建筑结构·专访丨中国院设计师揭秘“爆红”的哈尔滨冰雪大世界场馆结构设计

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中国院设计师揭秘“爆红”的哈尔滨冰雪大世界场馆结构设计

这个冬天，最火热的城市非冰城哈尔滨莫属，他以其独特的魅力和丰富的文化底蕴吸引了全国的目光，上演着哈尔滨版的“冰与火之歌”。“尔滨”厚积薄发，“尔滨”人民热情好客。哈尔滨冰雪大世界作为“尔滨”最耀眼的名片之一，其始建于1999年，经过20多年的积淀，更是得到了来自全球游客的青睐，蜚声海内外。
2019年，中国建筑设计研究院有限公司受委托开展冰雪大世界四季冰雪项目的扩建设计，大部分新建设施在今年的第25届哈尔滨冰雪大世界中已投入使用，广大游客不仅可以在室外欣赏美轮美奂的冰雪王国，也有可以暂时躲避严寒，进入室内品尝美食，体验游乐设施的“室内暖空间”。



在2024年1月5日举办的2024中国冰雪旅游发展论坛上，哈尔滨冰雪大世界以81万m2的园区面积，成功挑战吉尼斯世界纪录，获得“世界最大的冰雪主题乐园”称号。数不胜数的冰雕冰建，以及冰山馆大滑梯、雪花摩天轮、团体售票大厅、冰雪秀场、梦幻冰雪馆等场馆，在五彩斑斓的灯光映衬下，共同呈现出梦幻般的童话世界，也为游客提供了温暖舒适的体验。



绚丽多彩的冰雕冰建，是多年来冰雪大世界的灵魂，位于场心，而新建的各种功能室内场馆，则布置在场地周边，为广大游客提供服务。建筑采用“大地景观式”的设计理念，建筑仿佛自然生长出来，消隐于环境中，共同烘托“冰雪”这个真正的“主角”。

▲ 冰雕冰建及设施场馆环绕主塔“冰雪之冠”布局

（一）冰雕冰建基础设计

冰雕冰建是冰雪大世界的灵魂，哈尔滨的工匠师傅们用自己巧夺天工的双手，为全球游客奉上了一场冰雪盛宴。冰雕冰建的体量及荷载均较大，设计需要综合考虑地基条件及不同冰雕的荷载，采用不同的处理方法，比如桩基础、地基处理等方式，保证基础的承载及变形能力，满足要求。
1）冰雪之冠
园区主轴线上的“冰雪之冠”，其高度达到43m，用冰量达到1.3万m³，是园区内最高、单体最大的冰建景观。面对如此体量的主冰雕，设计团队经过计算，采用2m间距的群桩基础，桩径600mm，承台厚800mm，承台下设有1200mm厚砂垫层，桩型为钻孔压灌超流态混凝土桩，桩端持力层为⑥粗砂层，为“冰雪之冠”打牢基础。

▲ “冰雪之冠”远景

▲ “冰雪之冠”俯瞰

2）梦幻冰雪馆
梦幻冰雪馆包含冰雪娱乐馆、美食馆和游乐馆等3个场馆，主体为框架结构，采用桩基础。首层地面荷载较大，冰雪娱乐馆冷区有冰场、雪场、制冷机房、彩冰车间、冰雕等，餐饮管和游乐馆暖区有多种游乐设备（旋转木马、小摩天轮等），考虑到表层原状土土质较差，若通过首层梁板承重传递给基础，经济性较差。因此，结合场馆内冰雕冰建的荷载条件，经过结构比选，采用首层不做结构梁板，进行地基处理（强夯+沉管挤密碎石桩）的方式，首层地面荷载通过建筑刚性地坪直接传递给地基。

▲ 梦幻冰雪馆分布位置

（二）大地景观式建筑理念的结构实现手法

为了实现建筑物与大地景观的完美融合，场地内的建筑物，建筑师在设计时，结合整体场地和建筑效果，利用场地平面标高变化，营造出一种建筑生长于场地的意境，在建筑的其某一侧或某几侧与场地景观覆土相连，并且部分或全部屋面上有覆土，实现景观-建筑的过渡融合，有部分建筑（如园区内分布的配套商业）仅在一侧开门窗，其余部分全部隐藏在覆土以下。结构设计中针对不同的场馆设计条件，采用不同的结构方式处理建筑与景观堆土的衔接，既满足了建筑与景观完美结合的效果，同时尽量减小堆土对结构产生的不利影响。
1）冰山馆大滑梯
一进主入口，北侧就是网上爆红的500m大滑梯，这些壮观的滑梯正是冰山馆的一部分。冰山馆与大滑梯采用一体化设计，像一座山围绕在冰建区的北侧。这样的空间布局一方面利用天然的高度抵挡冬季的寒风，提高参观冰建的观众舒适度；另一方面，结合大滑梯设置餐饮、商店等设施，为游客提供必要的服务，提高游览舒适度。冰山馆中央大厅的造型采用冰块垒砌的形式语言，仿佛一组冰山立于园区之中。大滑梯在造型上与建筑相融合，造就了园区人气最旺的网红打卡地。

