長(zhǎng)沙冰雪世界主體拱形結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建v

1、長(zhǎng)沙冰雪世界主體拱形結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建復(fù)雜邊界條件下的結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建方法周健 張耀康 王帥 顧樂明2014/10逆吊法圣家族大教堂的垂線模型及實(shí)景逆吊實(shí)驗(yàn)法 古老而又實(shí)用的方法 創(chuàng)建豎向荷載下純拉、純壓的曲面形態(tài)數(shù)值逆吊法 將逆吊法思想與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬相結(jié)合初始狀態(tài)懸垂?fàn)顟B(tài)純壓狀態(tài)曲面構(gòu)成的多種形式連續(xù)體 薄殼 薄膜支座桁架離散體 網(wǎng)殼-勻質(zhì) 桁架-非勻質(zhì) 結(jié)構(gòu)支座不完全確定 多個(gè)形態(tài)控制條件復(fù)雜邊界條件下：如何應(yīng)用逆吊法？拱腳支座位置的上限：地質(zhì)條件允許承受基礎(chǔ)推力的高度范圍內(nèi)拱結(jié)構(gòu)拱腳支座位置的下限：建筑效果的要求允許拱腳支座范圍多形態(tài)控制條件洞口該區(qū)域拱頂標(biāo)高應(yīng)接近拱腳的布置范圍 中間開有大洞口

2、 中間區(qū)域拱頂標(biāo)高應(yīng)較接近結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程根據(jù)地質(zhì)勘查資料，擬合巖石表面。在拱腳允許布置的范圍內(nèi)，選擇適合位置形成約束邊線以此“U”形約束邊線為邊界擬合一中間開洞的初始曲面支座范圍結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程對(duì)此曲面面外施加反向均布荷載，得到主應(yīng)力分布存在主應(yīng)力流很小的低應(yīng)力區(qū)域，在后面的形態(tài)創(chuàng)建過程中釋放該部位約束，以使邊界更平滑。結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程主應(yīng)力流大致以夾角120度繞圓洞分布，單向特性明顯，沿著主應(yīng)力流方向布置三組拱，作為主要跨越構(gòu)件，即后面分析的離散單元。結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程釋放低應(yīng)力邊界后形成新的初始結(jié)構(gòu)曲面與初始的曲面相比，低應(yīng)力

3、邊界處更平滑，其他區(qū)域基本與初始曲面一致支座范圍支座范圍結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程-第一階段第一階段支承邊界條件和形態(tài)控支承邊界條件和形態(tài)控制條件的確定制條件的確定初始結(jié)構(gòu)曲面的確定初始結(jié)構(gòu)曲面的確定確定結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建目標(biāo)確定結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建目標(biāo)根據(jù)受力性能對(duì)邊界條根據(jù)受力性能對(duì)邊界條件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整第一階段第一階段支座范圍支座范圍結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程逆吊法創(chuàng)建曲面將曲面離散化離散單元布置的調(diào)整以新支承邊界條件擬合新曲面NO判斷各離散單元是否滿足形狀控制條件形態(tài)創(chuàng)建完成YES第二第二階段階段結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程將初始曲面導(dǎo)入有限元計(jì)算軟件中，施加面荷載進(jìn)行計(jì)

4、算分析。根據(jù)建筑功能的情況，將曲面分成四個(gè)不同荷載區(qū)域，按一定的比例關(guān)系施加均布荷載。荷載的比例關(guān)系為A：B1：B2：C=1：3：2：2。逆吊法創(chuàng)建曲面逆吊法創(chuàng)建曲面將曲面離散化離散單元布置的調(diào)整以新支承邊界條件擬合新曲面NO判斷各離散單元是否滿足形狀控制條件形態(tài)創(chuàng)建完成YES結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程在有限元模擬中，不同區(qū)域按比例關(guān)系賦予相應(yīng)的質(zhì)量密度，不斷加大重力加速度值，至曲面的最高點(diǎn)達(dá)到形態(tài)控制要求，得到第一次曲面創(chuàng)建結(jié)果。逆吊法創(chuàng)建曲面逆吊法創(chuàng)建曲面將曲面離散化離散單元布置的調(diào)整以新支承邊界條件擬合新曲面NO判斷各離散單元是否滿足形狀控制條件形態(tài)創(chuàng)建完成YES結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)

5、構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程將上一步計(jì)算得到的曲面導(dǎo)入Rhinoceros軟件中，沿著曲面主應(yīng)力跡線布置三組拱結(jié)構(gòu)?？紤]到拱間支撐體系的要求，拱的間距控制在1017m之間。逆吊法創(chuàng)建曲面將曲面離散化將曲面離散化離散單元布置的調(diào)整以新支承邊界條件擬合新曲面NO判斷各離散單元是否滿足形狀控制條件形態(tài)創(chuàng)建完成YES結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程判斷離散化單元是否滿足形態(tài)控制條件要求。若最大拱頂標(biāo)高高差小于限值（1m），則曲面創(chuàng)建完成；若大于限值，則繼續(xù)下面步驟。具體步驟為：將拱投影到39m標(biāo)高平面上，求得拱與投影線之間的最小間距h，即可知道各拱之間的高差。逆吊法創(chuàng)建曲面將曲面離散化離散單元布置的調(diào)整以新支承邊界

