天津于家堡綜合交通樞紐是目前國內最大的全地下綜合性交通樞紐，其站房屋蓋為貝殼形單層網(wǎng)殼結構，焊接箱形桿件呈空間雙螺旋交織布置，為非規(guī)則的空間曲面造型，是目前國內跨度最大的單層網(wǎng)殼結構。建筑原方案由美國SOM公司提出，奧雅納進行深化設計，鐵道第三勘察設計院集團有限公司為本項目的總體設計單位。該工程現(xiàn)已進入裝修階段，計劃今年年底前全部完工。
1 工程概況
京津城際延伸線于家堡綜合交通樞紐位于于家堡中心商務區(qū)北端，該交通樞紐連接京津城際延伸線及多條地鐵線，總建筑面積20余萬m2，鐵路車場設置于地下，車站規(guī)模包括3座島式站臺與6條到發(fā)線。新建站房最高聚集人數(shù)約2000人，遠期每日旅客發(fā)送量達50000人次，高峰小時發(fā)送量約為5000人次。
該交通樞紐周邊設置有出租車停車場、社會車停車場、公交中心及控制中心等一系列配套設施，從而形成一個龐大、便利的交通樞紐中心。于家堡綜合交通樞紐整體效果圖如圖1所示。
圖1 于家堡綜合交通樞紐整體效果圖
2 結構形式與布置
于家堡綜合交通樞紐站房屋蓋采用單層網(wǎng)殼結構，為非規(guī)則空間曲面造型，其外形為由正、反螺旋線編織而成的貝殼形雙曲面（圖2），網(wǎng)殼桿件由36組順時針和逆時針的空間螺旋線交叉編織而成，桿件之間剛接。其屋面采用ETFE膜材。
圖2 于家堡單層網(wǎng)殼三維效果圖
網(wǎng)殼結構南北向跨度為144m，東西向跨度為81m，矢高為25m，內部無柱，其平面投影近似為半橢圓與半圓的組合，為單軸對稱結構（圖3）。
網(wǎng)殼南側設主入口，東西兩側各設一個次入口，各入口門洞均為三角形樣式，網(wǎng)殼頂部設較大的天窗。在屋蓋頂部及底部設有環(huán)梁，以穩(wěn)固整個空間網(wǎng)殼并有效地將屋蓋荷載通過與底環(huán)梁相連的支座傳遞至地下。
圖3 單層網(wǎng)殼結構體系
3 工程特點
于家堡單層網(wǎng)殼結構在很多方面實現(xiàn)了國內甚至世界上的突破和創(chuàng)新，具有其獨有的工程特點：
(1) 跨度方面：于家堡單層網(wǎng)殼結構南北向跨度為144m，東西向跨度為81m，不僅超過了規(guī)范中對于單層網(wǎng)殼60m跨度的限值，屬于超限結構，同時也是目前國內跨度最大的單層網(wǎng)殼結構。
(2) 建筑造型方面：于家堡單層網(wǎng)殼是一個非規(guī)則的空間曲面，并且根據(jù)仿生學原理，模仿貝殼造型，其建筑造型在世界上是獨一無二的。
(3) 網(wǎng)格形式方面：于家堡單層網(wǎng)殼的網(wǎng)格（圖4）是由從頂部延伸出的36組順時針和逆時針的空間螺旋線交叉編織而成。網(wǎng)格為不規(guī)則的空間四邊形，四個節(jié)點不在同一平面內，為非正交交叉梁結構體系，且各個網(wǎng)格的形狀、大小無一相同。
圖4 單層網(wǎng)殼網(wǎng)格結構
采用由螺旋線編織形成的不規(guī)則四邊形的單層網(wǎng)殼在國內外應用不多，針對本站房的荷載傳力路徑進行了研究，各桿件對該點位移的貢獻見圖5。由圖可知，由于該工程屋蓋特殊的螺旋造型，其受力及傳力路徑不同于一般網(wǎng)格的屋蓋。通過對該穹頂結構在各種荷載效應下的強度、穩(wěn)定、變形等一系列分析，深入研究其桿件的合理分區(qū)，形成了當前螺旋線網(wǎng)格方案下的優(yōu)化設計。
圖5 站房鋼屋蓋傳力體系研究
