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哈尔滨万达茂室内滑雪场结构设计难点解析

发布时间:2016年07月25日 12:29 来源:北京维拓时代建筑设计有限公司
摘要:

透过极具视觉冲击力和感染力的外观,其内部的结构构造和设计难度非常大,国家首席超限专家们定义为“大型复杂超限高层结构”。

哈尔滨万达茂室内滑雪场,建成后将成为全球最大的室内顶级滑雪场!总建筑面积约8.6万平米,其中雪面面积约6.4万平米,约是迪拜雪场的3倍,完胜迪拜顶级滑雪场成为全球最大。

透过极具视觉冲击力和感染力的外观,其内部的结构构造和设计难度非常大,国家首席超限专家们定义为“大型复杂超限高层结构”。

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下面我们一起到“冰舞鞋”的内部探索其结构奥妙吧!

1、超长超大跨度建筑

作为全球最大室内滑雪场,最大鞋长为487米(迪拜为400米),最大鞋宽为150米(迪拜为60米),属于超长超大跨度结构。

结构奥妙之一:为避免结构超长,将鞋体分为三段分别设计及制作,并与其周围的商业裙房脱开,简化结构受力的复杂性。也应了最近流行的网路佳句“ 复杂的事情简单做,你就是专家”。

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其中东区是三区中最为复杂和独特的部分,他是冰舞鞋隽秀的鞋跟!东区滑道层楼面结构仅由2根V型巨柱支撑,侧面大桁架及屋面结构均支撑在滑道层楼面上。巨型柱跟部中心尺寸 13.5米,楼面桁架结构中心线间距为10米,屋面桁架结构中心线间距为8米。

西区和中区为横向桁架,纵向框架的结构体系,上部钢结构可以看成无柱间支撑的门式刚架结构体系,下部混凝土为框架结构。

2、独特的流线造型

顺应滑雪功能的需要,她拥有异形流线的曲线造型。并运用超细鞋跟设计,形成一只有高度有风度极具魅力的冰舞鞋。但同时给结构设计带来极大的难点,质量中心和刚度中心距离较大,结构不稳定,受扭严重,成为扭转不规则体系。

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结构奥妙之二:通过调整巨柱位置,减小巨柱间距,来减小质量中心与刚度中心之间的距离,使偏心率由0.25减小为0.14,满足0.15的规范要求。这与高跟鞋品牌 Jimmy Choo 有异曲同工之处,都是“穿着不会痛的高跟鞋”。

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3、最高单层大跨度建筑

总建筑高度为 119.66米,单鞋跟的高度就有87米,总高超过了“神舟十号”飞船和火箭总装厂房的 93.5米,相当于40层大楼的高度,戴上了亚洲最高的单层建筑的桂冠。这种特殊类型的高层建筑给结构设计和安装带来了极大的困难。

首先,雪道最大高差达到了87米,两侧水平刚度差异很大,117 米超长雪道楼面存在近30度的倾角,楼板设计难度很大。

结构奥妙之三:通过 Midas Gen 通用有限元程序对楼板进行应力仿真模拟和分析,在重力荷载作用下,楼面板和楼面梁不仅存在弯矩引起的平面外拉应力,还存在较大的平面内拉应力,为此楼板增设配筋抵抗这部分拉应力。这让我想起穿高跟鞋久了脚会有种隐隐的拉痛感,你有木有呢。。。

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第二,结构总用钢量约为4.2万吨,超过鸟巢的用钢量,高空安装如此异形的庞然大物确实难度也很大,安装方法和安装顺序也尤为重要!现场启动1000吨的履带吊进行吊装。

结构奥妙之四:通过 Midas Gen 程序仿真模块施工模拟分析。

考虑安装过程中的结构形态和受力状态的变化,施工加载和卸载的变化,结合施工经验,经过反复评审和论证,最终斜筒柱(鞋跟)和主桁架(鞋底)采取单片吊装方式进行安装,东区屋面(脚踝处鞋面)采用累积滑移施工方法进行安装,西区屋面(脚尖处鞋面)采用整体提升施工方法进行安装。现主体结构已经全部安装完毕。

4、基础设计

“冰舞鞋”的基础设计存在一系列非常规问题,结构不规则引起的各区域各部位反力不均,巨型框架柱(鞋跟处)支座反力集中,超大跨度基础抗水平力问题等。

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结构奥妙之五:因地制宜,因地布桩。结合当地经验,对各种桩型的特点进行研究,最后不同区域分别采用400直径管桩(PHC),600 直径的超流态灌注桩,1000直径后压浆灌注桩,既满足结构安全又节约工程造价。

