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    江苏快三近期开奖结果:汗水化成纷飞雪,笑语凝成天籁琴——哈尔滨万达滑雪场结构设计九大难点

    发布日期:2017-07-20 14:48:04       作者:刘向阳,冷冬梅       来源:本站原创

    快三走势图 www.39lhj.com 摘要

    建成后的哈尔滨万达室内滑雪场是世界上最大的室内滑雪场,结构设计难度大。文章从结构超长、造型独特、超长楼板、基础设计、异型节点、复杂空间、钢结构低温性能、防连续倒塌分析、结构优化等九个方面论述其设计难点,并给出解决方案。

    关键词:室内滑雪??;超长结构;超大跨度;低温;防连续倒塌分析

    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:

    哈尔滨万达茂室内滑雪场,总建筑面积为8.6万平米,其中雪面面积约6.4万平米,约是迪拜室内滑雪场的3倍,是全球最大的室内顶级滑雪场。

    “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,随时体验在雪上飞起来的感觉,满足我们娱雪亲雪的运动和娱乐需求。

    透过建筑物极具视觉冲击力和感染力的外观, 是体型巨大、构造复杂的结构构件,其设计难度之大,被国家著名结构专家们将其定义为“大型复杂超限高层结构”。

    下面将解析结构设计上的九大难点:

    图1  哈尔滨万达茂室内滑雪场现场实景图.jpg

    图1  哈尔滨万达茂室内滑雪场现场实景图(来源:作者)

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    图2  哈尔滨万达茂室内滑雪场内娱雪项目(来源:万达规划)

    1.超长超大跨度建筑

    哈尔滨万达茂室内滑雪场作为全球最大室内滑雪场,最大长度为487米(全球第二大室内滑雪场-迪拜室内滑雪场为400米),最大跨度为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,将滑雪场与其周围的商业裙房之间设置结构缝脱开;同时将滑雪场钢结构主体设置两道结构缝,分成东区、中区、西区三个区域:

    东区是三个区域中最为复杂和独特的部分,基本均为钢结构。其楼面结构由2根V型巨柱支撑;巨柱的顶部通过楼面桁架支撑着侧面大桁架及屋面结构。

    西区与中区上部的钢结构部分为横向桁架、纵向框架的结构体系,也可以看成无柱间支撑的门式刚架结构体系。西区与中区下部的混凝土部分为框架结构。

    通过设缝分区的措施既避免了结构超长,又简化了结构受力的复杂性。

    图3  哈尔滨万达茂室内滑雪场各段钢结构模型.png

    图3  哈尔滨万达茂室内滑雪场各段钢结构模型(来源:作者)

    2.流线造型的最高单层建筑

    哈尔滨万达茂室内滑雪场总建筑高度为119.66米,单单V型支撑柱的高度就有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,是名副其实的亚洲最高的单层建筑。为了满足滑雪功能的需要,雪场采用了流线型,这使得结构两端高差达到87m。

    以上造型给结构设计带来极大的困难:质量中心和刚度中心距离较大,结构不稳定,受扭严重,从而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,从而满足规范中偏心率不大于0.15的要求,为整体的结构设计提供了基本的保证。

    图4  结构优化前后对比图.png

    图4  结构优化前后对比图(来源:哈尔滨万达城滑雪场结构超限审查报告)

    3.超长的倾斜楼板

    滑雪场东区滑道部分的楼板长约177m、宽约113m,且东侧有25度倾角(如下图红色部分),为超长倾斜楼板,楼板拉应力远远超过混凝土的抗拉强度,楼板设计难度很大。

    设计时采取了楼板中设置变形缝措施,同时在楼板中施加了预应力,并采用Midas/ Gen[1]程序对楼板内力进行仿真分析,真实模拟楼板平面外和平面内的应力状态,根据计算结果分不同区域额外配置受拉钢筋,从而解决了超长倾斜楼板的设计问题。

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    图5  东区楼板示意图(来源:作者)

