首頁 > 學術論壇 > 學術成果 > 劉向陽

汗水化成紛飛雪,笑語凝成天籟琴——哈爾濱萬達滑雪場結構設計九大難點

發布日期:2017-07-20 14:48:04       作者:劉向陽,冷冬梅       來源:本站原創

摘要

建成后的哈爾濱萬達室內滑雪場是世界上最大的室內滑雪場,結構設計難度大。文章從結構超長、造型獨特、超長樓板、基礎設計、異型節點、復雜空間、鋼結構低溫性能、防連續倒塌分析、結構優化等九個方面論述其設計難點,并給出解決方案。

關鍵詞:室內滑雪場;超長結構;超大跨度;低溫;防連續倒塌分析

ABSTRACT

The completed Harbin Wanda Indoor Ski Park is the world's largest indoor ski field. There are many structural design difficulties,such as: super long structure, particular shape, super long floor slab, foundation designing, special-shaped joints, complex space, steel low temperature property, anti-progressive collapse analysis, structural optimization. This paper will introduce its design difficulties from nine aspects, and give solutions.

KEY WORDS:Indoor ski park; super long structure; super long span; low temperature; anti-progressive collapse analysis

引言:

哈爾濱萬達茂室內滑雪場,總建筑面積為8.6萬平米,其中雪面面積約6.4萬平米,約是迪拜室內滑雪場的3倍,是全球最大的室內頂級滑雪場。

“窗外烈日炎炎,窗內白雪皚皚”,在哈爾濱萬達茂室內滑雪場里可以親身體驗這種奇特的感受,這里常年保持適宜低溫的高舒適性,隨時體驗在雪上飛起來的感覺,滿足我們娛雪親雪的運動和娛樂需求。

透過建筑物極具視覺沖擊力和感染力的外觀, 是體型巨大、構造復雜的結構構件,其設計難度之大,被國家著名結構專家們將其定義為“大型復雜超限高層結構”。

下面將解析結構設計上的九大難點:

圖1  哈爾濱萬達茂室內滑雪場現場實景圖.jpg

圖1  哈爾濱萬達茂室內滑雪場現場實景圖(來源:作者)

圖2  哈爾濱萬達茂室內滑雪場內娛雪項目.jpg

圖2  哈爾濱萬達茂室內滑雪場內娛雪項目(來源:萬達規劃)

1.超長超大跨度建筑

哈爾濱萬達茂室內滑雪場作為全球最大室內滑雪場,最大長度為487米(全球第二大室內滑雪場-迪拜室內滑雪場為400米),最大跨度為150米(迪拜室內滑雪場為60米),屬于超長超大跨度結構。

為避免結構超長,將滑雪場與其周圍的商業裙房之間設置結構縫脫開;同時將滑雪場鋼結構主體設置兩道結構縫,分成東區、中區、西區三個區域:

東區是三個區域中最為復雜和獨特的部分,基本均為鋼結構。其樓面結構由2根V型巨柱支撐;巨柱的頂部通過樓面桁架支撐著側面大桁架及屋面結構。

西區與中區上部的鋼結構部分為橫向桁架、縱向框架的結構體系,也可以看成無柱間支撐的門式剛架結構體系。西區與中區下部的混凝土部分為框架結構。

通過設縫分區的措施既避免了結構超長,又簡化了結構受力的復雜性。

圖3  哈爾濱萬達茂室內滑雪場各段鋼結構模型.png

圖3  哈爾濱萬達茂室內滑雪場各段鋼結構模型(來源:作者)

2.流線造型的最高單層建筑

哈爾濱萬達茂室內滑雪場總建筑高度為119.66米,單單V型支撐柱的高度就有87米,總高超過了“神舟十號”飛船和火箭總裝廠房的93.5米,相當于40層大樓的高度,是名副其實的亞洲最高的單層建筑。為了滿足滑雪功能的需要,雪場采用了流線型,這使得結構兩端高差達到87m。

以上造型給結構設計帶來極大的困難:質量中心和剛度中心距離較大,結構不穩定,受扭嚴重,從而成為扭轉不規則體系。

結構設計通過調整巨柱位置、減小巨柱間距,來減小質量中心與剛度中心之間的距離,使偏心率由0.25減小為0.14,從而滿足規范中偏心率不大于0.15的要求,為整體的結構設計提供了基本的保證。

圖4  結構優化前后對比圖.png

圖4  結構優化前后對比圖(來源:哈爾濱萬達城滑雪場結構超限審查報告)

3.超長的傾斜樓板

滑雪場東區滑道部分的樓板長約177m、寬約113m,且東側有25度傾角(如下圖紅色部分),為超長傾斜樓板,樓板拉應力遠遠超過混凝土的抗拉強度,樓板設計難度很大。

設計時采取了樓板中設置變形縫措施,同時在樓板中施加了預應力,并采用Midas/ Gen[1]程序對樓板內力進行仿真分析,真實模擬樓板平面外和平面內的應力狀態,根據計算結果分不同區域額外配置受拉鋼筋,從而解決了超長傾斜樓板的設計問題。

