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鋼結(jié)構(gòu) | 全球最大鋼結(jié)構(gòu)建筑紅色舞鞋萬達茂結(jié)構(gòu)分析

廣東建筑工業(yè)化展 2017-12-19 1230

哈爾濱萬達茂室內(nèi)滑雪場是萬達集團迄今單體用鋼量最大的工程，且位于高寒地區(qū)。用鋼量超越了國家大劇院和鳥巢體育場，是全球最大的通過雪承載實驗和風(fēng)洞試驗的鋼結(jié)構(gòu)建筑。萬達茂的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計上同樣延請中國國際體育場“鳥巢”的設(shè)計公司，堪稱奧運級別。萬達茂長度487米，最大跨度151米，最高高度117.2米，室內(nèi)凈高40米，用鋼量約3.5萬噸，創(chuàng)造多項世界紀錄，屬超限、超高、超大、超重結(jié)構(gòu)，典型的大跨度空間重型鋼結(jié)構(gòu)工程，建筑體量堪比鳥巢，施工難度國內(nèi)罕見，所以萬達茂的設(shè)計施工就格外引人好奇和關(guān)注。

哈爾濱萬達茂室內(nèi)滑雪場，建成后將成為全球最大的室內(nèi)頂級滑雪場！總建筑面積約8.6萬平米，其中雪面面積約6.4萬平米，約是迪拜雪場的3倍，完勝迪拜頂級滑雪場成為全球最大。

超長超大跨度建筑

作為全球最大室內(nèi)滑雪場，最大鞋長為487米（迪拜為400米），最大鞋寬為150米（迪拜為60米），屬于超長超大跨度結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)奧妙之一：為避免結(jié)構(gòu)超長，將鞋體分為三段分別設(shè)計及制作，并與其周圍的商業(yè)裙房脫開，簡化結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性。也應(yīng)了最近流行的網(wǎng)路佳句“ 復(fù)雜的事情簡單做，你就是專家”。

其中東區(qū)是三區(qū)中最為復(fù)雜和獨特的部分，他是冰舞鞋雋秀的鞋跟！東區(qū)滑道層樓面結(jié)構(gòu)僅由２根Ｖ型巨柱支撐，側(cè)面大桁架及屋面結(jié)構(gòu)均支撐在滑道層樓面上。巨型柱跟部中心尺寸 13.5米，樓面桁架結(jié)構(gòu)中心線間距為10米，屋面桁架結(jié)構(gòu)中心線間距為8米。

西區(qū)和中區(qū)為橫向桁架，縱向框架的結(jié)構(gòu)體系，上部鋼結(jié)構(gòu)可以看成無柱間支撐的門式剛架結(jié)構(gòu)體系，下部混凝土為框架結(jié)構(gòu)。

獨特的流線造型

順應(yīng)滑雪功能的需要，她擁有異形流線的曲線造型。并運用超細鞋跟設(shè)計，形成一只有高度有風(fēng)度極具魅力的冰舞鞋。但同時給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來極大的難點，質(zhì)量中心和剛度中心距離較大，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，受扭嚴重，成為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則體系。

結(jié)構(gòu)奧妙之二：通過調(diào)整巨柱位置,減小巨柱間距，來減小質(zhì)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，滿足0.15的規(guī)范要求。這與高跟鞋品牌 Jimmy Choo 有異曲同工之處，都是“穿著不會痛的高跟鞋”。

最高單層大跨度建筑

總建筑高度為 119.66米，單鞋跟的高度就有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(dāng)于40層大樓的高度，戴上了亞洲最高的單層建筑的桂冠。這種特殊類型的高層建筑給結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝帶來了極大的困難。

首先，雪道最大高差達到了87米，兩側(cè)水平剛度差異很大，117 米超長雪道樓面存在近30度的傾角，樓板設(shè)計難度很大。

結(jié)構(gòu)奧妙之三：通過 Midas Gen 通用有限元程序?qū)前暹M行應(yīng)力仿真模擬和分析，在重力荷載作用下，樓面板和樓面梁不僅存在彎矩引起的平面外拉應(yīng)力，還存在較大的平面內(nèi)拉應(yīng)力，為此樓板增設(shè)配筋抵抗這部分拉應(yīng)力。

第二，結(jié)構(gòu)總用鋼量約為4.2萬噸，超過鳥巢的用鋼量，高空安裝如此異形的龐然大物確實難度也很大，安裝方法和安裝順序也尤為重要！現(xiàn)場啟動1000噸的履帶吊進行吊裝。

結(jié)構(gòu)奧妙之四：通過 Midas Gen 程序仿真模塊施工模擬分析。

考慮安裝過程中的結(jié)構(gòu)形態(tài)和受力狀態(tài)的變化，施工加載和卸載的變化，結(jié)合施工經(jīng)驗，經(jīng)過反復(fù)評審和論證，最終斜筒柱（鞋跟）和主桁架（鞋底）采取單片吊裝方式進行安裝，東區(qū)屋面（腳踝處鞋面）采用累積滑移施工方法進行安裝，西區(qū)屋面（腳尖處鞋面）采用整體提升施工方法進行安裝。現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部安裝完畢。

基礎(chǔ)設(shè)計

“冰舞鞋”的基礎(chǔ)設(shè)計存在一系列非常規(guī)問題，結(jié)構(gòu)不規(guī)則引起的各區(qū)域各部位反力不均，巨型框架柱（鞋跟處）支座反力集中，超大跨度基礎(chǔ)抗水平力問題等。

結(jié)構(gòu)奧妙之五：因地制宜，因地布樁。結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，對各種樁型的特點進行研究，最后不同區(qū)域分別采用400直徑管樁（PHC），600 直徑的超流態(tài)灌注樁，1000直徑后壓漿灌注樁，既滿足結(jié)構(gòu)安全又節(jié)約工程造價。

