长沙冰雪世界主体拱形结构设计与选型-空间结构会议课件

长沙冰雪世界沙冰雪世界主体主体拱形拱形结构构设计与与选型型周周健健张耀康耀康王王帅顾乐明明华东建筑建筑设计研究院有限公司研究院有限公司2014/10/311.长沙冰雪世界1.一工程概况拟建工程建工程场地位于地位于长沙市沙市湘江新湘江新区区坪塘坪塘镇，湖南省新生水泥厂，湖南省新生水泥厂现有采石有采石场坑范坑范围。场地地原始地貌原始地貌单元元为湘江河流冲湘江河流冲积堆堆积阶地，地，经人工采石而成深度达人工采石而成深度达100m、其西、周、其西、周边长直径直径约500m、短直径、短直径约400m的似的似椭圆形的形的矿坑。坑。2.一 工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生一工程概况拟建工程建工程场地位于地位于长沙市沙市湘江新湘江新区区坪塘坪塘镇，湖南省新生水泥厂，湖南省新生水泥厂现有采石有采石场坑范坑范围。场地地原始地貌原始地貌单元元为湘江河流冲湘江河流冲积堆堆积阶地，地，经人工采石而成深度达人工采石而成深度达100m、其西、周、其西、周边长直径直径约500m、短直径、短直径约400m的似的似椭圆形的形的矿坑。坑。3.一 工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生一工程概况冰雪世界主体冰雪世界主体结构位于构位于矿坑上，依附山体建造坑上，依附山体建造，三，三边支承，未支承自由支承，未支承自由边横向跨度达横向跨度达180m。主要功能包括冰雪世界、水上主要功能包括冰雪世界、水上乐园、停园、停车场等，等，总建筑面建筑面积达达12万万。地下室最大深度地下室最大深度约10.8米，地上部分最大建筑高度米，地上部分最大建筑高度约39.9米。米。4.一 工程概况冰雪世界主体结构位于矿坑上，依附山体建造，三边支东南视角西北视角一工程概况5.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.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.餐厅内视角 冰雪世界和水上冰雪世界和水上乐园园主要位于主要位于-10m标高的楼面高的楼面上，底部上，底部为主体拱形主体拱形结构，构，实现大尺度跨越大尺度跨越。屋盖屋盖为空空间转折曲面造型，屋盖中部折曲面造型，屋盖中部为下凹下凹锥体，体，呈漏斗状，穿呈漏斗状，穿过-10m楼面，漏斗形支座支撑在深楼面，漏斗形支座支撑在深坑底部人工坑底部人工岛，人工，人工岛为露天露天剧场。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构的关系示意解决跨越解决跨越问题两大部分两大部分结构构理清三者的关系理清三者的关系8.冰雪世界和水上乐园主要位于-10m标高的楼面上，底部为主体拱二结构设计地下室地下室结构构与永久性与永久性挡土支土支护之之间相互脱开，地下室相互脱开，地下室实际是一是一层和和两两层的的结构。构。二二层地下室、水地下室、水乐园及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筋混凝土框架结构，局部与拱形构，局部与拱形结构构连接。接。雪雪乐园主体拱形园主体拱形结构构为大跨度大跨度钢结构，雪构，雪乐园大部分园大部分位于深坑上方，位于深坑上方，仅局部滑道区域位于坑壁的土体上。局部滑道区域位于坑壁的土体上。拱形拱形结构构拱脚支承拱脚支承于坑壁岩体，利用深坑三于坑壁岩体，利用深坑三边的岩体的岩体形成大跨形成大跨结构。构。9.二 结构设计地下室结构与永久性挡土支护之间相互脱开，地下室实二结构设计地下室地下室结构、主体构、主体拱形拱形结构与构与矿坑山坑山体关系示意体关系示意10.二 结构设计地下室结构、主体拱形结构与矿坑山体关系示意10.二结构设计整体整体结构示意构示意图（拱形（拱形结构构+屋盖）屋盖）地下室和主体拱形地下室和主体拱形结构构大跨度空大跨度空间钢结构屋盖内部及周构屋盖内部及周边不同位置的不同位置的钢柱柱支支承在主体拱形承在主体拱形结构、雪构、雪乐园地下室园地下室顶板、水板、水乐园园顶板及板及坑坑边土体上等，土体上等，中部漏斗形中部漏斗形结构与主体拱形构与主体拱形结构之构之间没没有有联系。系。11.二 结构设计整体结构示意图（拱形结构+屋盖）地下室和主体拱形三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三从拱形曲面概念到三组拱拱的布置的布置结合建筑造型及合建筑造型及矿坑周坑周边支承条件，通支承条件，通过找形找形优化得到合适的曲面化得到合适的曲面；基于基于竖向荷向荷载作用下作用下曲面曲面应力分析及力分析及应力流方向，布置拱力流方向，布置拱结构构实现大跨度大跨度跨越，跨越，各各组拱之拱之间的的夹角大角大约为45度度-60度度。曲面曲面应力流力流三三组拱布置示意拱布置示意图曲面曲面应力流力流三三组拱布置拱布置示意示意图12.