圖5  東區樓板示意圖.png

圖5  東區樓板示意圖(來源:作者)

4.基礎設計難度大

由于結構體系的不規則引起了各區域、各部位反力分布不均勻,巨型框架柱(V型柱)支座處反力集中。另外,建筑物體型高大,其上作用的風荷載和地震荷載等水平力均較大并都由基礎承擔,基礎的設計難度較大。

為此,基礎設計中采用了變剛度調平理論:減少布樁中心和荷載中心二者之間的偏離,盡量使二者趨向重合。同時,采用了筏板基礎代替獨立柱基礎,從而減小了應力集中。另外,結合不同部位的不同特點,分別運用了抗水平力樁和水平拉梁用以抵抗和平衡水平力。

圖6.jpg

圖6  基礎抵抗和平衡水平力方式(來源:作者)

5.異形超常規節點設計

大跨度鋼結構一般用于屋面設計,像本工程這樣用于大跨度樓面的工程并不常見。同時本工程的樓面荷載由于包含滑道荷載和雪面荷載,樓面荷載值約為常規樓面荷載的4倍,因此本工程成為重載大跨度結構,使得結構構件尺寸及節點尺寸超大,而且種類繁多,關鍵節點多達二十余種,空間關系復雜,節點受力大,節點的設計無規范可依。

本工程的節點設計通過Midas/Gen[1]和Abaqus[2]程序對關鍵復雜節點進行有限元分析,仿真模擬節點的受力和約束邊界條件,得出節點區域各節點板真實的應力狀態,對節點優化或補強提供合理的建議,既保證了復雜節 點的安全,又避免無依據地加強節點,從而減輕了節點重量,節約成本。

圖7  節點優化設計(1).png

圖7  節點優化設計(2).png

圖7  節點優化設計(來源:作者) 

6.復雜的室內功能及空間關系

滑雪場不僅僅有華麗的外表,內部更有一番天地:多條不同坡度等級、直彎道變化的雪道,最長雪道近500米;山頂設有餐廳、山坡設有咖啡廳,山下設嬉雪樂園和童話城堡,與商業街互動,再加之雪場內部索道、魔毯等運輸設備與冷風機吹雪機等造雪設備,玲瓏滿目。這些不同的功能空間所在的標高各不相同。

圖8   滑雪場內復雜空間關系.png

圖8   滑雪場內復雜空間關系(來源:作者)

為解決復雜的空間功能和標高關系,結構專業全程運用了空間建模軟件、空間計算軟件、空間加工軟件,并與Revit軟件實現無縫對接;BIM的運用不僅解決空間碰撞問題、優化結構設計,而且為施工模擬分析提供了強有力的平臺。

圖9   Revit與其他軟件無縫對接.png

圖9   Revit與其他軟件無縫對接(來源:作者) 

7.低溫鋼結構性能研究

哈爾濱冬季嚴寒,氣溫可下降到-40℃,在這樣的環境下高強度鋼材和厚鋼板結構的低溫脆性斷裂問題尤其突出。因此必須對低溫下鋼材的性能及低溫對鋼材的影響進行研究。

設計人員對滑雪場外露鋼結構構件在低溫下的性能進行了歐洲規范《EN1993-1-10》的校核分析。經分析,按照歐洲規范要求,在-40度低溫下,為了使所有桿件應力比滿足要求,須對外露鋼結構設置外保溫,不可將鋼結構構件暴露在嚴寒的室外環境中。本工程外露鋼結構構件室外一側采用了150mm厚玻璃棉保溫,室內一側采用了175mm厚冷庫板(125mmPIR聚異三聚氰酸脂+50厚巖棉),做法見下圖12所示。

圖10  外露鋼結構構件保溫做法.png

圖10  外露鋼結構構件保溫做法(來源:作者)

8.防連續倒塌分析

滑雪場體型龐大、結構復雜,為了保證結構體系的絕對安全,除了常規設計外,還進行了防連續倒塌設計,即:假設在某突發事件中,即使主要結構構件受損,結構體系也不會發生后續的連續倒塌,從而保證人員的安全。

設計中采用“拆除構件法”,假設西區跨中柱及東區某一根巨柱破壞,進行防連續倒塌分析,并采取相應的防連續倒塌設計措施。

分析表明:當東區的一根巨型格構柱整體失效時,結構不會發生連續的倒塌,經過維修后可繼續使用。西區通過加強支撐在跨中柱上的桁架及其他有關結構構件,也能保證在跨中柱破壞的情況下,不會發生后續的連續倒塌。

