1、长沙冰雪世界长沙冰雪世界主体主体拱形拱形结构设计与选型结构设计与选型周周健健 张耀康张耀康 王帅王帅 顾乐明顾乐明华东建筑设计研究院有限公司华东建筑设计研究院有限公司2014/10/311.一 工程概况拟建工程场地位于拟建工程场地位于长沙市长沙市湘江新湘江新区区坪塘镇，湖南省新生水泥厂现有采石场坑范围坪塘镇，湖南省新生水泥厂现有采石场坑范围。场地场地原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，经人工采石而成深度达原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，经人工采石而成深度达100m、其西、周边长直径约、其西、周边长直径约500m、短直径约、短直径约400m的似椭圆形的矿坑。的似椭圆形的矿坑。2.一 工程概况
2、拟建工程场地位于拟建工程场地位于长沙市长沙市湘江新湘江新区区坪塘镇，湖南省新生水泥厂现有采石场坑范围坪塘镇，湖南省新生水泥厂现有采石场坑范围。场地场地原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，经人工采石而成深度达原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，经人工采石而成深度达100m、其西、周边长直径约、其西、周边长直径约500m、短直径约、短直径约400m的似椭圆形的矿坑。的似椭圆形的矿坑。3.一 工程概况冰雪世界主体结构位于矿坑上，依附山体建造冰雪世界主体结构位于矿坑上，依附山体建造，三边支承，未支承自由边横向跨度达，三边支承，未支承自由边横向跨度达180m。主要功能包括冰雪世界、水上乐园、停车场等，总
3、建筑面积达主要功能包括冰雪世界、水上乐园、停车场等，总建筑面积达12万万。地下室最大深度约地下室最大深度约10.8米，地上部分最大建筑高度约米，地上部分最大建筑高度约39.9米。米。4.东南视角西北视角 一 工程概况5.深坑内视角 一 工程概况坑底视角 6.餐厅内视角 冰雪世界水上乐园 一 工程概况7.冰雪世界和水上乐园冰雪世界和水上乐园主要位于主要位于-10m标高的楼面标高的楼面上，底部为主体拱形结构，实现大尺度跨越上，底部为主体拱形结构，实现大尺度跨越。屋盖屋盖为空间转折曲面造型，屋盖中部为下凹锥为空间转折曲面造型，屋盖中部为下凹锥体，呈漏斗状，穿过体，呈漏斗状，穿过-10m楼面，漏斗形支
4、座支撑楼面，漏斗形支座支撑在深坑底部人工岛，人工岛为露天剧场。在深坑底部人工岛，人工岛为露天剧场。二 结构设计屋盖与主体拱形屋盖与主体拱形结构的关系示意结构的关系示意解决跨越问题解决跨越问题两大部分结构两大部分结构理清三者的关系理清三者的关系8.二 结构设计地下室结构地下室结构与永久性挡土支护之间相互脱开，地下室实际是一层与永久性挡土支护之间相互脱开，地下室实际是一层和两层的结构。和两层的结构。二层地下室、水乐园及车库二层地下室、水乐园及车库大部分位于深坑以外的土体上，采用大部分位于深坑以外的土体上，采用钢筋混凝土框架结构，局部与拱形结构连接。钢筋混凝土框架结构，局部与拱形结构连接。雪乐园主体
5、拱形结构雪乐园主体拱形结构为大跨度钢结构，雪乐园大部分为大跨度钢结构，雪乐园大部分位于深坑上方，仅局部滑道区域位于坑壁的土体上。位于深坑上方，仅局部滑道区域位于坑壁的土体上。拱形结构拱形结构拱脚支承拱脚支承于坑壁岩体，利用深坑三边的岩体于坑壁岩体，利用深坑三边的岩体形成大跨结构。形成大跨结构。9.二 结构设计地下室结构、主体地下室结构、主体拱形结构与矿坑山拱形结构与矿坑山体关系示意体关系示意10.二 结构设计整体结构示意图整体结构示意图（拱形结构（拱形结构+屋盖）屋盖）地下室和主体拱形结构地下室和主体拱形结构大跨度空间钢结构屋盖内部及周边不同位置的大跨度空间钢结构屋盖内部及周边不同位置的钢柱钢