6、條件擬合新曲面NO判斷各離散單元是判斷各離散單元是否滿足形狀控制條否滿足形狀控制條件件形態(tài)創(chuàng)建完成YESh=3.35m結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程上下平移各拱至拱頂統(tǒng)一標(biāo)高39m逆吊法創(chuàng)建曲面將曲面離散化離散單元布置的調(diào)整離散單元布置的調(diào)整以新支承邊界條件擬合新曲面NO判斷各離散單元是否滿足形狀控制條件形態(tài)創(chuàng)建完成YES結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程延長(zhǎng)各拱線，使其與巖石面相交即得到新的拱腳位置。經(jīng)判別，拱腳位置仍位于地質(zhì)條件允許承受拱腳推力的高度范圍內(nèi)。逆吊法創(chuàng)建曲面將曲面離散化離散單元布置的調(diào)整離散單元布置的調(diào)整以新支承邊界條件擬合新曲面NO判斷各離散單元是否滿足形狀控制條件形態(tài)創(chuàng)建

7、完成YES結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程用三條平順的曲線擬合新的拱腳位置，以此作為邊界線，再次生成中間開洞的曲面，作為下一輪數(shù)值逆吊法計(jì)算的初始曲面。逆吊法創(chuàng)建曲面將曲面離散化離散單元布置的調(diào)整以新支承邊界條件擬合新以新支承邊界條件擬合新曲面曲面NO判斷各離散單元是否滿足形狀控制條件形態(tài)創(chuàng)建完成YES結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建流程經(jīng)過三輪迭代后，拱頂標(biāo)高差在1m以內(nèi)，曲面創(chuàng)建完成。逆吊法創(chuàng)建曲面逆吊法創(chuàng)建曲面將曲面離散化將曲面離散化離散單元布置的調(diào)整離散單元布置的調(diào)整以新支承邊界條件擬合新曲以新支承邊界條件擬合新曲面面NO判斷各離散單元是判斷各離散單元是否滿足形狀控制條否滿足形狀控制條件件

8、形態(tài)創(chuàng)建完成形態(tài)創(chuàng)建完成YES最終創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的受力檢驗(yàn)在最終創(chuàng)建的曲面上，沿著應(yīng)力流方向布置主拱結(jié)構(gòu)。由于建筑造型需要，建筑平面的覆蓋范圍向坑內(nèi)有較大延伸。因此，在布置A組拱時(shí)將外側(cè)的拱向坑內(nèi)傾斜，同時(shí)內(nèi)側(cè)拱向反方向傾斜以平衡部分傾覆力矩。在此基礎(chǔ)上最終形成以拱形桁架體系為主的受力體系，主體拱形結(jié)構(gòu)的管徑為2.4m。拱形桁架結(jié)構(gòu)體系拱形桁架結(jié)構(gòu)體系拱形桁架：主拱構(gòu)件拱形桁架：主拱構(gòu)件+ +鋼立柱鋼立柱+ +上弦鋼梁上弦鋼梁+ +斜腹桿斜腹桿拱形桁架三維圖及傾斜拱上桁架拱形桁架三維圖及傾斜拱上桁架由于冰雪世界由于冰雪世界上部荷載的不均勻性上部荷載的不均勻性，設(shè)置斜腹桿將，設(shè)置斜腹桿將上述構(gòu)件組成拱

9、形桁架，減小主拱構(gòu)件的彎矩，同時(shí)上述構(gòu)件組成拱形桁架，減小主拱構(gòu)件的彎矩，同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在沿拱跨度方向的整體性。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在沿拱跨度方向的整體性。主拱頂部與上弦之間的間距主拱頂部與上弦之間的間距過小時(shí)主拱跨中抵抗不過小時(shí)主拱跨中抵抗不均勻荷載的能力差，距離過大時(shí)主拱的效率降低，經(jīng)均勻荷載的能力差，距離過大時(shí)主拱的效率降低，經(jīng)過計(jì)算比選，中心距離取為過計(jì)算比選，中心距離取為3米。米。最終創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的受力檢驗(yàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向荷載作用下的受力分析，根據(jù)實(shí)際使用功能的不同，分區(qū)域布置數(shù)值不同的均布荷載和集中荷載。由于曲面創(chuàng)建時(shí)，將很多集中荷載簡(jiǎn)化為區(qū)域均布荷載，因此實(shí)際情況下拱結(jié)構(gòu)有一定局部彎矩，但偏心距很小該局部彎矩主要將由拱與樓面大梁組成的拱桁架承受，拱本