在設計中,東區加強了巨型格構柱構件、西區加強了跨中柱及通過跨中柱的桁架,從而保證了結構具有足夠的安全儲備,在突發的人為破壞使局部構件受損的情況下,結構不會發生連續倒塌。

圖11   防連續倒塌分析.png

圖11   防連續倒塌分析(來源:哈爾濱萬達城滑雪場結構超限審查報告)

9.節能減材,綠色建筑

首先,在方案階段將單斜柱支撐優化為V型柱支撐,經計算,這次優化共節約鋼材1萬噸,節約基礎混凝土及預應力混凝土近1萬噸。

其次,在西區和中區沿縱向框架上下層之間設置粘滯阻尼器,形成良好的耗能機制,有效地減小了結構的變形,使重要結構構件“大震不壞”,抗震性能高于國家標準。同時,減小了構件的尺寸,節約了鋼材。從而實現了結構設計上的綠色建筑,對節能減排有著十分重要的意義。

10.設計管控體會

在本項目的設計與管控中主要有以下幾點體會:

(1)   提前制定管控標準

項目初期,專門制定了針對滑雪場的各階段設計的管控要點以及設計出圖標準,設計院據此落實全面的結構設計統一技術措施,為后續各階段設計圖明確了重點、提供了標準,從而提高了設計效率,規避了設計風險。

(2)   特設提資盡早介入

室內滑雪場工藝流程特殊,專業工藝廠家和運營部門提前介入、實時配合,為結構專業明確預留特殊的荷載和條件(如雪車檢修平臺、雪車纜繩吊點等),同時也為建筑專業的特殊做法提供了技術支持,減少了各種不確定性。

對于荷載有特殊要求的區域,如嬉雪區、主題包裝,其設計荷載必須留足,這樣可以應對建筑方案的各種調整,結構基礎及樓層梁板不必大量拆改、加固,同時也為了后期運營中方案調整提供了更大的靈活性。

(3)   結構優化效益可觀

本項目體量龐大、結構復雜,結構材料用量更是巨大,正因如此,某些不引人注目的結構優化,就會收到可觀的經濟效益。通過不同方案的大量分析優化,采用了單斜柱優化為V型柱、調整巨型鋼框架柱的平面位置、增加東側懸挑、增加粘滯阻尼器、增加西側跨中柱……等等措施,使得結構體型更加合理、受力更加均勻,從而節省了建筑材料、降低了建筑成本。僅單斜柱改為V型柱一項,即減少成本一個億!

哈爾濱滑雪場的結構優化經驗在后續的廣州滑雪場中也得到了大量采用,同樣取得了明顯的經濟效益。

(4)   加強專業配合協調

室內滑雪場涉及的專業多,加強各專業間的配合協調十分重要。其中很重要的工作就是組織相關單位進行分階段合圖工作,如幕墻與主體結構、包裝與主體結構、內裝與主體結構等,過程中將很多涉及專業交叉問題及時解決,如:索道搖擺15度包絡面1.5m范圍內不可設置任何結構構件;滑雪場下掛馬道應做管線綜合,預留檢修人員行走空間;馬道伸跨伸縮縫處欄桿及鋼板應斷開,做可伸縮節點;滑雪場內部基礎,應考慮斷冷橋處理;等等……

11.結語

哈爾濱萬達室內滑雪場,作為世界上最大的室內滑雪場,技術復雜、結構設計難度大。通過參建各方及相關社會資源的共同努力,于2017年6月30日精彩開業。

通過大量研究、分析,對超長、復雜體型結構的處理,超長樓板、復雜基礎、異型節點的設計,BIM在復雜空間結構中的應用,以及低溫下的鋼材性能、防連續倒塌分析、結構優化等等都形成了一整套的技術措施,不僅順利完成了哈爾濱萬達城室內滑雪場項目,而且為類似的復雜結構的設計與管控提供借鑒,為未來開發體育業態等大型復雜公建項目積累了寶貴的經驗。


注釋:

[1] Midas/ Gen —建筑結構通用有限元分析和設計軟件,韓國MIDAS IT開發

[2] Abaqus—工程模擬有限元軟件,美國HKS開發。

 

參考文獻:

[1] 王元清,周暉,胡宗文,石永久,陳宏  鋼結構厚板力學性能的低溫試驗研究 土木建筑與環境工程,2011,33(5)7-12

[2] 王文淵,張松,張同億,姜孝林,李仕全  神農大劇院鋼結構節點設計與研究【J】 建筑結構.2013,43(3):16-20

[3]  練賢榮,黃俊海,王衛忠  某工程的樓板應力分析【J】建筑結構,2001,41:658-660


萬達商業規劃系統官方網站 ? 2010-2020 WANDA 版權所有 京ICP備11034290號 信息產業部備案管理系統
猎鱼达人3d输了多少