6、柱支支承在主体拱形结构、雪乐园地下室顶板、水乐园顶板及承在主体拱形结构、雪乐园地下室顶板、水乐园顶板及坑边土体上等，坑边土体上等，中部漏斗形结构与主体拱形结构之间没中部漏斗形结构与主体拱形结构之间没有联系。有联系。11.三 主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱从拱形曲面概念到三组拱的布置的布置结合建筑造型及矿坑周边支承条件，通过找形优化得到合适的曲面结合建筑造型及矿坑周边支承条件，通过找形优化得到合适的曲面；基于基于竖向荷载作用下竖向荷载作用下曲面应力分析及应力流方向，布置拱结构实现大跨度曲面应力分析及应力流方向，布置拱结构实现大跨度跨越，跨越，各组拱之间的夹角大约为各组拱之间的夹角大约为4
7、5度度-60度度。曲面应力流曲面应力流三组拱布置示意图三组拱布置示意图曲面应曲面应力流力流三组拱布置三组拱布置示意图示意图12.三 主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱从拱形曲面概念到三组拱的布置的布置拱形曲面结构：三组主拱拱形曲面结构：三组主拱+支撑支撑C组拱组拱A组拱组拱B组拱组拱由于建筑造型要求，由于建筑造型要求，拱脚与拱顶位置差异拱脚与拱顶位置差异而需倾而需倾斜放置，总体上形成向南侧坑内斜放置，总体上形成向南侧坑内倾斜倾斜的趋势，通过的趋势，通过支撑将各榀拱连成完整的面，提高拱支撑将各榀拱连成完整的面，提高拱平面内的稳定平面内的稳定性性。主拱是最主要的竖向荷载受力构件，找形优化后主拱
8、是最主要的竖向荷载受力构件，找形优化后以以轴向受力为主轴向受力为主，采用大截面钢管结构，采用大截面钢管结构*。在端部一定长度范围的钢管在端部一定长度范围的钢管内灌内灌C60C60混凝土混凝土，充，充分发挥钢管混凝土的受压能力，减小钢管的截面尺分发挥钢管混凝土的受压能力，减小钢管的截面尺寸。寸。13.三 主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架结构体系拱形桁架：主拱构件拱形桁架：主拱构件+钢立柱钢立柱+上弦钢梁上弦钢梁+斜腹杆斜腹杆拱形桁架三维图及倾斜拱上桁架拱形桁架三维图及倾斜拱上桁架由于冰雪世界由于冰雪世界上部荷载的不均匀性上部荷载的不均匀性，设置斜腹杆将，设置斜腹杆将上述构件组成拱形桁架，
9、减小主拱构件的弯矩，同时上述构件组成拱形桁架，减小主拱构件的弯矩，同时增强结构在沿拱跨度方向的整体性。增强结构在沿拱跨度方向的整体性。主拱顶部与上弦之间的间距主拱顶部与上弦之间的间距过小时主拱跨中抵抗不过小时主拱跨中抵抗不均匀荷载的能力差，距离过大时主拱的效率降低，经均匀荷载的能力差，距离过大时主拱的效率降低，经过计算比选，中心距离取为过计算比选，中心距离取为3米。米。14.三 主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架结构体系竖向荷载下的受力性能对比竖向荷载下的受力性能对比15.各榀拱形桁架之间设置各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平面外的稳定性。
10、由于拱形曲面结构及拱形桁架总体上向坑内，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架总体上向坑内倾斜的趋势，产生倾覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架连成倾斜的趋势，产生倾覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架连成整体抵抗这一倾覆力矩整体抵抗这一倾覆力矩。由于楼面上大约相当于由于楼面上大约相当于60米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西侧的连系桁架发挥这一作用，其斜腹杆米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西侧的连系桁架发挥这一作用，其斜腹杆协调各榀桁架的变形产生轴力，并将轴力传递到连系桁架的上弦杆及梁板，最终通过锚杆传递至岩石。坑壁稳定性分析单位在分析协调各榀
