摘要：近年来随着人们对文化旅游需求的持续增长，主题公园工程在土木工程界开始得到关注。与常规的结构设计相比，主题公园中建筑单体的结构设计具有特殊性。本文首先通过介绍主体-包装整体分析模型阐明了包装材料、包装结构和主体结构之间的关系，然后分别归纳总结了主题公园单体结构的主体结构设计特点和包装结构设计特点，最后展望了在主题公园建设中对新型结构技术应用的发展趋势。本文对主题公园单体结构设计进行了系统的总结分析，可以为结构工程师提供借鉴并促进我国土木工程界对主题公园工程研究工作的开展。
主题公园是根据某个特定的主题，采用现代科学技术和多层次活动设置方式，集诸多娱乐活动、休闲要素和服务接待设施于一体的现代旅游目的地。它是根据特定的主题创意，主要以文化复制、文化移植、文化陈列以及高新技术等手段、以虚拟环境塑造与园林环境为载体来迎合消费者的好奇心、以主题情节贯穿整个游乐项目的休闲娱乐活动空间[1]。最新调查显示，近年来人们在休闲娱乐中对主题公园的需求一直在持续增长[2]。作为旅游业创新发展的重要业态，建设主题公园可以应对社会对文化旅游的需求日益增长的形势，同时可以有效缓解旅游业对自然景观资源所带来的压力，从而促进旅游经济的可持续发展。其工程规模可以分为特大型、大型、中小型。
在满足建筑功能的前提下，典型的主题公园建筑单体通过主题包装和游乐设施为游客带来情景与环境的沉浸式娱乐体验。其中，主题包装应用文化符号或艺术手法呈现在建筑单体表面，其主题各异、形态各异，图1对此做出了举例说明。一个主题公园建筑单体的设计需要包装专业、游乐设施专业，建筑专业、结构专业、建筑设备专业等多专业人员之间的合作，其系统关联性对结构设计在常规技术的基础上提出了特殊的要求。因此，本文阐述了主题公园单体结构设计的特点，并且展望了其发展趋势。
02主体-包装整体分析模型
主题包装是主题公园中建筑单体的重要组成部分，分布于建筑单体的外立面以及室内主要迎客面。一般情况下，包装材料的自重及其所承担的外荷载首先通过连接件传递到包装次钢结构，包装次钢结构进一步通过可靠连接将内力传递至包装主钢结构，如图2所示。包装材料的种类主要包括主题雕塑砂浆(Theme Cement Plaster，简称TCP)、纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)、玻璃纤维增强混凝土(Glass-fiber Reinforced Concrete，简称 GRC)、聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene，简称 EPS)、仿真植物等。TCP 材料需要喷涂在钢筋网片上，然后进行雕刻施工，钢筋网片通过焊接固定在包装次钢结构之上[1]。由于FRP和GRC材料中的纤维可以承受一定的拉力，故可以将二者进行模块化加工并在其背面分布钢龙骨，然后采用连接件将龙骨装配在包装次钢结构之上。EPS材料则非常轻质，一般可以直接与包装次钢结构连接。根据包装专业的要求，次钢结构构件的长度(l1)，即包装材料与主钢结构构件之间的距离，一般可以在 0.3~1.5米之间；次钢结构构件之间的距离(l2)一般可以在0.6~0.8米之间；如图2所示。
包装次钢结构不参与结构整体分析计算，主要用于完成与主题包装造型一致的结构找形、支承包装材料并将力传递至包装主钢结构。故只需满足设计规范对构件内力、变形以及长细比的要求即可，一般由包装专业进行具体的深化设计并施工。而包装主钢结构需要参与结构整体分析计算，由结构专业负责。典型的主题公园单体结构整体分析模型如图3所示，包装主钢结构可以依附于主体混凝土结构或者主体钢结构。包装结构也可以根据造型特点独立于主体结构之外，并且单独设立基础。需要注意的是，在使用不同类型的结构计算设计软件时，必须采用相同的主体-包装整体分析模型，并保证结构布置、荷载条件和边界条件等一致，如图3所示。从而准确考虑主体结构与包装结构之间的相互影响，得到可靠、统一的结构计算结果。该结构同时也需要满足其它设计专业所提出的条件以及现行结构设计规范的要求。
基于主体-包装整体分析模型，主题公园单体的结构设计流程如图4所示。首先根据包装、游乐设施、建筑、设备提出的专业条件进行结构设计。但由于创意荷载的特殊性，本次结构设计所取用的创意荷载尚不能完全明确，一般为预估值。故在主题包装和游乐设施的条件更新之后，需要对原结构设计进行复核。如果结构复核不通过，后续工作需要根据结构是否已经施工，选择进行结构改造加固设计或者结构设计变更。因此相比于一般建筑的结构设计，主题公园建筑单体的结构设计相对复杂、设计周期长，对设计管理也提出了更高要求。
03主体结构设计特点