(4) 節(jié)點形式方面：由于于家堡單層網(wǎng)殼的螺旋交織網(wǎng)格，每個節(jié)點上的各個桿件均以不同角度相交，各個節(jié)點的形狀也無一相同。考慮到上述情況，本工程采用十字隔板焊接節(jié)點（圖6），首次將其應用在大跨度單層網(wǎng)殼中。這種節(jié)點完美地解決了本工程的“一個節(jié)點一種構造”的難題，成為工程的又一大特色。
(a) 有限元分析模型
(b) 節(jié)點試驗構件
圖6 十字隔板焊接節(jié)點
設計中選取受力較大節(jié)點，采用STRAND7軟件進行了有限元分析。以構件的實際尺寸建立全三維有限元模型，單元類型全部以正六面體實體單元進行單元劃分，并控制單元質量。分析表明，在靜力荷載工況下，節(jié)點的區(qū)域應力遠遠小于構件屈服強度，具有較大的安全儲備，滿足設計需要。典型節(jié)點在最不利工況下的應力云圖如圖7所示。
圖7典型節(jié)點不利荷載工況應力云圖/MPa
(5) 桿件截面形式方面：傳統(tǒng)的網(wǎng)殼多使用圓鋼管作為桿件，而于家堡單層網(wǎng)殼使用焊接箱形截面鋼管作為桿件，且為了保證網(wǎng)殼表面平滑、桿件連接順暢、節(jié)點傳力合理，同一螺旋線上的各桿件的空間定位隨著螺旋線的發(fā)散而繞桿件軸線進行一定角度的旋轉，網(wǎng)殼桿件扭轉前后對比如圖8所示。屋面較平緩處最大截面700（寬）×900（高），壁厚30mm；頂部最小截面400（寬）×600（高），壁厚20mm。
(a) 桿件扭轉前
(b) 桿件扭轉后
圖8 網(wǎng)殼桿件扭轉前后對比
(6) 桿件內力方面：由于于家堡單層網(wǎng)殼的螺旋交織網(wǎng)格，桿件除承受軸力外，還承受雙向彎矩、雙向剪力，同時由于單層網(wǎng)殼結構及荷載的非對稱性，桿件還承受較大的扭矩。這對于構件設計，尤其是薄壁構件設計提出了又一個要求。
(7) 支座約束方面：由于于家堡單層網(wǎng)殼的跨度較大，且網(wǎng)殼的南側坡度較陡而北側較為平緩，部分支座的水平推力較大，甚至遠大于相應支座的豎向反力。
在對比分析多種支座類型后，最終確定采用雙支座模型（圖9），即在網(wǎng)殼底環(huán)梁的底面和側面各設置一個球形支座，側面支座再錨固在混凝土牛腿上。兩個球形支座的轉動中心與底環(huán)梁形心重合，以保證雙支座對網(wǎng)殼結構提供“鉸接”約束的效果。
圖9 網(wǎng)殼雙支座模型
(8) 施工方法方面：于家堡單層網(wǎng)殼采用外圍散拼+中部先散拼再整體提升的安裝方案，該方案大量減少了高空作業(yè)。但是，中部整體提升區(qū)總質量高達900t，如此大噸位的整體提升也是本工程的一大特點。于家堡單層網(wǎng)殼施工現(xiàn)場見圖10。
圖10 于家堡單層網(wǎng)殼施工現(xiàn)場
更多內容詳見《建筑結構》雜志兩篇文章：
2014年7期（4月上）：《天津于家堡貝殼形超大跨度單層網(wǎng)殼結構設計關鍵技術》，作者：陳志華1，徐 皓1，王小盾1，劉紅波1，宋長江2，高修建2；單位：1 天津大學建筑工程學院，2 鐵道第三勘察設計院集團有限公司。
2012年10期：《天津于家堡交通樞紐大跨度單層網(wǎng)殼的設計與分析》，作者：何偉明1，宋長江2，楊 華1，馬 瑾2，付寶亮1，高修建2，樊 珂1，吳 海1，熊朝暉1；單位：1 奧雅納工程咨詢(上海)有限公司北京分公司；2 鐵道第三勘測設計院集團有限公司。
