2017年4月 首页 > 企业内刊

破解九大难题 拥抱冰雪飞起来

作者:商业规划院结构所 刘向阳 北京维拓时代建筑设计 冷冬梅

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。在这里可以体验窗外烈日炎炎,窗内白雪皑皑的神奇感受。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,下面带你一起解密。

窗外烈日炎炎,窗内白雪皑皑 。在哈尔滨万达茂室内滑雪场里可以亲身体验这种奇特的感受,这里常年保持适宜低温的高舒适性,满足我们随时和冰雪亲近的运动及娱乐需求,随时体验在雪上飞起来的感觉。

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。总建筑面积为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,建成后将完胜迪拜室内滑雪场成为全球第一。

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其为大型复杂超限高层结构

下面带你一起解密结构设计上的九大难点:

1.超长超大跨度建筑

作为全球最大室内滑雪场,最大长度为487米(迪拜室内滑雪场为400米),最大宽度为150米(迪拜室内滑雪场为60米),属于超长超大跨度结构。

为避免结构超长,结构设缝分成三个区域,并与其周围的商业裙房脱开,简化结构受力的复杂性。其中东区是三区中最为复杂和独特的部分,东区滑道层楼面结构仅由两根V形巨柱支撑,侧面大桁架及屋面结构均支撑在滑道层楼面上。巨型柱结构中心尺寸为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

为了飞起来的感觉,顺应滑雪功能的需要,雪场拥有异型流线的曲线造型。这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。结构设计通过调整巨柱位置,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。

3.最高单层大跨度建筑

总建筑高度为119.66米,单单V形支撑柱的高度就有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。其次,结构总用钢量约为4.2万吨,超过鸟巢的用钢量。

4.基础设计难度大

结构不规则引起的各区域各部位反力不均,巨型框架柱(V形柱)支座反力集中,超大跨度基础抗水平力问题等。

基础设计利用变刚度调平理论,使布桩中心和荷载中心趋向重合,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,并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。

抵抗和平衡水平力方式

5.异型超常规节点设计

大跨度钢结构一般用于屋面设计,用于楼面的并不常见,雪面荷载约为常规楼面荷载的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20余种,空间关系复杂,节点受力大,无规范可依。

节点设计通过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,又避免无依据地加强节点,节约成本。

 节点优化设计

6.复杂的室内功能及空间关系

滑雪场不仅仅有它华丽的外表,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,山下设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,结构专业又是怎样应对的呢?

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。

学道复杂空间关系

馆内娱雪项目

7.对抗低温 钢结构性能研究

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置于钢结构内侧,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。

8.防倒塌设计精细

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.节能减排 绿色建筑

首先,在方案阶段由单斜柱支撑优化为V形柱支撑,经计算,这次优化共节约钢材1万吨、基础混凝土及预应力混凝土近1万吨。

其次,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,有效地减小了结构变形,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。

目前,哈尔滨万达茂室内滑雪场已经进行首次造雪试验,2017年6月30日将耀世开放。这个夏天,让我们期待与冰雪结缘,体验飞一般的感觉。

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