阶梯状退层结构——湖北省图书馆新馆结构设计

湖北省图书馆始建于1904年，由张之洞创办，是我国最早建立的省级公共图书馆。湖北省图书馆新馆是“十一五”期间湖北省最大的文化建设项目，总建筑面积10万m2，总投资6.4亿元。新馆建成后藏书能力达1022万册，日接待能力逾1万人次。

湖北图书馆新馆造型以“楚天鹤舞、智海翔云”立意，属大体量、结构复杂的高层建筑。结构形式是以钢筋混凝土框架结构为主的混合框架结构，采用不同类型的结构转换和楼盖形式。由中信建筑设计研究总院有限公司（原武汉市建筑设计院）设计，现已向公众开放。

1工程概况

湖北省图书馆新馆（图1）位于武汉市武昌区，总建筑面积为10万m2，其中地上为8层，地下1层，局部地下2层；建筑高度41.4m，平面长度171m，宽度81m。

地下部分为车库、设备用房和密集书库；地上部分为阅览、报告厅、展览厅、藏书、办公等用房，层1设有一个600人大空间报告厅；建筑中部由西至东共设置3个中庭，由层1贯通至屋顶。南立面凹入式主入口门庭开口长度最大为56.7m，内收进深24m，高度约28m；西南角因在层1，2抽柱，形成上部大悬臂结构；东西立面从下至上由北向南呈阶梯形退台。

图1湖北省图书馆新馆效果图

2结构体系

工程主体结构形式以钢筋混凝土框架结构为主，局部大跨度、大空间处采用钢结构和钢骨混凝土结构的混合框架结构。框架梁采用宽扁梁截面形式，东、西中庭屋盖为实腹式H型钢梁结构；中部中庭钢结构屋盖呈斜平面椭圆状，南高北低布置。对柱网上密下疏的部位，设置大梁和桁架等转换构件对其进行转换。

结构主要特点：结构转换多；楼板开洞大（图2）；阶梯状退层结构（图3）；结构跨度大；节点类型多。

图2层5结构平面图

图3结构剖面图

3结构设计难点

3.1楼盖设计

结合不同区域的使用功能、楼面使用荷载要求和不同的结构类型，采用了多种楼盖形式：现浇厚板、普通现浇梁板楼盖、GR模壳钢筋混凝土双向密肋楼盖（本工程中应用最广泛）、钢筋桁架楼层板组合楼盖（图4）。

图4钢筋桁架楼板

3.2600人报告厅结构设计

报告厅设在层1，高度跨2层空间，上部为8.1m×8.1m的小柱网结构。为实现报告厅的大空间效果，上部7个结构柱不能直接落在基础上，而需要对7个结构柱进行结构转换（图5，6）。

结构转换运用了抬轿的原理，沿纵横向分别设置转换梁形成空间的结构转换体系。转换梁均采用钢骨混凝土梁，支承转换梁的柱采用钢骨混凝土柱。双向密肋楼盖提供了较大的楼面刚度，有利于主、次转换梁共同协调工作。

图5报告厅平面图

图6转换梁平面布置

3.3悬臂结构转换

在西南角下沉式广场处受建筑立面造型的限制，上部结构柱在层3以下不能直接落至基础上，形成了上部结构大悬挑的状况，图7斜线部分表示上部层3～8外悬挑范围，悬挑跨度分别为10.162，8.645和7.381m。

图7层3悬挑桁架平面

悬挑桁架共设置了3榀（图8，9），桁架高度跨层3，4两层层高，总高度9.6m，3榀桁架之间采用钢筋混凝土梁进行横向连接。桁架弦杆采用钢骨混凝土截面形式，腹杆为实腹式H型钢。

图8桁架剖面图

图9悬挑桁架局部模型

3.4南立面凹入式主入口门庭上部结构转换

在南侧主入口立面处以平滑内凹的手法形成大开敞门庭（图10），门庭处开口长度最大为56.7m，内收进深24m，水平投影面积达到815m2，在层6楼面处需设置转换层进行过渡。

图10湖北省图书馆门庭效果图

转换结构采用层间桁架，桁架下弦离地高度达到27m，属于高位转换（图11）。转换层结构最大跨度位于轴B上轴10~15之间，达到40.5m，轴B外悬挑长度约为7.576m。采用自重较轻的钢结构空间转换桁架共同承托上部层6～8结构荷载。

（a）转换层

（b）门庭

图11局部模型

主桁架沿水平方向共布置2道(HJ3,HJ4)，桁架高度同层6层高，桁架采用实腹式H型钢；带悬臂的次桁架垂直于水平桁架方向布置，共设置6道(HJ5,HJ6,HJ7)，见图12。施工现场照片见图13，14。