【行业知识】跨越100m深坑，跨度达180m的长沙冰雪世界

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来源：中冶华天市政设计研究院

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。该项目为一椭圆状异形建筑。平面尺寸约330X250米，部分区域跨越一个“凸”字型废弃矿坑的一翼，矿坑现场如下图所示。内部主要功能为冰雪世界和水上乐园，除车库和局部功能夹层外，均是单层通高的大跨空间，总建筑面积约117500m²。

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。

其中冰雪世界区域（上图虚线框内区域）几乎全部悬空于矿坑之上，跨越部分的形状近似一个150mX200m的椭圆，中部有一个直径约60m的圆洞。

图3 屋盖与主体拱形结构的关系示意

项目特点

在与建筑师配合的过程中，建筑师坦言对于跨越结构的底面形状他们没有明确要求，结构工程师可以提出结构想要的最有利的曲面形状。但是结构工程师知道自己要什么样的曲面形状吗？

结构工程师想到了逆吊法，逆吊法是一种古老而又实用的方法。在结构形态学的早期，就有很多结构工程师利用逆吊实验法设计造型美观、受力合理的作品。著名的圣家族大教堂穹顶就是利用逆吊法设计的。瑞士工程师Heinz Lsler通过“逆吊法”设计了“Deitingen加油站”等多种空间曲面结构。

圣家族大教堂

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。