三 主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置曲面应力流三三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三从拱形曲面概念到三组拱拱的布置的布置拱形曲面拱形曲面结构：三构：三组主拱主拱+支撑支撑C组拱拱A组拱拱B组拱拱由于建筑造型要求，由于建筑造型要求，拱脚与拱拱脚与拱顶位置差异位置差异而需而需倾斜放置，斜放置，总体上形成向南体上形成向南侧坑内坑内倾斜斜的的趋势，通，通过支撑将各榀拱支撑将各榀拱连成完整的面，提高拱成完整的面，提高拱平面内的平面内的稳定定性性。主拱是最主要的主拱是最主要的竖向荷向荷载受力构件，找形受力构件，找形优化后化后以以轴向受力向受力为主主，采用大截面，采用大截面钢管管结构构*。在端部一定在端部一定长度范度范围的的钢管管内灌内灌C60C60混凝土混凝土，充分，充分发挥钢管混凝土的受管混凝土的受压能力，减小能力，减小钢管的截面尺寸。管的截面尺寸。13.三 主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置拱形曲面结构三主体拱形结构选型拱形桁架拱形桁架结构体系构体系拱形桁架：主拱构件拱形桁架：主拱构件+钢立柱立柱+上弦上弦钢梁梁+斜腹杆斜腹杆拱形桁架三拱形桁架三维图及及倾斜拱上桁架斜拱上桁架由于冰雪世界由于冰雪世界上部荷上部荷载的不均匀性的不均匀性，设置斜腹杆将置斜腹杆将上述构件上述构件组成拱形桁架，减小主拱构件的弯矩，同成拱形桁架，减小主拱构件的弯矩，同时增增强结构在沿拱跨度方向的整体性。构在沿拱跨度方向的整体性。主拱主拱顶部与上弦之部与上弦之间的的间距距过小小时主拱跨中抵抗不主拱跨中抵抗不均匀荷均匀荷载的能力差，距离的能力差，距离过大大时主拱的效率降低，主拱的效率降低，经过计算比算比选，中心距离取，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：主拱构件+钢立三主体拱形结构选型拱形桁架拱形桁架结构体系构体系竖向荷向荷载下的受力性能下的受力性能对比比15.三 主体拱形结构选型拱形桁架结构体系竖向荷载下的受力性能对比各榀拱形桁架之各榀拱形桁架之间设置置平面外平面外连系桁架和系桁架和连系梁系梁，提高拱形桁架在平面外的，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架构及拱形桁架总体上向坑内体上向坑内倾斜的斜的趋势，产生生倾覆力矩，覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架系桁架将各榀拱形桁架连成成整体抵抗整体抵抗这一一倾覆力矩覆力矩。由于楼面上大由于楼面上大约相当于相当于60米直径的不米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西、西侧的的连系桁架系桁架发挥这一作用，其斜腹杆一作用，其斜腹杆协调各榀桁架的各榀桁架的变形形产生生轴力，并将力，并将轴力力传递到到连系桁架的上弦杆及梁板，最系桁架的上弦杆及梁板，最终通通过锚杆杆传递至岩石。坑壁至岩石。坑壁稳定性分析定性分析单位在分析位在分析中考中考虑锚索拉力的影响。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）拱形桁架拱形桁架结构体系构体系+=A1A516.各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平各榀拱形桁架之各榀拱形桁架之间设置置平面外平面外连系桁架和系桁架和连系梁系梁，提高拱形桁架在平面外的，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架构及拱形桁架总体上向坑内体上向坑内倾斜的斜的趋势，产生生倾覆力矩，覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架系桁架将各榀拱形桁架连成成整体抵抗整体抵抗这一一倾覆力矩覆力矩。由于楼面上大由于楼面上大约相当于相当于60米直径的不米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西、西侧的的连系桁架系桁架发挥这一作用，其斜腹杆一作用，其斜腹杆协调各榀桁架的各榀桁架的变形形产生生轴力，并将力，并将轴力力传递到到连系桁架的上弦杆及梁板，最系桁架的上弦杆及梁板，最终通通过锚杆杆传递至岩石。坑壁至岩石。坑壁稳定性分析定性分析单位在分析位在分析中考中考虑锚索拉力的影响。索拉力的影响。三主体拱形结构选型拱形桁架拱形桁架结构体系构体系拱形桁架间的连系桁架（梁）17.各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平三主体拱形结构选型拱形桁架拱形桁架结构体系构体系弹性稳定 第1阶=17.58 弹性稳定 第1阶=5.71 主体拱形主体拱形结构的特点：构的特点：1 整体整体稳定性好定性好2 结构冗余度大构冗余度大3 抗抗连续倒塌能力倒塌能力强18.