▲ 冰山馆大滑梯实景

▲ 冰山馆设计效果

▲ 大滑梯施工照片

大滑梯分为低区、中区和高区，高区最高处标高约20m，大滑梯坡度采用堆土形式进行放坡。靠近冰山馆一侧，为避免滑梯堆土对冰山馆结构产生过大的土侧压力，在靠近主体结构的一侧，滑梯堆土采用土工格栅加筋放坡，堆土与冰山馆之间采用变标高的室外架空结构平台过渡，从而大大减小了高堆土对主体结构的影响。

▲ 大滑梯高区推土与冰山馆衔接示意

▲ 500m大滑梯出发点位于冰山馆建筑顶部

2）梦幻冰雪馆
梦幻冰雪馆的三个场馆由尾部到主入口处标高逐渐升高，实现由景观大地到场馆的过渡生长，场馆屋顶除中间大跨度钢结构屋盖外，均设置种植土，与场地景观完美融合。结合推土条件，结构设置了架空层，架空层与场馆结构之间设置变形缝。在建筑跟部堆土较高区域采用堆土放坡，堆土可自然放坡进入架空层内部，架空层柱下布桩，并考虑堆土的水平推力。此外，在架空层屋顶、场馆屋顶布置覆土，从而实现覆土从大地连续延伸至场馆的效果。

▲ 梦幻冰雪馆堆土示意

▲ 架空层剖面及覆土示意

▲ 梦幻冰雪馆施工过程照片

（三）场馆外立面设计

综合考虑效果和成本因素，不同部位的外立面分别采用了玻璃幕墙、毛石砌筑墙、干挂石材、外贴文化石等多种形式。在设计时始终遵循建筑结构一体化的原则，各类幕墙的受力结构或内衬结构均与建筑的主体结构共同设计、一体施工，虽然这对设计团队要求更高，设计工作量增加，但实现了更好的建筑效果，也有效降低了建设成本，一举多得。
1）冰山馆
冰山馆采用外包玻璃幕墙呈现出昂扬向上、巍峨耸立的“冰山”块体，有很强的视觉冲击力。幕墙主龙骨在主体结构设计中与主体结构统一考虑，建立整体结构模型计算。

▲ 结构计算模型

▲ 冰山馆建成照片

▲ 冰山馆室内实景

2）梦幻冰雪馆
梦幻冰雪馆建筑外围主立面为毛石砌筑墙，毛石墙按照1:10斜率倾斜。采用建筑结构一体化设计思路，在主体结构外围为毛石墙设置圈梁、构造柱，作为毛石的支撑结构。构造柱下端锚固在主结构的挑梁、挑板上，并在倾斜毛石墙内侧设置双向钢筋网片，与毛石砌块中嵌入的销片、角钢焊接。

▲ 毛石墙外立面施工过程照片

▲ 美食馆外立面实景

（四）梦幻冰雪馆结构设计

梦幻冰雪馆由冰雪娱乐馆、餐饮馆、游乐馆组成。三个场馆间设置变形缝，划分为三个独立的结构单体。其地上混凝土结构均为2层，无地下室，中庭通高区域屋顶为大跨度钢结构屋盖，最大高度为19m。

▲ 梦幻冰雪馆夜景

▲ 梦幻冰雪馆（三馆）计算模型

其中，冰雪娱乐馆建筑面积约2.3万m2，中庭区域为冷区，设置冰雪娱乐设施，包括冰场、雪场、制冷机房、彩冰车间、造雪马道、冰雕等设施，主要定位为室内的冰雪游乐园。餐饮馆的主要功能为餐饮及小型演艺，为暖馆，建筑面积约1.5万m2。游乐馆的主要功能为室内互动游乐园，包含转转杯、旋转木马、超级绳网、冰滑梯、小摩天轮、娃娃机、旋转塔等游乐设施及一条室内冰滑道，为暖馆，建筑面积约1.3万m2。在设计过程中，冷区结构需要与保温墙板结构、制冷、造雪、吹雪设施、屋顶马道等配合，暖区结构需要与各种室内餐饮及娱乐设施、景观构筑物等配合，设计细节较多。

▲ 冰雪娱乐馆室内布局

▲ 餐饮馆室内布局

▲ 游乐馆室内布局

冰雪娱乐馆的平面尺寸(长×宽)为113m×183m，钢屋盖的平面尺寸(长×宽)为87m×113m，屋面吊挂荷载较大，采用混凝土框架+双层网壳的结构形式，餐饮馆、游乐馆采用混凝土框架+开花柱+单层网壳的结构形式，平面尺寸(长×宽)分别为100m×108m和95m×117m，钢屋盖的平面尺寸(长×宽)分别为50m×73m和51m×74m。

