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“大鋼琴”——全球最大鋼結(jié)構(gòu)建筑紅色舞鞋萬達(dá)茂結(jié)構(gòu)分析

廣東建筑工業(yè)化展     2017-02-07     2675

 

 

來源:土木在線

 

萬達(dá)茂的是萬達(dá)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(dá)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(dá)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(jì)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(dá)茂的設(shè)計施工就格外引人好奇和關(guān)注。 

 



       哈爾濱萬達(dá)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。


 

 

 

 

1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)。

 

 

 

 

2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(xì)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(yán)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”。

 

 

 

 

3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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行安裝,東區(qū)屋面(腳踝處鞋面)采用累積滑移施工方法進(jìn)行安裝,西區(qū)屋面(腳尖處鞋面)采用整體提升施工方法進(jìn)行安裝?,F(xiàn)主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部安裝完畢。

 

 

 

 

4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(jìn)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。


 

 

 

 

5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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。


 

 

 

 

6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(biāo)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。

 

 

 

 

7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(yán)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(biāo)準(zhǔn),根據(jù)鋼板厚度及環(huán)境溫度對鋼材強度進(jìn)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(jìn)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。

 

 

 

 

8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(jìn)行防倒塌分析,并采取措施對結(jié)構(gòu)進(jìn)行防倒塌設(shè)計。

 

 

 

 

9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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。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。

      施工紀(jì)實(現(xiàn)場實拍高清大圖)


 

 



       2017年8月將揭下那神秘的面紗,耀世開放。

 

 
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