某大型假山造型结构设计

李晓铭

（中土集团福州勘察设计研究院有限公司，福州350011）

1 工程概况

柳州的卡乐星球主题乐园内有几处游玩项目中都有大型假山，本文主要讲述其中一个大型的假山项目结构设计，为营造一种紧张刺激的游玩氛围，此假山有过山车在其内部穿越。本文分析的假山平面投影面积约800m2，整个假山山体约有10座，高度从5.8～31.7m，通过底部的大底盘，顶部的连接体和局部的凸出造型连接形成整体的造型。由于过山车需要在山体穿越造成山体内部有非常多的挖空，山体基本都是跨越式的连接，使造型非常的不规则。整个园区过山车的山体造型效果如图1所示，本文所分析的山体为最北侧的一个山体。

本工程设计使用年限为50a，抗震设防类别丙类，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组第一组【1】。基本风压0.3kN/m2，地面粗糙度为B类。假山表面的做法按施工单位的要求为水泥塑石按1.5kN/m2考虑。

图1 山体效果投影平面图

2 结构体系和结构建模

考虑开园时间的节点要求，本工程留给施工的时间不多且结合本项目非常异形的特点，所以一开始就跟开发商商定采用纯钢结构来设计。对于这种异型的山体，有时山体在高处悬挑一部分出来，有时跨越连接到另外一个山体，有时又突然像钟乳石一样悬挂一节下来。山体还需要给过山车留空间穿越，考虑施工塑型的空间，本身山体厚度比较薄，留给主体结构构件的空间就更狭窄。此外，大部分山体较高，对于主体结构来说高宽比比较大，结构的侧向刚度会比较差，所以综合分析采用钢框架支撑结构，这样既能加强结构的刚度又能适应山体多变的形态，最关键的是，这样高效的结构体系经济造价比纯框架更有优势【2】。

针对异形的特点，结构的建模是结构设计中的一大难点。根据包装设计单位提供的3DMAX模型，设计通过犀牛模型找形体，把3DMAX模型导入到犀牛模型中。按施工单位的要求为减小二次构件的截面，结构构件间高度控制在1.5m左右，考虑二次塑型需要包装边界与主体结构预留1.5m左右的距离，按此要求在犀牛模型中按照1.5m高度的间距画出等高线，然后利用犀牛软件的线投影功能可以非常容易抽取出山体的等高线图，在此基础上，我们就可以在三维的山体等高线内部建结构的三维模型。

建模原则是尽可能地考虑竖向构件的上下贯通，所以建模的时候反而考虑从上部的顶部往下面的基座建模，像搭积木一样，对于底部不断变大的造型结构，可以在原先小桁架的基础上不断延伸加大形成底盘，而对于一些突变的区域如山体在中间处的局部凸出或者凹进可以采用悬挑钢桁架或者整体平移结构构件或缩小桁架整体的宽度，来保证结构构件满足和不凸出造型面。当把所有山体的桁架结构先建模出来然后再考虑底部的大底盘和顶部的连接体，对于顶部的连接体也是通过设置桁架支撑结构，一是保证水平力有效向两侧的竖向支撑桁架结构传递，二是也能更好地使各个独立的支撑结构形成整体。由于过山车还有自身的支撑结构穿插在山体中，而且其构件不是横平竖直，给结构的建模又增加了很多的难度，针对此部分的难点在建模中也是采用采用搭积木的思维，考虑先把所有的构件建出来暂时不考虑过山车的构件，等建完之后把过山车构件放置其中，因为采用的桁架结构本身冗余度非常多，可以通过不断地拆除构件使之避开过山车的构件，当实在无法避开的时候，可以通过平移部分构件使之避开。按照上面的建模原则建好模型后，可以把三维线模型先导入到设计软件，在软件中把三维线模型生成三维实体模型并导出，放置到原包装造型模型中看是否有构件凸出造型，这样可以有效地避免返工。整个山体的三维线型模型如图2和如图3所示。