    4.基础设计难度大

    由于结构体系的不规则引起了各区域、各部位反力分布不均匀,巨型框架柱(V型柱)支座处反力集中。另外,建筑物体型高大,其上作用的风荷载和地震荷载等水平力均较大并都由基础承担,基础的设计难度较大。

    为此,基础设计中采用了变刚度调平理论:减少布桩中心和荷载中心二者之间的偏离,尽量使二者趋向重合。同时,采用了筏板基础代替独立柱基础,从而减小了应力集中。另外,结合不同部位的不同特点,分别运用了抗水平力桩和水平拉梁用以抵抗和平衡水平力。

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    图6  基础抵抗和平衡水平力方式(来源:作者)

    5.异形超常规节点设计

    大跨度钢结构一般用于屋面设计,像本工程这样用于大跨度楼面的工程并不常见。同时本工程的楼面荷载由于包含滑道荷载和雪面荷载,楼面荷载值约为常规楼面荷载的4倍,因此本工程成为重载大跨度结构,使得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,节点的设计无规范可依。

    本工程的节点设计通过Midas/Gen[1]和Abaqus[2]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,从而减轻了节点重量,节约成本。

    图7  节点优化设计(1).png

    图7  节点优化设计(2).png

    图7  节点优化设计(来源:作者) 

    6.复杂的室内功能及空间关系

    滑雪场不仅仅有华丽的外表,内部更有一番天地: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,山下设嬉雪乐园和童话城堡,与商业街互动,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。这些不同的功能空间所在的标高各不相同。

    图8   滑雪场内复杂空间关系.png

    图8   滑雪场内复杂空间关系(来源:作者)

    为解决复杂的空间功能和标高关系,结构专业全程运用了空间建模软件、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、优化结构设计,而且为施工模拟分析提供了强有力的平台。

    图9   Revit与其他软件无缝对接.png

    图9   Revit与其他软件无缝对接(来源:作者) 

    7.低温钢结构性能研究

    哈尔滨冬季严寒,气温可下降到-40℃,在这样的环境下高强度钢材和厚钢板结构的低温脆性断裂问题尤其突出。因此必须对低温下钢材的性能及低温对钢材的影响进行研究。

    设计人员对滑雪场外露钢结构构件在低温下的性能进行了欧洲规范《EN1993-1-10》的校核分析。经分析,按照欧洲规范要求,在-40度低温下,为了使所有杆件应力比满足要求,须对外露钢结构设置外保温,不可将钢结构构件暴露在严寒的室外环境中。本工程外露钢结构构件室外一侧采用了150mm厚玻璃棉保温,室内一侧采用了175mm厚冷库板(125mmPIR聚异三聚氰酸脂+50厚岩棉),做法见下图12所示。

    图10  外露钢结构构件保温做法.png

    图10  外露钢结构构件保温做法(来源:作者)

    8.防连续倒塌分析

    滑雪场体型庞大、结构复杂,为了保证结构体系的绝对安全,除了常规设计外,还进行了防连续倒塌设计,即:假设在某突发事件中,即使主要结构构件受损,结构体系也不会发生后续的连续倒塌,从而保证人员的安全。

    设计中采用“拆除构件法”,假设西区跨中柱及东区某一根巨柱破坏,进行防连续倒塌分析,并采取相应的防连续倒塌设计措施。

    分析表明:当东区的一根巨型格构柱整体失效时,结构不会发生连续的倒塌,经过维修后可继续使用。西区通过加强支撑在跨中柱上的桁架及其他有关结构构件,也能保证在跨中柱破坏的情况下,不会发生后续的连续倒塌。

    在设计中,东区加强了巨型格构柱构件、西区加强了跨中柱及通过跨中柱的桁架,从而保证了结构具有足够的安全储备,在突发的人为破坏使局部构件受损的情况下,结构不会发生连续倒塌。