11、桁架的变形产生轴力，并将轴力传递到连系桁架的上弦杆及梁板，最终通过锚杆传递至岩石。坑壁稳定性分析单位在分析中考虑锚索拉力的影响。中考虑锚索拉力的影响。三 主体拱形结构选型拱形桁架间的连系桁架（梁）拱形桁架结构体系拱形桁架结构体系+=A1A516.各榀拱形桁架之间设置各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架总体上向坑内，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架总体上向坑内倾斜的趋势，产生倾覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架连成倾斜的趋势，产生倾覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架连成整体抵抗这一倾覆力矩整体抵
12、抗这一倾覆力矩。由于楼面上大约相当于由于楼面上大约相当于60米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西侧的连系桁架发挥这一作用，其斜腹杆米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西侧的连系桁架发挥这一作用，其斜腹杆协调各榀桁架的变形产生轴力，并将轴力传递到连系桁架的上弦杆及梁板，最终通过锚杆传递至岩石。坑壁稳定性分析单位在分析协调各榀桁架的变形产生轴力，并将轴力传递到连系桁架的上弦杆及梁板，最终通过锚杆传递至岩石。坑壁稳定性分析单位在分析中考虑锚索拉力的影响。中考虑锚索拉力的影响。三 主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架结构体系拱形桁架间的连系桁架（梁）17.三
13、主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架结构体系弹性稳定 第1阶=17.58 弹性稳定 第1阶=5.71 主体拱形结构的特点：主体拱形结构的特点：1 1 整体稳定性好整体稳定性好2 2 结构冗余度大结构冗余度大3 3 抗连续倒塌能力强抗连续倒塌能力强18.主体拱形结构的拱脚支承在坑壁岩体上，在坑壁上沿拱脚点的切线方向在层微风化灰岩范主体拱形结构的拱脚支承在坑壁岩体上，在坑壁上沿拱脚点的切线方向在层微风化灰岩范围内布置巨型钢筋混凝土基础，将荷载均匀扩散传递至微风化灰岩。围内布置巨型钢筋混凝土基础，将荷载均匀扩散传递至微风化灰岩。主要由深坑坑壁岩体承受结构竖向荷载和水平作用，已委托专项单位进行坑壁
14、边坡岩体长期主要由深坑坑壁岩体承受结构竖向荷载和水平作用，已委托专项单位进行坑壁边坡岩体长期稳定性评价。稳定性评价。三 主体拱形结构选型拱脚基础与岩体关系拱脚基础与岩体关系拱脚基础与岩体、拱脚基础与岩体、地下室关系地下室关系拱脚与基础关系拱脚与基础关系19.据勘察报告，拱脚作用范围的岩石存在节理、断层、溶洞等不利地质条件，且据勘察报告，拱脚作用范围的岩石存在节理、断层、溶洞等不利地质条件，且岩面起伏很大、局部勘察点岩石埋深很深，岩体稳定性的问题比较突出。岩面起伏很大、局部勘察点岩石埋深很深，岩体稳定性的问题比较突出。主体结构设计对主体拱形结构的布置进行了优化调整，考虑罕遇地震的组合下主体结构设