3 结构设计和分析

图2 主支撑桁架+顶部连接体+底部的大底盘

图3 整个主结构的三维线模型

本工程主要采用Midas gen软件来分析。把原先已经建好的模型导入到软件中并且按柱梁支撑等分组，便于后期的软件对构件的调整。虽然该结构本身的重力荷载、风荷载地震作用都不大，但是部分结构的高宽比非常大，最大的有17点多，大部分都在10左右。风荷载是起控制作用的水平向荷载。风荷载的体型系数的取值是影响风荷载的一个重要因素。针对如此异形的结构，规范并没有针对性的体型系数可以参考，这种小型项目又不能做风洞试验，所以在实际设计过程中结合规范相关的要求。对于四边形的建筑物风受压面体型系数0.8，风吸面体型系数为-0.7和-0.5，对于六边形的建筑物，风受压面体型系数0.8，风吸面体型系数为-0.5，对于八边形的建筑物，风受压面体型系数0.8和0.4，风吸面为体型系数位-0.7和-0.5，其他的Y字型和十字形总的体型系数之和也基本在1.3。考虑风在各个山体间流动的时候，山体相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，山体某些部位的局部风压会显著增大，过山车在山体中穿越更是加剧了这种效应，综合考虑以上因素，结构设计时通过适当的放大体型系数来考虑各种可能的不利因素，风压和风吸总的体型系数按照1.6来考虑，这个整体体型系数差不多放大23%。风压高度变化系数按B类地面粗糙度取值，考虑结构模型与包装模型实际偏差，风荷载按照实际相差等比例地进行放大，放大范围大致在1.2～2.5【3】。

通过分析可知，此种类型的异形钢结构，地震基本不起控制作用，所以整个结构对抗震方面的要求可以适当放低，按照非抗震的构造要求。对于一些处在高烈度区的此类项目，也可以通过各构件的承载力均满足2倍地震作用组合下的内力要求时降低其抗震构造要求，这样结构设计时能够更加合理。针对此项目，只要在结构设计中考虑地震力的计算即可，在构件设计中主要控制结构的变形和构件的计算，经过分析，结构前三阶振动周期主要为0.574 3、0.538、0.483 5，整个结构的刚度非常大，不存在局部振动，结构前三阶振型振动如图4、图5和图6所示。在风荷载水平力作用下结构的最大变形为31.8mm，相对应的结构高度为20.2m，则风荷载作用下的位移角为1/635，结构的变形满足规范的要求。由于结构都是小构件，所以考虑到采购的便捷性，都选用Q235B的成品型材，柱子和梁采用方形或矩形钢管，支撑采用圆管，这样圆管不存在相贯切割的问题，便于加工制作和现场安装，很适合此类项目的设计。通过分析，柱子和梁主要采用的截面为100mm×4mm，120mm×4mm，120mm×6mm，120mm×8mm，200mm×6mm，200mm×8mm。斜撑主要采用的截面为50mm×3mm，60mm×3mm，76mm×3mm。通过优选结构体系，合理地考虑荷载作用，本山体的用钢量为110t多，整体造价比较合理【4】。

图4 结构第一振型

图5 结构第二振型

图6 结构第三振型

对于山体的基础部分，原有的土建已经设置了一个大筏板基础，基础埋深为-1.5m。山体的钢结构通过设置混凝土短柱与筏板基础连接，在混凝土短柱顶上拉结混凝土梁使短柱形成整体，在山体钢结构模型分析中，需考虑此部分混凝土结构对钢结构产生的影响。

4 结语

本山体工程造型非常异形多变，为适应这种复杂异形多变的造型，采用钢桁架支撑结构，将一个原本看起来非常复杂的结构像搭积木一样把整个结构变成是若干个简单的结构组装起来，使整个结构体系变得简单，主次分明，受力更加简洁明了。对于这种复杂的结构，结合荷载规范的要求，通过合理地适当放大风荷载来考虑各种可能出现的不利因素，保证结构的安全性。通过对本项目的结构建模分析，荷载考虑和结构设计的总结分析，希望能给同行提供参考。