天津于家堡综合交通枢纽是目前国内最大的全地下综合性交通枢纽，其站房屋盖为贝壳形单层网壳结构，焊接箱形杆件呈空间双螺旋交织布置，为非规则的空间曲面造型，是目前国内跨度最大的单层网壳结构。建筑原方案由美国SOM公司提出，奥雅纳进行深化设计，铁道第三勘察设计院集团有限公司为本项目的总体设计单位。该工程现已进入装修阶段，计划今年年底前全部完工。
1 工程概况
京津城际延伸线于家堡综合交通枢纽位于于家堡中心商务区北端，该交通枢纽连接京津城际延伸线及多条地铁线，总建筑面积20余万m2，铁路车场设置于地下，车站规模包括3座岛式站台与6条到发线。新建站房最高聚集人数约2000人，远期每日旅客发送量达50000人次，高峰小时发送量约为5000人次。
该交通枢纽周边设置有出租车停车场、社会车停车场、公交中心及控制中心等一系列配套设施，从而形成一个庞大、便利的交通枢纽中心。于家堡综合交通枢纽整体效果图如图1所示。
图1 于家堡综合交通枢纽整体效果图
2 结构形式与布置
于家堡综合交通枢纽站房屋盖采用单层网壳结构，为非规则空间曲面造型，其外形为由正、反螺旋线编织而成的贝壳形双曲面（图2），网壳杆件由36组顺时针和逆时针的空间螺旋线交叉编织而成，杆件之间刚接。其屋面采用ETFE膜材。
图2 于家堡单层网壳三维效果图
网壳结构南北向跨度为144m，东西向跨度为81m，矢高为25m，内部无柱，其平面投影近似为半椭圆与半圆的组合，为单轴对称结构（图3）。
网壳南侧设主入口，东西两侧各设一个次入口，各入口门洞均为三角形样式，网壳顶部设较大的天窗。在屋盖顶部及底部设有环梁，以稳固整个空间网壳并有效地将屋盖荷载通过与底环梁相连的支座传递至地下。
图3 单层网壳结构体系
3 工程特点
于家堡单层网壳结构在很多方面实现了国内甚至世界上的突破和创新，具有其独有的工程特点：
(1) 跨度方面：于家堡单层网壳结构南北向跨度为144m，东西向跨度为81m，不仅超过了规范中对于单层网壳60m跨度的限值，属于超限结构，同时也是目前国内跨度最大的单层网壳结构。
(2) 建筑造型方面：于家堡单层网壳是一个非规则的空间曲面，并且根据仿生学原理，模仿贝壳造型，其建筑造型在世界上是独一无二的。
(3) 网格形式方面：于家堡单层网壳的网格（图4）是由从顶部延伸出的36组顺时针和逆时针的空间螺旋线交叉编织而成。网格为不规则的空间四边形，四个节点不在同一平面内，为非正交交叉梁结构体系，且各个网格的形状、大小无一相同。
图4 单层网壳网格结构
采用由螺旋线编织形成的不规则四边形的单层网壳在国内外应用不多，针对本站房的荷载传力路径进行了研究，各杆件对该点位移的贡献见图5。由图可知，由于该工程屋盖特殊的螺旋造型，其受力及传力路径不同于一般网格的屋盖。通过对该穹顶结构在各种荷载效应下的强度、稳定、变形等一系列分析，深入研究其杆件的合理分区，形成了当前螺旋线网格方案下的优化设计。
图5 站房钢屋盖传力体系研究
(4) 节点形式方面：由于于家堡单层网壳的螺旋交织网格，每个节点上的各个杆件均以不同角度相交，各个节点的形状也无一相同。考虑到上述情况，本工程采用十字隔板焊接节点（图6），首次将其应用在大跨度单层网壳中。这种节点完美地解决了本工程的“一个节点一种构造”的难题，成为工程的又一大特色。
(a) 有限元分析模型
(b) 节点试验构件
图6 十字隔板焊接节点
设计中选取受力较大节点，采用STRAND7软件进行了有限元分析。以构件的实际尺寸建立全三维有限元模型，单元类型全部以正六面体实体单元进行单元划分，并控制单元质量。分析表明，在静力荷载工况下，节点的区域应力远远小于构件屈服强度，具有较大的安全储备，满足设计需要。典型节点在最不利工况下的应力云图如图7所示。
图7典型节点不利荷载工况应力云图/MPa
(5) 杆件截面形式方面：传统的网壳多使用圆钢管作为杆件，而于家堡单层网壳使用焊接箱形截面钢管作为杆件，且为了保证网壳表面平滑、杆件连接顺畅、节点传力合理，同一螺旋线上的各杆件的空间定位随着螺旋线的发散而绕杆件轴线进行一定角度的旋转，网壳杆件扭转前后对比如图8所示。屋面较平缓处最大截面700（宽）×900（高），壁厚30mm；顶部最小截面400（宽）×600（高），壁厚20mm。
(a) 杆件扭转前
(b) 杆件扭转后
图8 网壳杆件扭转前后对比
(6) 杆件内力方面：由于于家堡单层网壳的螺旋交织网格，杆件除承受轴力外，还承受双向弯矩、双向剪力，同时由于单层网壳结构及荷载的非对称性，杆件还承受较大的扭矩。这对于构件设计，尤其是薄壁构件设计提出了又一个要求。
(7) 支座约束方面：由于于家堡单层网壳的跨度较大，且网壳的南侧坡度较陡而北侧较为平缓，部分支座的水平推力较大，甚至远大于相应支座的竖向反力。
在对比分析多种支座类型后，最终确定采用双支座模型（图9），即在网壳底环梁的底面和侧面各设置一个球形支座，侧面支座再锚固在混凝土牛腿上。两个球形支座的转动中心与底环梁形心重合，以保证双支座对网壳结构提供“铰接”约束的效果。
图9 网壳双支座模型
(8) 施工方法方面：于家堡单层网壳采用外围散拼+中部先散拼再整体提升的安装方案，该方案大量减少了高空作业。但是，中部整体提升区总质量高达900t，如此大吨位的整体提升也是本工程的一大特点。于家堡单层网壳施工现场见图10。
图10 于家堡单层网壳施工现场
更多内容详见《建筑结构》杂志两篇文章：
2014年7期（4月上）：《天津于家堡贝壳形超大跨度单层网壳结构设计关键技术》，作者：陈志华1，徐 皓1，王小盾1，刘红波1，宋长江2，高修建2；单位：1 天津大学建筑工程学院，2 铁道第三勘察设计院集团有限公司。
2012年10期：《天津于家堡交通枢纽大跨度单层网壳的设计与分析》，作者：何伟明1，宋长江2，杨 华1，马 瑾2，付宝亮1，高修建2，樊 珂1，吴 海1，熊朝晖1；单位：1 奥雅纳工程咨询(上海)有限公司北京分公司；2 铁道第三勘测设计院集团有限公司。
