝主鋼結(jié)構(gòu)需要結(jié)構(gòu)工程師在主題包裝三維模型里進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)布置，必須同時(shí)滿足外包裝的造型要求、包裝次鋼結(jié)構(gòu)尺寸限制的要求、主體結(jié)構(gòu)尺寸限制的要求、鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)和加工制作的可行性要求以及結(jié)構(gòu)受力合理的要求。2）包裝鋼結(jié)構(gòu)通常位于室外，并且包裝材料并不能對(duì)其提供足夠的保護(hù)，故需結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍鉁刭Y料和鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度計(jì)算結(jié)構(gòu)的溫度作用效應(yīng)，還需進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。3）對(duì)于超長(zhǎng)的包裝鋼結(jié)構(gòu)，合理地設(shè)置溫度縫可以有效減小溫度作用的不利影響。4）包裝鋼結(jié)構(gòu)宜充分利用主體結(jié)構(gòu)對(duì)其所提供的支撐作用，這可以有效地節(jié)省用鋼量。
05發(fā)展趨勢(shì)
從20世紀(jì)80年代開始起步，隨著文化旅游產(chǎn)業(yè)被列入“十三五”規(guī)劃中的國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱性產(chǎn)業(yè)，我國(guó)的主題公園建設(shè)近年來(lái)呈加速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，并且成立了主題公園建設(shè)行業(yè)協(xié)會(huì)、編制了主題公園建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和工法。“十四五”規(guī)劃將繼續(xù)推動(dòng)我國(guó)文旅產(chǎn)業(yè)的建設(shè)。為了使游客保持對(duì)主題公園的新鮮感，主題包裝和游樂(lè)設(shè)施需要定期更新?lián)Q代。因此，根據(jù)主題公園建筑運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)，目前應(yīng)大力推廣裝配式鋼結(jié)構(gòu)在主題公園建筑單體中進(jìn)行應(yīng)用。這不僅能夠方便結(jié)構(gòu)拆改、實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，還符合綠色建筑和建筑工業(yè)化的發(fā)展理念。
在單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主題公園建設(shè)也在順應(yīng)時(shí)代發(fā)展尋求創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)解決方案。例如在特殊的技術(shù)條件下，某主題公園中的城堡頂層采用無(wú)鐵磁性的frp材料完全代替鋼材作為結(jié)構(gòu)材料，如圖 7 所示。此處的結(jié)構(gòu)由frp筋混凝土構(gòu)件、frp 管約束混凝土構(gòu)件和frp型材-混凝土組合構(gòu)件組成?，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) gb 50608-2020《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]對(duì)新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了更新，可以適用于frp在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的設(shè)計(jì)與施工。但是目前國(guó)內(nèi)尚缺乏專用設(shè)計(jì)軟件模塊的支撐，在設(shè)計(jì)效率方面有待于進(jìn)一步提升。另外，frp作為結(jié)構(gòu)材料還具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，可以有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命、降低維護(hù)成本[4]。
改善已建主題公園建筑單體的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀以及對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行主題公園化的加固改造，也是目前行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。在加固設(shè)計(jì)方面同樣需要尋求創(chuàng)新的加固解決方案。例如frp網(wǎng)格-聚合物砂漿加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，其采用特制的錨固件將frp網(wǎng)格固定于經(jīng)過(guò)鑿毛的混凝土結(jié)構(gòu)表面，然后噴射或手工鏝抹聚合物砂漿，使之與原混凝土一體化，形成共同受力的加固體系，如圖8所示。與傳統(tǒng)的frp粘貼加固相比，frp網(wǎng)格加固在防火性、耐久性和抗沖擊性方面均得到明顯提高[5-6]。該新型加固技術(shù)更加符合主題公園建筑單體的服役條件。
主題公園中建筑單體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)也正在朝向高性能化發(fā)展，例如多功能一體化預(yù)制墻板的研發(fā)， 如圖9所示。該墻板以frp型材作為受力骨架，以酚醛泡沫填充作為建筑保溫，并通過(guò)連接件固定主題包裝造型層。此多功能一體化預(yù)制墻板可以滿足耐火、保溫、隔音、燃燒、氣密、水密、抗風(fēng)壓等建筑相關(guān)性能的要求，同時(shí)具有良好的結(jié)構(gòu)受力性能[7-8]。該墻板的應(yīng)用很大程度地提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱保溫效果和材料利用率，還具有節(jié)省建筑空間、對(duì)環(huán)境友好、施工便捷等諸多優(yōu)勢(shì)，具有較好的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?br>為了提高主題公園建筑單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率，目前應(yīng)開發(fā)專用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件或者軟件插件。在專用軟件中，結(jié)構(gòu)工程師可以在結(jié)構(gòu)三維模型中插入主題包裝和游樂(lè)設(shè)施的三維模型，以便隨時(shí)檢查碰撞，從而省去導(dǎo)入其它軟件進(jìn)行校核的過(guò)程。另外，研發(fā)主題公園單體結(jié)構(gòu)的智能化設(shè)計(jì)，達(dá)到參數(shù)化批量出圖的標(biāo)準(zhǔn)，也是該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。
06結(jié)語(yǔ)
隨著我國(guó)城鄉(xiāng)居民生活水平的提高，近年來(lái)出現(xiàn)了大量主題公園工程。主題公園中建筑單體的結(jié)構(gòu)是包裝材料、包裝結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)組合而成的有機(jī)整體，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作具有值得注意的特點(diǎn)。故本文首先介紹了主題公園單體結(jié)構(gòu)的主體-包裝整體分析模型，然后分別闡明了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，最后展望了在主題公園建設(shè)中對(duì)新型結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。本文旨在為結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行主題公園單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)提供借鑒并促進(jìn)我國(guó)土木工程界對(duì)主題公園工程研究工作的開展。