結(jié)構(gòu)奧妙之六：利用變剛度調(diào)平理論，使布樁中心和荷載中心盡量重合，盡量減小基礎(chǔ)偏心。筏板基礎(chǔ)代替獨立柱基礎(chǔ)，減小應(yīng)力集中。

結(jié)構(gòu)奧妙之七：結(jié)合不同部位的不同特點，分別運用抗水平力樁及水平拉梁抵抗和平衡水平力。

異形超常規(guī)節(jié)點設(shè)計

大跨度鋼結(jié)構(gòu)一般用于屋面設(shè)計，用于樓面的并不常見，而冰舞鞋的雪面荷載為常規(guī)樓面荷載的4倍，屬于重載大跨度結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及節(jié)點尺寸超大，而且種類繁多，關(guān)鍵節(jié)點多達二十余種，空間關(guān)系復(fù)雜，節(jié)點受力大，且無規(guī)范可依。

結(jié)構(gòu)奧妙之八：樓面桁架節(jié)點采用栓焊組合連接。既確保了低溫下鋼結(jié)構(gòu)連接的安全,又降低構(gòu)件空間布局難度，增大操作空間，減輕節(jié)點重量，降低成本，且有利于保證施工進度和質(zhì)量。

結(jié)構(gòu)奧妙之九：根據(jù)節(jié)點的連接形式，對桿件截面進行優(yōu)化。部分樓面層的H型鋼優(yōu)化為箱型截面，簡化節(jié)點構(gòu)造，便于施工，節(jié)約用鋼量。

結(jié)構(gòu)奧妙之十：通過 Midas Gen 和 ABAQUS 程序?qū)﹃P(guān)鍵復(fù)雜節(jié)點進行有限元分析，仿真模擬節(jié)點的受力和約束邊界條件，得出節(jié)點區(qū)域各節(jié)點板塊真實的應(yīng)力狀態(tài)，對節(jié)點優(yōu)化或補強提供合理的建議，既保證了復(fù)雜節(jié)點的安全，又避免無依據(jù)的加強節(jié)點，減輕了節(jié)點重量，節(jié)約成本。

復(fù)雜的室內(nèi)功能及空間關(guān)系

“冰舞鞋”不僅僅有她華麗的外表，內(nèi)部更是一番新天地！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(shè)有餐廳、山坡設(shè)有咖啡廳，山下萬米嬉雪樂園和童話城堡，與商業(yè)街開窗互動，再加之雪場內(nèi)部索道、魔毯等運輸設(shè)備與冷風(fēng)機吹雪機等造雪設(shè)備，玲瓏滿目。復(fù)雜的標高關(guān)系，特殊的荷載要求，結(jié)構(gòu)專業(yè)又是怎么樣應(yīng)對的呢。

結(jié)構(gòu)奧妙之十一：結(jié)構(gòu)專業(yè)全程運用空間建模軟件，空間計算軟件，空間加工軟件，并與Revit軟件實現(xiàn)無縫對接，BIM 的運用不僅解決空間碰撞問題，為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，施工模擬分析提供了強有力的平臺。

低溫鋼結(jié)構(gòu)性能研究

“ 冰舞鞋 ” 生于美麗的冰城哈爾濱，哈爾濱冬季嚴寒，氣溫可下降到 -40℃，雪場的特殊功能使保溫體系至于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，加之高強度鋼材和厚鋼板使鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂問題尤其突出。研究低溫下鋼材性能及低溫對鋼材的影響勢在必行。

結(jié)構(gòu)奧妙之十二：依據(jù)歐洲規(guī)范標準，根據(jù)鋼板厚度及環(huán)境溫度對鋼材強度進行不同程度的折減，并經(jīng)過 Midas 程序計算，巨柱及樓面主桁架需要進行外保溫處理，也就是說嬌貴的“冰舞鞋跟”不可直接裸露在寒風(fēng)中。

防倒塌分析

結(jié)構(gòu)奧妙之十三：采用“拆除構(gòu)件法”對西區(qū)跨中柱及東區(qū)巨柱進行防倒塌分析，并采取措施對結(jié)構(gòu)進行防倒塌設(shè)計。

節(jié)能減材綠色建筑

結(jié)構(gòu)奧妙之十四：由單斜柱支撐優(yōu)化為 V 型柱支撐，經(jīng)計算，這次“冰鞋跟部”的優(yōu)化共節(jié)約鋼材１萬噸，基礎(chǔ)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土近１萬噸。

結(jié)構(gòu)奧妙之十五：考慮二次結(jié)構(gòu)實施的合理性和經(jīng)濟性，結(jié)合檁條的布置，并對主體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，增加了少量局部主體結(jié)構(gòu)桿件，使檁條跨度大幅減少，節(jié)約了大量的檁條用鋼量，又減輕了結(jié)構(gòu)本身自重，降低了二次結(jié)構(gòu)的成本。

結(jié)構(gòu)奧妙之十六：在西區(qū)和中區(qū)沿縱向框架上下層之間設(shè)置粘滯阻尼器，形成良好的耗能機制，有效的減小了結(jié)構(gòu)的變形，使重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件“大震不壞”，抗震性能高于國家標準。同時，減小了構(gòu)件的尺寸，節(jié)約了鋼材。實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計上的綠色建筑，對節(jié)能減排有著十分重要的意義。

截至目前，這只雋秀的“冰舞鞋”主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完畢，室內(nèi)游樂結(jié)構(gòu)，屋面及墻面檁條等二次結(jié)構(gòu)正在緊鑼密鼓的施工中。

現(xiàn)場實拍高清大圖