结构奥妙之六:利用变刚度调平理论,使布桩中心和荷载中心尽量重合,尽量减小基础偏心。筏板基础代替独立柱基础,减小应力集中。

结构奥妙之七:结合不同部位的不同特点,分别运用抗水平力桩及水平拉梁抵抗和平衡水平力。

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5、异形超常规节点设计

大跨度钢结构一般用于屋面设计,用于楼面的并不常见,而冰舞鞋的雪面荷载为常规楼面荷载的4倍,属于重载大跨度结构。结构构件尺寸及节点尺寸超大,而且种类繁多,关键节点多达二十余种,空间关系复杂,节点受力大,且无规范可依。

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结构奥妙之八:楼面桁架节点采用栓焊组合连接。既确保了低温下钢结构连接的安全,又降低构件空间布局难度,增大操作空间,减轻节点重量,降低成本,且有利于保证施工进度和质量。

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结构奥妙之九:根据节点的连接形式,对杆件截面进行优化。部分楼面层的H型钢优化为箱型截面,简化节点构造,便于施工,节约用钢量。

结构奥妙之十:通过 Midas Gen 和 ABAQUS 程序对关键复杂节点进行有限元分析,仿真模拟节点的受力和约束边界条件,得出节点区域各节点板块真实的应力状态,对节点优化或补强提供合理的建议,既保证了复杂节点的安全,又避免无依据的加强节点,减轻了节点重量,节约成本。

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6、复杂的室内功能及空间关系

“冰舞鞋”不仅仅有她华丽的外表,内部更是一番新天地!多条不同坡度等级、直弯道变化的雪道,最长雪道近 500 米;山顶设有餐厅、山坡设有咖啡厅,山下万米嬉雪乐园和童话城堡,与商业街开窗互动,再加之雪场内部索道、魔毯等运输设备与冷风机吹雪机等造雪设备,玲珑满目。复杂的标高关系,特殊的荷载要求,结构专业又是怎么样应对的呢。

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结构奥妙之十一:结构专业全程运用空间建模软件,空间计算软件,空间加工软件,并与Revit软件实现无缝对接,BIM 的运用不仅解决空间碰撞问题,为结构设计优化,施工模拟分析提供了强有力的平台。

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7、低温钢结构性能研究

“ 冰舞鞋 ” 生于美丽的冰城哈尔滨,哈尔滨冬季严寒,气温可下降到 -40℃,雪场的特殊功能使保温体系至于钢结构内侧,加之高强度钢材和厚钢板使钢结构脆性断裂问题尤其突出。研究低温下钢材性能及低温对钢材的影响势在必行。

结构奥妙之十二:依据欧洲规范标准,根据钢板厚度及环境温度对钢材强度进行不同程度的折减,并经过 Midas 程序计算,巨柱及楼面主桁架需要进行外保温处理,也就是说娇贵的“冰舞鞋跟”不可直接裸露在寒风中。

8、防倒塌分析

结构奥妙之十三:采用“拆除构件法”对西区跨中柱及东区巨柱进行防倒塌分析,并采取措施对结构进行防倒塌设计。

9、节能减材,绿色建筑

结构奥妙之十四:由单斜柱支撑优化为 V 型柱支撑,经计算,这次“冰鞋跟部”的优化共节约钢材1万吨,基础混凝土及预应力混凝土近1万吨。

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结构奥妙之十五:考虑二次结构实施的合理性和经济性,结合檩条的布置,并对主体结构进行优化,增加了少量局部主体结构杆件,使檩条跨度大幅减少,节约了大量的檩条用钢量,又减轻了结构本身自重,降低了二次结构的成本。

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结构奥妙之十六:在西区和中区沿纵向框架上下层之间设置粘滞阻尼器,形成良好的耗能机制,有效的减小了结构的变形,使重要结构构件“大震不坏”,抗震性能高于国家标准。同时,减小了构件的尺寸,节约了钢材。实现了结构设计上的绿色建筑,对节能减排有着十分重要的意义。

截至目前,这只隽秀的“冰舞鞋”主体结构已经施工完毕,室内游乐结构,屋面及墙面檩条等二次结构正在紧锣密鼓的施工中。

2017年8月将揭下那神秘的面纱,耀世开放。


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