15、计对主体拱形结构的布置进行了优化调整，考虑罕遇地震的组合下的拱脚反力作为岩体稳定性分析的依据。的拱脚反力作为岩体稳定性分析的依据。三 主体拱形结构选型拱脚基础与岩体关系拱脚基础与岩体关系东南角处拱脚结构与岩石的关系东南角处拱脚结构与岩石的关系20.四 主体拱形结构布置优化洞口范围调整洞口范围调整调整前洞口尺寸接近调整前洞口尺寸接近80米，大面积的楼板位于最南侧拱脚的范围以外，且拱脚在岩石的作用范围较小，对整体结构和拱脚基础岩米，大面积的楼板位于最南侧拱脚的范围以外，且拱脚在岩石的作用范围较小，对整体结构和拱脚基础岩石的受力带来不利影响；石的受力带来不利影响；减小洞口尺寸至约减小洞口尺寸至约60
16、米，并尽可能靠近北侧坑壁布置。米，并尽可能靠近北侧坑壁布置。21.四 主体拱形结构布置优化拱平面布置调整拱平面布置调整调整前南侧的五榀拱在拱脚处距离很近，局部区域内传递给岩体的力比较集中，因此调整了靠近洞口的各榀拱的拱脚平面位置及调整前南侧的五榀拱在拱脚处距离很近，局部区域内传递给岩体的力比较集中，因此调整了靠近洞口的各榀拱的拱脚平面位置及拱的平面形状。拱的平面形状。东北侧五榀拱作用力方向在水乐园位置东南角处岩体的薄弱受力方向，因此调整了东侧拱脚的位置和拱的平面形状。东北侧五榀拱作用力方向在水乐园位置东南角处岩体的薄弱受力方向，因此调整了东侧拱脚的位置和拱的平面形状。上述调整明显加大了受力较大
17、的南侧拱脚的作用范围，且所有拱脚相对更加均匀的传递轴力到岩石，改善岩体的稳定性。上述调整明显加大了受力较大的南侧拱脚的作用范围，且所有拱脚相对更加均匀的传递轴力到岩石，改善岩体的稳定性。22.四 主体拱形结构布置优化拱脚标高调整拱脚标高调整随着勘察数据的增加和对东南角拱脚所在的岩体的进一步了解，在不影响整体建筑效果的前提下，拱脚标高调整了两次，南侧最随着勘察数据的增加和对东南角拱脚所在的岩体的进一步了解，在不影响整体建筑效果的前提下，拱脚标高调整了两次，南侧最大一组拱的拱脚基础标高比方案阶段降低约大一组拱的拱脚基础标高比方案阶段降低约8米。米。一方面减小了拱的水平推力，另一方面增大了岩体的抗滑
18、移剪切面，对岩体稳定性有较大的改善。一方面减小了拱的水平推力，另一方面增大了岩体的抗滑移剪切面，对岩体稳定性有较大的改善。各次调整的拱形都经过形态创建得到。各次调整的拱形都经过形态创建得到。方案阶段第一次调整第二次调整23.五 结语长沙冰雪世界项目利用长沙冰雪世界项目利用深坑坑壁三边有岩体深坑坑壁三边有岩体的自然条件，结合建筑师对造型的要求，选择三组拱形桁架结构及联系桁架形成的大的自然条件，结合建筑师对造型的要求，选择三组拱形桁架结构及联系桁架形成的大跨度空间结构体系，实现最大跨度空间结构体系，实现最大180米跨度的矿坑顶部跨越。米跨度的矿坑顶部跨越。选型过程中根据选型过程中根据坑壁岩石的实际
19、情况坑壁岩石的实际情况对主体拱形结构进行对主体拱形结构进行优化调整优化调整，使得方案更具有实施的可行性，使得方案更具有实施的可行性。Rhino(犀牛犀牛)、Grasshopper等三维程序在复杂结构设计、找形以及与建筑师沟通过程中发挥重要作用。等三维程序在复杂结构设计、找形以及与建筑师沟通过程中发挥重要作用。设计过程中进行了设计过程中进行了 地震参数取值研究、施工阶段模拟、整体稳定性研究、弹塑性时程分析、多点激励地震时程分析、舒适度分地震参数取值研究、施工阶段模拟、整体稳定性研究、弹塑性时程分析、多点激励地震时程分析、舒适度分析、防连续倒塌分析析、防连续倒塌分析 等专项分析。等专项分析。项目项目已完成初步设计并通过超限建筑抗震专项审查，目前正在进行施工图设计。已完成初步设计并通过超限建筑抗震专项审查，目前正在进行施工图设计。24.谢谢！敬请指正！25.