    图11   防连续倒塌分析.png

    图11   防连续倒塌分析(来源:哈尔滨万达城滑雪场结构超限审查报告)

    9.节能减材,绿色建筑

    首先,在方案阶段将单斜柱支撑优化为V型柱支撑,经计算,这次优化共节约钢材1万吨,节约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。从而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。

    10.设计管控体会

    在本项目的设计与管控中主要有以下几点体会:

    (1)   提前制定管控标准

    项目初期,专门制定了针对滑雪场的各阶段设计的管控要点以及设计出图标准,设计院据此落实全面的结构设计统一技术措施,为后续各阶段设计图明确了重点、提供了标准,从而提高了设计效率,规避了设计风险。

    (2)   特设提资尽早介入

    室内滑雪场工艺流程特殊,专业工艺厂家和运营部门提前介入、实时配合,为结构专业明确预留特殊的荷载和条件(如雪车检修平台、雪车缆绳吊点等),同时也为建筑专业的特殊做法提供了技术支持,减少了各种不确定性。

    对于荷载有特殊要求的区域,如嬉雪区、主题包装,其设计荷载必须留足,这样可以应对建筑方案的各种调整,结构基础及楼层梁板不必大量拆改、加固,同时也为了后期运营中方案调整提供了更大的灵活性。

    (3)   结构优化效益可观

    本项目体量庞大、结构复杂,结构材料用量更是巨大,正因如此,某些不引人注目的结构优化,就会收到可观的经济效益。通过不同方案的大量分析优化,采用了单斜柱优化为V型柱、调整巨型钢框架柱的平面位置、增加东侧悬挑、增加粘滞阻尼器、增加西侧跨中柱……等等措施,使得结构体型更加合理、受力更加均匀,从而节省了建筑材料、降低了建筑成本。仅单斜柱改为V型柱一项,即减少成本一个亿!

    哈尔滨滑雪场的结构优化经验在后续的广州滑雪场中也得到了大量采用,同样取得了明显的经济效益。

    (4)   加强专业配合协调

    室内滑雪场涉及的专业多,加强各专业间的配合协调十分重要。其中很重要的工作就是组织相关单位进行分阶段合图工作,如幕墙与主体结构、包装与主体结构、内装与主体结构等,过程中将很多涉及专业交叉问题及时解决,如:索道摇摆15度包络面1.5m范围内不可设置任何结构构件;滑雪场下挂马道应做管线综合,预留检修人员行走空间;马道伸跨伸缩缝处栏杆及钢板应断开,做可伸缩节点;滑雪场内部基础,应考虑断冷桥处理;等等……

    11.结语

    哈尔滨万达室内滑雪场,作为世界上最大的室内滑雪场,技术复杂、结构设计难度大。通过参建各方及相关社会资源的共同努力,于2017年6月30日精彩开业。

    通过大量研究、分析,对超长、复杂体型结构的处理,超长楼板、复杂基础、异型节点的设计,BIM在复杂空间结构中的应用,以及低温下的钢材性能、防连续倒塌分析、结构优化等等都形成了一整套的技术措施,不仅顺利完成了哈尔滨万达城室内滑雪场项目,而且为类似的复杂结构的设计与管控提供借鉴,为未来开发体育业态等大型复杂公建项目积累了宝贵的经验。


    注释:

    [1] Midas/ Gen —建筑结构通用有限元分析和设计软件,韩国MIDAS IT开发

    [2] Abaqus—工程模拟有限元软件,美国HKS开发。

     

    参考文献:

    [1] 王元清,周晖,胡宗文,石永久,陈宏  钢结构厚板力学性能的低温试验研究 土木建筑与环境工程,2011,33(5)7-12

    [2] 王文渊,张松,张同亿,姜孝林,李仕全  神农大剧院钢结构节点设计与研究【J】 建筑结构.2013,43(3):16-20

    [3]  练贤荣,黄俊海,王卫忠  某工程的楼板应力分析【J】建筑结构,2001,41:658-660


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