在常规结构设计的基础上，主题公园中建筑单体的主体结构设计具有以下特点：1）当包装钢结构支承于主体混凝土结构时，宜在支座处设置略高于建筑完成面的钢筋混凝土反墩，如图5所示。该措施可以方便包装钢结构的现场定位施工，能够使预埋件的锚筋避开钢筋较密的区域，还有利于实施简捷有效的建筑防水做法。2）为了满足主体-包装整体分析模型的计算条件，反墩应支承在混凝土梁或柱之上；当支座反力较小且不影响整体模型计算时，反墩也可以支承在混凝土板之上，并需要验算混凝土板的受冲切承载力。3）当包装钢结构的支撑构件落在主体混凝土结构的立面时，钢结构的埋件宜设置在主体混凝土梁或柱的侧面，尽量避免设置在建筑填充墙的侧面。4）当主题包装造型比较规则时，包装次钢结构可以直接与主体结构相连，从而省略包装主钢结构。5）主体结构需要满足对大型游乐设备吊装及安装的要求。6）当建筑填充墙表面具有较重的主题包装时，尚需验算墙体的稳定性。7）当部分主体结构与艺术相结合时，裸露的结构带有天然的美感，可以无需外包装包覆。
04包装结构设计特点
钢结构的良好施工性能可以较好地适应于主题包装复杂多变的形态，图6以大型假山为例对此做出举例说明。王波等[1]对主题公园中大型 TCP 假山的结构形式和施工工艺进行了研究，结果表明采用钢结构作为支撑结构可以使主题公园塑石假山具有较好的施工性能。在常规结构设计的基础上，包装主钢结构的设计具有以下特点：1）包装主钢结构需要结构工程师在主题包装三维模型里进行具体的结构布置，必须同时满足外包装的造型要求、包装次钢结构尺寸限制的要求、主体结构尺寸限制的要求、钢结构深化设计和加工制作的可行性要求以及结构受力合理的要求。2）包装钢结构通常位于室外，并且包装材料并不能对其提供足够的保护，故需结合当地的气温资料和钢结构合拢温度计算结构的温度作用效应，还需进行防腐设计。3）对于超长的包装钢结构，合理地设置温度缝可以有效减小温度作用的不利影响。4）包装钢结构宜充分利用主体结构对其所提供的支撑作用，这可以有效地节省用钢量。
05发展趋势
从20世纪80年代开始起步，随着文化旅游产业被列入“十三五”规划中的国民经济支柱性产业，我国的主题公园建设近年来呈加速发展的态势，并且成立了主题公园建设行业协会、编制了主题公园建设的标准和工法。“十四五”规划将继续推动我国文旅产业的建设。为了使游客保持对主题公园的新鲜感，主题包装和游乐设施需要定期更新换代。因此，根据主题公园建筑运营的特点，目前应大力推广装配式钢结构在主题公园建筑单体中进行应用。这不仅能够方便结构拆改、实现标准化设计，还符合绿色建筑和建筑工业化的发展理念。
在单体结构设计方面，主题公园建设也在顺应时代发展寻求创新的结构解决方案。例如在特殊的技术条件下，某主题公园中的城堡顶层采用无铁磁性的FRP材料完全代替钢材作为结构材料，如图 7 所示。此处的结构由FRP筋混凝土构件、FRP 管约束混凝土构件和FRP型材-混凝土组合构件组成。现行国家标准 GB 50608-2020《纤维增强复合材料工程应用技术标准》[3]对新型结构的设计方法进行了更新，可以适用于FRP在结构中应用的设计与施工。但是目前国内尚缺乏专用设计软件模块的支撑，在设计效率方面有待于进一步提升。另外，FRP作为结构材料还具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、便于施工等优点，可以有效延长结构的使用寿命、降低维护成本[4]。
改善已建主题公园建筑单体的结构现状以及对既有结构进行主题公园化的加固改造，也是目前行业的重要发展趋势。在加固设计方面同样需要寻求创新的加固解决方案。例如FRP网格-聚合物砂浆加固混凝土结构技术，其采用特制的锚固件将FRP网格固定于经过凿毛的混凝土结构表面，然后喷射或手工镘抹聚合物砂浆，使之与原混凝土一体化，形成共同受力的加固体系，如图8所示。与传统的FRP粘贴加固相比，FRP网格加固在防火性、耐久性和抗冲击性方面均得到明显提高[5-6]。该新型加固技术更加符合主题公园建筑单体的服役条件。
主题公园中建筑单体的围护结构也正在朝向高性能化发展，例如多功能一体化预制墙板的研发， 如图9所示。该墙板以FRP型材作为受力骨架，以酚醛泡沫填充作为建筑保温，并通过连接件固定主题包装造型层。此多功能一体化预制墙板可以满足耐火、保温、隔音、燃烧、气密、水密、抗风压等建筑相关性能的要求，同时具有良好的结构受力性能[7-8]。该墙板的应用很大程度地提高了围护结构的隔热保温效果和材料利用率，还具有节省建筑空间、对环境友好、施工便捷等诸多优势，具有较好的市场发展潜力。
为了提高主题公园建筑单体结构设计的效率，目前应开发专用的结构设计软件或者软件插件。在专用软件中，结构工程师可以在结构三维模型中插入主题包装和游乐设施的三维模型，以便随时检查碰撞，从而省去导入其它软件进行校核的过程。另外，研发主题公园单体结构的智能化设计，达到参数化批量出图的标准，也是该领域的重要发展方向。
06结语
随着我国城乡居民生活水平的提高，近年来出现了大量主题公园工程。主题公园中建筑单体的结构是包装材料、包装结构和主体结构组合而成的有机整体，相应的结构设计工作具有值得注意的特点。故本文首先介绍了主题公园单体结构的主体-包装整体分析模型，然后分别阐明了主体结构设计特点和包装结构设计特点，最后展望了在主题公园建设中对新型结构技术应用的发展趋势。本文旨在为结构工程师在进行主题公园单体结构设计时提供借鉴并促进我国土木工程界对主题公园工程研究工作的开展。