红色冰舞鞋的钢骨柔情--解密万达茂结构设计

她，线条优美，动感十足，

 

却不失雄浑和力量！

 

她，传闻是一只俏丽的红色冰舞鞋……

 

她，是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！  总建筑面积约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，完胜迪拜顶级滑雪场成为全球最大。

 

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为“大型复杂超限高层结构”。

 

下面我们一起到“冰舞鞋”的内部探索其结构奥妙吧！

 

 

１、超长超大跨度建筑

 

作为全球最大室内滑雪场，最大鞋长为487米（迪拜为400米），最大鞋宽为150米（迪拜为60米），属于超长超大跨度结构。

 

结构奥妙之一：为避免结构超长，将鞋体分为三段分别设计及制作，并与其周围的商业裙房脱开，简化结构受力的复杂性。也应了最近流行的网路佳句“ 复杂的事情简单做，你就是专家”。

 

 

其中东区是三区中最为复杂和独特的部分，他是冰舞鞋隽秀的鞋跟！东区滑道层楼面结构仅由２根Ｖ型巨柱支撑，侧面大桁架及屋面结构均支撑在滑道层楼面上。巨型柱跟部中心尺寸 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

 

顺应滑雪功能的需要，她拥有异形流线的曲线造型。并运用超细鞋跟设计，形成一只有高度有风度极具魅力的冰舞鞋。但同时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。

 

 

结构奥妙之二：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。这与高跟鞋品牌 Jimmy Choo 有异曲同工之处，都是“穿着不会痛的高跟鞋”。

 

 

3、最高单层大跨度建筑

 

总建筑高度为 119.66米，单鞋跟的高度就有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。

 

结构奥妙之三：通过 Midas Gen 通用有限元程序对楼板进行应力仿真模拟和分析，在重力荷载作用下，楼面板和楼面梁不仅存在弯矩引起的平面外拉应力，还存在较大的平面内拉应力，为此楼板增设配筋抵抗这部分拉应力。这让我想起穿高跟鞋久了脚会有种隐隐的拉痛感，你有木有呢。。。

 

 

别外结构总用钢量约为4.2万吨，超过鸟巢的用钢量，高空安装如此异形的庞然大物确实难度也很大，安装方法和安装顺序也尤为重要！现场启动1000吨的履带吊进行吊装。

 

结构奥妙之四：通过 Midas Gen 程序仿真模块施工模拟分析。

 

考虑安装过程中的结构形态和受力状态的变化，施工加载和卸载的变化，结合施工经验，经过反复评审和论证，最终斜筒柱（鞋跟）和主桁架（鞋底）采取单片吊装方式进行安装，东区屋面（脚踝处鞋面）采用累积滑移施工方法进行安装，西区屋面（脚尖处鞋面）采用整体提升施工方法进行安装。现主体结构已经全部安装完毕。

 

4、基础设计

 

“冰舞鞋”的基础设计存在一系列非常规问题，结构不规则引起的各区域各部位反力不均，巨型框架柱（鞋跟处）支座反力集中，超大跨度基础抗水平力问题等。

 

 

结构奥妙之五：因地制宜，因地布桩。结合当地经验，对各种桩型的特点进行研究，最后不同区域分别采用400直径管桩（PHC），600 直径的超流态灌注桩，1000直径后压浆灌注桩，既满足结构安全又节约工程造价。

 

结构奥妙之六：利用变刚度调平理论，使布桩中心和荷载中心尽量重合，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。

 

结构奥妙之七：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。

 

 

 

5、异形超常规节点设计

 

大跨度钢结构一般用于屋面设计，用于楼面的并不常见，而冰舞鞋的雪面荷载为常规楼面荷载的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，关键节点多达二十余种，空间关系复杂，节点受力大，且无规范可依。

 

 

结构奥妙之八：楼面桁架节点采用栓焊组合连接。既确保了低温下钢结构连接的安全,又降低构件空间布局难度，增大操作空间，减轻节点重量，降低成本，且有利于保证施工进度和质量。

 

 

结构奥妙之九：根据节点的连接形式，对杆件截面进行优化。部分楼面层的H型钢优化为箱型截面，简化节点构造，便于施工，节约用钢量。

 

结构奥妙之十：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块真实的应力状态，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，又避免无依据的加强节点，减轻了节点重量，节约成本。

 

 

６、复杂的室内功能及空间关系

“冰舞鞋”不仅仅有她华丽的外表，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，结构专业又是怎么样应对的呢。

 

 

结构奥妙之十一：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。

 

 

７、低温钢结构性能研究

 

“ 冰舞鞋 ” 生于美丽的冰城哈尔滨，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至于钢结构内侧，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。

 

结构奥妙之十二：依据欧洲规范标准，根据钢板厚度及环境温度对钢材强度进行不同程度的折减，并经过 Midas 程序计算，巨柱及楼面主桁架需要进行外保温处理，也就是说娇贵的“冰舞鞋跟”不可直接裸露在寒风中。

 

８、防倒塌分析

 

结构奥妙之十三：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、节能减材，绿色建筑

 

结构奥妙之十四：由单斜柱支撑优化为 V 型柱支撑，经计算，这次“冰鞋跟部”的优化共节约钢材１万吨，基础混凝土及预应力混凝土近１万吨。

 

 

结构奥妙之十五：考虑二次结构实施的合理性和经济性，结合檩条的布置，并对主体结构进行优化，增加了少量局部主体结构杆件，使檩条跨度大幅减少，节约了大量的檩条用钢量，又减轻了结构本身自重，降低了二次结构的成本。

 

 

结构奥妙之十六：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，有效的减小了结构的变形，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。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。

 

截至目前，这只隽秀的“冰舞鞋”主体结构已经施工完毕，室内游乐结构，屋面及墙面檩条等二次结构正在紧锣密鼓的施工中。

 

2017年8月将揭下那神秘的面纱，耀世开放。

 

小伙伴们，约吗？