三 主体拱形结构选型拱形桁架结构体系弹性稳定 第1阶=1主体拱形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方向在层微微风化灰岩范化灰岩范围内布置巨型内布置巨型钢筋混凝土基筋混凝土基础，将荷，将荷载均匀均匀扩散散传递至微至微风化灰岩。化灰岩。主要由深坑坑壁岩体承受主要由深坑坑壁岩体承受结构构竖向荷向荷载和水平作用，已委托和水平作用，已委托专项单位位进行坑壁行坑壁边坡岩体坡岩体长期期稳定性定性评价。价。三主体拱形结构选型拱脚基拱脚基础与岩体关系与岩体关系拱脚基拱脚基础与岩体、与岩体、地下室关系地下室关系拱脚与基拱脚与基础关系关系19.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据勘察据勘察报告，拱脚作用范告，拱脚作用范围的岩石存在的岩石存在节理、断理、断层、溶洞等不利地、溶洞等不利地质条件，且条件，且岩面起伏很大、局部勘察点岩石埋深很深，岩体岩面起伏很大、局部勘察点岩石埋深很深，岩体稳定性的定性的问题比比较突出。突出。主体主体结构构设计对主体拱形主体拱形结构的布置构的布置进行了行了优化化调整，考整，考虑罕遇地震的罕遇地震的组合下合下的拱脚反力作的拱脚反力作为岩体岩体稳定性分析的依据。定性分析的依据。三主体拱形结构选型拱脚基拱脚基础与岩体关系与岩体关系东南角南角处拱脚拱脚结构与岩石的关系构与岩石的关系20.据勘察报告，拱脚作用范围的岩石存在节理、断层、溶洞等不利地质四主体拱形结构布置优化洞口范洞口范围调整整调整前洞口尺寸接近整前洞口尺寸接近80米，大面米，大面积的楼板位于最南的楼板位于最南侧拱脚的范拱脚的范围以外，且拱脚在岩石的作用范以外，且拱脚在岩石的作用范围较小，小，对整体整体结构和拱脚基构和拱脚基础岩岩石的受力石的受力带来不利影响；来不利影响；减小洞口尺寸至减小洞口尺寸至约60米，并尽可能靠近北米，并尽可能靠近北侧坑壁布置。坑壁布置。21.四 主体拱形结构布置优化洞口范围调整调整前洞口尺寸接近80米四主体拱形结构布置优化拱平面布置拱平面布置调整整调整前南整前南侧的五榀拱在拱脚的五榀拱在拱脚处距离很近，局部区域内距离很近，局部区域内传递给岩体的力比岩体的力比较集中，因此集中，因此调整了靠近洞口的各榀拱的拱脚平面位置及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。东北北侧五榀拱作用力方向在水五榀拱作用力方向在水乐园位置园位置东南角南角处岩体的薄弱受力方向，因此岩体的薄弱受力方向，因此调整了整了东侧拱脚的位置和拱的平面形状。拱脚的位置和拱的平面形状。上述上述调整明整明显加大了受力加大了受力较大的南大的南侧拱脚的作用范拱脚的作用范围，且所有拱脚相，且所有拱脚相对更加均匀的更加均匀的传递轴力到岩石，改善岩体的力到岩石，改善岩体的稳定性。定性。22.四 主体拱形结构布置优化拱平面布置调整调整前南侧的五榀拱在拱四主体拱形结构布置优化拱脚拱脚标高高调整整随着勘察数据的增加和随着勘察数据的增加和对东南角拱脚所在的岩体的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，拱脚一步了解，在不影响整体建筑效果的前提下，拱脚标高高调整了两次，南整了两次，南侧最最大一大一组拱的拱脚基拱的拱脚基础标高比方案高比方案阶段降低段降低约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移剪切面，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，对岩体岩体稳定性有定性有较大的改善。大的改善。各次各次调整的拱形都整的拱形都经过形形态创建得到。建得到。方案阶段第一次调整第二次调整23.四 主体拱形结构布置优化拱脚标高调整随着勘察数据的增加和对东五结语长沙冰雪世界沙冰雪世界项目利用目利用深坑坑壁三深坑坑壁三边有岩体有岩体的自然条件，的自然条件，结合建筑合建筑师对造型的要求，造型的要求，选择三三组拱形桁架拱形桁架结构及构及联系桁架形成的大系桁架形成的大跨度空跨度空间结构体系，构体系，实现最大最大180米跨度的米跨度的矿坑坑顶部跨越。部跨越。选型型过程中根据程中根据坑壁岩石的坑壁岩石的实际情况情况对主体拱形主体拱形结构构进行行优化化调整整，使得方案更具有，使得方案更具有实施的可行性施的可行性。Rhino(犀牛犀牛)、Grasshopper等三等三维程序在复程序在复杂结构构设计、找形以及与建筑、找形以及与建筑师沟通沟通过程中程中发挥重要作用。重要作用。设计过程中程中进行了行了 地震参数取地震参数取值研究、施工研究、施工阶段模段模拟、整体、整体稳定性研究、定性研究、弹塑性塑性时程分析、多点激励地震程分析、多点激励地震时程分析、舒适度分程分析、舒适度分析、防析、防连续倒塌分析倒塌分析 等等专项分析。分析。项目目已完成初步已完成初步设计并通并通过超限建筑抗震超限建筑抗震专项审查，目前正在，目前正在进行施工行施工图设计。24.五 结语长沙冰雪世界项目利用深坑坑壁三边有岩体的自然条件，结谢谢！敬请指正！25.谢谢！25.