1 工程概况

长沙冰雪世界位于长沙西南部，为一椭盘状自由流线造型的建筑，跨越废弃的水泥厂矿坑建造，功能包括雪乐园、水乐园，主要是单层通高的大跨空间。总建筑面积117500m²，地上部分最大建筑高度约39.9m（图1）。该矿坑平面呈凸字形，外包尺寸约500m×400m，最大深度约100m（图2），冰雪世界主体结构三边支承于的深坑壁上，未支承的自由边横向跨度达180m。

图1 冰雪世界效果图

图2 矿坑现场照片

主要使用功能位于-10m标高的楼面上，底部采用拱形钢结构实现大尺度跨越，拱脚支承于坑壁岩体；屋盖为空间转折曲面造型，通过钢柱支承在主体拱形结构、地下室顶板及坑边土体上，屋盖中部为漏斗状下凹锥体，穿过-10m楼面，支承在深坑底部作为露天剧场的人工岛上，漏斗形结构与主体拱形结构之间脱开（图3）。主体结构与矿坑山体的关系如图4所示。建筑与山体、矿坑有机结合，美轮美奂、独一无二。

图3 屋盖与主体拱形结构的关系示意

图4 整体结构示意

2 主体拱形结构选型

2.1 拱形曲面的形态创建

根据深坑坑壁三边岩体的自然条件，结合建筑师对造型的要求，自然地产生采用拱形曲面结构承受上部竖向荷载的结构概念。曲面结构的具体形态由结构设计综合建筑造型需求、受力效率、矿坑周边支承条件、上部荷载特点等多项制约因素，通过形态创建的方法加以确定。

本工程基于逆吊法原理，以使曲面全截面受压为目标，通过逐步逼近的方法实现复杂边界条件下的形态创建。所谓复杂边界条件主要为几方面：1）拱脚位置限制；2）曲面中间60m直径的开孔；3）拱顶标高接近同一平面；4）建筑师对矢高的宏观尺度要求。

采用ABAQUS软件进行数值逆吊法分析、Rhinoceros软件进行曲面拟合及一系列几何操作，整个流程包括下列步骤：

（1）确定结构形态创建目标。

（2）根据已知几何条件确定支承边界条件和形态控制条件。

（3）创建初始曲面（图5）。

（4）根据力学性能优化结构边界条件及确定离散结构单元。

图5 U形约束边界和中间开孔

主应力迹线呈现明显的单向性（图6），在U形边界的两个角部，曲面上存在显著低效率区域，因此在后面的形态创建过程中释放该部位的约束，以使创建的形态更平滑；单元离散时，将沿着主应力流方向布置三组拱作为主要跨越构件。

图6主应力流

（5）根据力学性能优化后形成新的初始结构曲面（图7）。

（6）逆吊法创建曲面（图8）。

（7）曲面离散化，沿主力流方向布置拱结构（图9）。

（8）判断离散化单元是否满足形态控制条件要求。

图7 新的初始边界曲面

图8 逆吊法创建曲面

图9 三组主拱结构的布置

（9）强制离散化单元满足形态控制条件，对拱结构布置的调整（图10~12）。

（10）曲面创建及拱布置调整迭代。

重复步骤（6）~（9），经过三轮迭代后，最终创建的曲面如图13所示，满足设定目标，曲面形态创建完成。

图10 拱结构布置的调整

图11 拱结构布置调整后新的拱脚位置

图12 下一轮逆吊法计算的初始曲面

图13 最终创建的曲面

在最终创建的曲面上，沿着应力流方向布置主拱结构。如图14所示。

图14 长沙冰雪世界主体结构布置

2.2 拱形桁架结构体系的确定

冰雪世界所需的结构楼面标高为-10.85m，与拱脚的竖向最大距离近30m，需要在拱上设置立柱及钢梁形成楼面。由于冰雪世界使用功能的特殊性及支撑屋盖的需要，不同游乐区域的荷载要求差别较大，有明显的不均匀性，不均匀荷载作用下主拱结构的受力不利，因此设置斜腹杆将上述梁柱构件与拱组成拱形桁架（图15），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。

图 15拱形桁架三维图及倾斜拱上桁架示意

各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁（图16），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整体抵抗这一力矩，最终通过锚索传递至坑壁岩石，在坑壁稳定性中将考虑锚索拉力的影响。

图16拱形桁架间的连系桁架（梁）三维图

2.3 拱脚基础与坑壁岩体关系

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⑨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（图17）。

（a）拱脚基础与岩体、地下室关系

（b）拱脚与基础关系

图 17 拱脚基础示意图

主体拱形结构主要由深坑坑壁岩体承受结构竖向荷载和水平作用，在建筑物使用期内，深坑岩体边坡在静力荷载及地震作用下的整体稳定、位移等是否满足安全需要将成为本工程结构是否合理可行的关键，业主委托专项单位进行坑壁边坡岩体长期稳定性评价。

根据勘察报告结论，拱脚作用范围的岩石存在节理、断层、溶洞等不利地质条件，严重削弱坑壁岩石的承载力，且岩面起伏很大、局部勘察点岩石埋深很深，支承岩体存在临空面，岩体稳定性的问题突出，拱脚位置受限。东南角处的拱脚结构与岩石关系如图18所示。

图 18 东南角处拱脚结构与岩石的关系

根据岩土工程三维有限元稳定性分析结果，对不满足拱脚支承需求的部位采取岩壁加固措施，主体拱形结构的设计也相应进行了大量优化调整。

2.4 主体拱形结构优化调整

（1）洞口范围调整

主体拱形结构楼面上的原洞口直径接近80m，使A组拱可布置数量受限且拱脚处于岩石边缘的不利位置，经与建筑师协商减小洞口直径至约60m，并尽可能靠近北侧坑壁布置。

（2）主体拱形结构布置调整

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，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。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（图19）。

（a）调整前

（b）调整后

图19 拱平面布置调整示意

（3）拱脚高度范围的调整

设计过程中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，在整体建筑效果许可的范围内，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8m，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（图20）。

图 20 拱脚标高调整示意图（绿–橙–红）

该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。

作者：周健，张耀康，汪大绥，王帅，顾乐明；单位：华东建筑设计研究总院。

第一作者简介：周健，华东建筑设计研究总院副总工程师，主持过浦东机场T2、虹桥机场T2、南京禄口机场等多个机场航站楼和武汉中心、天津周大福等超高层项目的结构设计。

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（3）2014年11月6~8日，天津：复杂高层与超高层结构设计高级研修班——天津高银117大厦

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