2.1 结构整体设计研究

2.1.1 上部结构体系

上海天文馆主体建筑横向长 140m左右，纵向长 170m左右，结构最大高度 22.5m，局部突出屋顶设备间高度 26.5m。地下一层，较高一侧地上三层，局部有夹层，较低一侧地上一层。上部结构采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，局部采用钢结构和铝合金结构（图2-1）。上部结构主要由四部分组成，即大悬挑区域（图2-2）、倒转穹顶区域（图2-3）、球幕影院区域（图 2-4）及连接这三块区域之间的框架。其中大悬挑区域采用空间弧形钢桁架+楼屋面双向桁架结构，桁架结构支撑于两个钢筋混凝土核心筒上，倒转穹顶采用铝合金单层网壳结构，倒转穹顶支撑于“三脚架”顶部环梁上，“三脚架”结构采用清水混凝土立柱（内设空心薄壁钢管）和混凝土环梁，穹顶下方旋转步道支撑于“三脚架”立柱上。球幕影院区域球体采用钢结构单层网壳结构，球体内部结构采用钢框架结构，球体通过六个点支撑于曲面混凝土壳体结构上。大部分屋面为不上人屋面，采用轻质金属板屋面，局部上人屋面和楼面采用现浇混凝土楼板，局部采用闭口型压型钢板组合楼板。地下室顶板除球幕影院区域开大洞外，相对较完整，二层和三层楼面均有大面积缩减，如图2-5～图 2-8 所示。

由于较低一侧屋面为轻质金属屋面，结构为钢框架，结构刚度小，变形能力强，且其质量与整个上部结构相比不超过其 5%，因此整个结构采用无缝设计，但在构造上加强高低侧连接处立柱的配筋（图 2-9）。

2.1.2 主要部位结构布置

2.1.2.1 大悬挑区域

大悬挑区域所在位置如图 2-10 所示，悬挑区域采用钢结构体系，主要受力构件为支承于现浇钢筋混凝土筒体上的空间弧形桁架（尺寸见图 2-10）和楼屋面楼面双层网架，网架中心线厚度为 1.8m。为了保证荷载的传递，在混凝土筒体内设置钢骨（图 2-11）。考虑构造要求，核心筒墙厚度取 1 000mm。空间弧形桁架及大悬挑区域模型如图 2-12～图 2-15 所示。

2.1.2.2 倒转穹顶区域

倒转穹顶区域所在位置如图 2-16 所示，倒转穹顶采用铝合金单层网壳结构，穹顶支承于下部“三脚架”顶部的环梁上，穹顶下方旋转步道采用钢结构体系，步道支承于“三脚架”立柱上（图 2-17～图 2-21）。“三脚架”采用现浇钢筋混凝土结构，顶部环梁截面1 800mm×2 000mm（内置十字型型钢），下方环梁截面 1 200mm×1 800mm，且下方环梁位于立柱的外表面以外。北侧立柱截面为 5m×1.8m，南侧两根立柱截面为 7m×1.8m。为了减轻立柱的重量，同时简化旋转步道与立柱的连接构造，“三脚架”立柱采用内置直径1 200mm薄壁空心钢管，钢管在高度方向每隔 3m通过一水平横隔板连接在一起，外表面为清水混凝土，为了保证立柱底部水平力的传递，此范围基础底板加厚为 1 200mm。旋转步道宽度 3.25m，长度 178m，最大跨度 40m。

2.1.2.3 球幕影院区域

球幕影院区域所在位置如图 2-22 所示，球幕影院顶部球体采用钢结构单层网壳结构，其内部观众看台结构采用钢梁+组合楼板的结构形式（图 2-23 和图2-24）。球体底部支撑结构根据建筑效果要求采用混凝土壳体结构，并均匀设置加劲肋，壳体与钢结构球体之间设置钢筋混凝土环梁，环梁内设置钢骨（图 2-25）。球体结构通过六个点与混凝土环梁连接。