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建筑结构丨世界最高冰壳结构!为你揭秘大跨度
发布人:万博manbetx官网 来源:万博manbetx体育 日期:2020-02-10 11:56

  坐落在市松北区枫叶小镇,工程竣工时间2018年1月,建筑高度30.54m,经世界纪录认证为“世界最高冰壳结构”。Flamenco Tower的设计结合了东方传统塔楼的形态和弗拉明戈舞蹈的动势与优美,既体现了中外文化的融合,也是力与美相结合的表达。

  复合冰壳结构是一种以充气膜为施工模板,结合复合冰材料喷射技术建造的新型冰雪建筑结构。该技术改善了冰材料拉压强度不对称的力学特性,并设计成空间受力更为合理的薄壳结构,使得冰雪建筑跨度大大增加,同时节省了材料用量,实现了建筑结构轻质高强的设计目标。

  Flamenco Tower设计高度30.0m,水平最大跨度25.0m,主要由上部塔筒和底部六个“花瓣”状负高斯薄壳组成。其中上部塔筒高度20.0m,底部“花瓣”最大高度10.0m,同时每个花瓣入口的跨度达到10.0m,最大挑出距离约3.9m。Flamenco Tower内部设置了纯冰砌筑而成的冰台阶,方便游客进入塔内参观,并兼顾冰塔的底部基础平台作用。

  高性能复合冰材料通过在冰中掺入纤维材料,提升了纯冰材料的强度和延性。哈工大团队从经济性、美观性、实用性等考虑,采用原生纸浆纤维作为复合冰增强材料,原生纸浆纤维相比木屑掺入料而言具有更好的美观性,且自重较轻,能更好的与水融合且不易沉淀。复合冰材料力学性能试验研究结果表明,在相同加载速率下,复合冰材料的抗压强度和弯曲强度都可达到纯冰强度的2~3倍。喷射复合冰材料配合比不宜低于1%,根据泵送设备功率宜控制在(2%~3%)范围内,同时喷射复合冰材料的粒径不宜大于2mm。

  冰壳结构内力和变形采用线弹性有限元法进行整体分析。冰壳采用四边形壳单元模拟,底部支承采用弹性支承。根据壳体结构受力情况进行厚度设计,复合冰壳厚度不宜超过结构跨度的1/400,最小厚度按照荷载标准组合进行试算优化,同时考虑一定的安全系数(一般取1.25)。

  通过有限元分析,Flamenco Tower的最终设计厚度为从底部40cm到顶部8cm沿高度方向线性变化。

  充气膜施工模板属于柔性模板,气膜的形状不仅与冰壳设计模型相关,同时还受内部气压及边界约束条件的影响。以冰壳内表面为目标形状,通过充气膜模板迭代找形优化,获得与目标造型整体误差最小的膜面,以此模板作为后续冰壳施工模板。哈工大团队提出了“多腔组合式气膜模板”找形设计方法,即通过多个简易的气腔按照设计要求组合为复杂的气膜模板,并通过接缝线(steam)或者内部连接膜片(internal panels)控制气膜形态。

  气膜模板施工气压与冰壳矢跨比相关,施工气压应满足喷射复合冰过程中对气膜模板强度和刚度的要求。气膜模板施工内压不低于200Pa,施工过程中膜内气压与设计的施工气压偏差不应超过20Pa。

  冰壳采用条形基础环梁,环梁通过砌体冰或堆雪压实方法筑造;基础环梁宽度、高度需要满足地基土的承载力(冻土地面、混凝土地面、砖石地面),同时需要考虑充气膜模板施工阶段的上拔力以及上部冰壳的重力作用(冰壳风荷载作用下的上拔力作用可以忽略)。

  Flamenco Tower施工喷射过程中受到各种因素的影响,导致冰塔的厚度分布并不均匀。通过钻孔测量方式对冰塔不同高度处的厚度进行了测量,通过测量表明冰壳达到设计厚度。厚度测量显示冰塔底部支座厚度最大,均超过设计厚度40cm要求,最厚区域可达到50cm。随着冰塔高度逐渐提升,冰壳厚度逐渐降低,冰塔顶部区域平均厚度在8cm左右。

  在Flamenco Tower顶部设置全反射棱镜,结合全站仪对冰塔拆模过程中的沉降变形进行了监测,随着充气膜气压的逐渐降低,冰塔的重量逐渐靠自身结构承担,因此冰塔顶部的变形逐渐增加。同时,监测数据表明冰塔在前3个小时沉降速率较大,随后速率逐渐降低,7小时后趋于稳定。最终冰塔变形约9mm。

  大跨度复合冰壳结构属于绿色环保建筑体系,其建筑成本主要来自于充气膜施工模板以及复合纤维纸浆。充气膜模板在冰壳达到设计厚度后即可从泄气撤除,因此可以实现施工模板的重复利用。复合冰壳在春天可自然融化、蒸发,实现零污染。

  本项目建成后得到了国内外和同行的广泛关注和好评,对于丰富寒冷地区冰雪景观建筑的形式,促进冰雪旅游的发展起到积极作用。

  武岳,工业大学教授、博士生导师。现任哈工大土木工程学院钢结构与木结构学科组主任, 国家级土建工程实验教学中心副主任,风洞与浪槽联合实验室副主任等职。兼任中国土木工程学会理事、中国钢协空间结构分会委员、国际壳体与空间结构学会(IASS)第21工作组委员、省建设工程领域应急专家等职。

  一直致力于钢结构领域的教学、科研和工程创新活动。主要研究方向:空间结构体系创新与形态优化,大跨屋盖结构抗风设计。已发表SCI/EI学术论文180余篇,出版专著/译著5部,参编行业技术标准7部。主持完成大连奥体中心、新疆乌鲁木齐冰雪运动中心、新机场T2航站楼等30余项大型复杂工程的设计咨询工作。获国家科技进步二等1项、省部级7项。2012年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。

  罗鹏,工业大学建筑学院副教授、博士生导师。工业大学体育建筑工程设计研究中心执行主任,建筑学院国际冰雪建筑创新研究中心执行主任,大空间建筑研究所副所长。英国谢菲尔德大学访问学者。国家一级注册建筑师。中国建筑学会体育建筑分会委员、中国体育科学学会会员、国际壳与空间结构学会(IASS)会员,市冰雪旅游专家委员会专家委员。中国青年建筑师最高“中国建筑学会青年建筑师”获得者。

  长期致力于推动建筑与结构产、学、研一体化的跨学科交叉与协同创新。主要研究方向为大跨度建筑与结构协同创新、寒地大空间建筑气候适应性设计、冰雪建筑创新、体育建筑设计。作为项目负责人和主创建筑师参与大型工程设计项目40余项,主持和参与国家和省部级科研项目、标准制定10余项。发表学术论文60余篇,出版图书6部。获得国家和省部级科研、教学和设计类项10余项。

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