▲ 冰雪娱乐馆屋盖跨度示意

▲ 餐饮馆屋盖跨度示意

▲ 游乐馆屋盖跨度示意

冰雪娱乐馆、餐饮馆、游乐馆在建筑中部均设置平面近似椭圆形的通高大厅，周围环绕不同的功能分区。
冰雪娱乐馆屋顶吊挂设施较多，比如下挂设备马道、冷区保温板及各工艺吊挂设备，因此采用双层网壳结构，矢高4m，在中部设置4个支撑点，减小屋盖跨度，网壳厚度取为3m，采用焊接球节点。
餐饮馆、游乐馆考虑后期吊挂荷载较多，结合建筑及业态造型采用单层网壳+开花柱的结构形式，矢高4m，网壳采用箱形截面，开花柱采用圆管，分叉位置刚接，与网壳连接部位采用销轴连接，为增加单层网壳的自平衡能力，对环梁截面予以加强，增强边界约束。支座均采用板簧弹性支座，并采取限位措施。弹性支座的设置不仅可以很好地释放屋盖结构由于自重产生的水平推力，减小对下部结构的不利影响，也可以释放温度变形，减小由于温度作用导致的钢构件应力比加大。

▲ 冰雪娱乐馆钢屋盖整体提升施工

▲ 焊接球节点施工过程照片

▲ 下挂马道施工过程照片

▲ 美食馆单层网壳+开花柱施工过程照片

▲ 美食馆单层网壳+开花柱施工过程照片2

▲ 美食馆开业现状

▲ 游乐馆单层网壳+开花柱施工过程照片1

▲ 游乐馆单层网壳+开花柱施工过程照片2

▲ 游乐馆开业照片

同时，设计团队采用Grasshopper参数化分析的方法，就屋盖钢结构网格划分尺寸对效果及用钢量的影响进行了方案优化比选。

▲ 屋盖钢结构Rhino模型

▲ Grasshopper参数化

此外，设计团队对典型节点和复杂节点进行了实体单元有限元分析，对节点受力及变形进行精细计算，即保证结构安全，又节约成本。

▲ 冰雪娱乐馆网壳外圈支座节点有限元分析

▲ 冰雪娱乐馆网壳跨中柱支座节点有限元分析

▲ 开花柱分叉位置节点有限元分析

▲ 单层网壳柱形节点有限元分析

次入口雨棚建筑形态飘逸，跨度达到25m，经过与建筑师密切配合，采用交叉网格+拉杆结构，网格梁采用仅200mm直径圆管，实现轻薄简洁的建筑效果。

▲ 次入口雨棚施工照片

目前餐饮馆和游乐馆已经对游客开放，冰雪娱乐馆预计将在今年6月开业，届时广大游客即使在炎炎夏日也能在哈尔滨体验冰雪的乐趣，为广大游客实现四季冰雪的愿景。

（五）冰雪秀场结构设计

靠近摩天轮的冰雪秀场，是另一个热门排队点。这里上演的“哈冰秀”，邀请了来自俄罗斯、美国等12个国家的50多位演员表演歌舞、杂技、花样滑冰等节目。

▲ 冰雪秀场实景

▲ 冰雪秀场室内效果

冰雪秀场为内部大空间建筑，中间表演区域为跨度60m支撑边界近似圆形的拱形屋盖，下部为秀场座位及周边服务空间，屋面结构结合建筑三角形网格化的造型，采用三向交叉钢管桁架结构体系，桁架交叉点间距10m，桁架分隔内部三角形交叉梁间距为5m，桁架结构高度为3m，屋盖桁架承担屋面荷载并吊挂整个舞台设备层，下部为混凝土框架剪力墙结构。
下部结构结合建筑对于外形及内部空间最终效果的要求，采用混凝土结构。建筑内部空间的主要通道由混凝土连续拱组成，壳体与各楼层相交，楼层结构为壳体提供侧向稳定，壳体也可以作为竖向支撑构件支撑楼面结构。屋顶位于混凝土壳体通道顶部的大跨度空间被一系列拱所分隔，混凝土拱脚部与壳体通道相连接，为混凝土壳体提供壁柱支撑作用，同时增加拱构件的落地面积，这些拱既承担结构支撑作用，又形成连续有机的空间。其他常规建筑空间采用框架结构支撑。
建筑首层作为整个建筑的嵌固端，考虑到建筑空间布局复杂自重分布不均匀，在局部地下室区域采用大板体系，尽量增加结构自重，降低抗浮结构代价，采用增加自重方式相较于抗拔桩的抗浮措施不仅造价较低，而且抗浮可靠性较高。
秀场屋盖由钢网架与桁架组成，屋盖下吊挂着滑轮梁与演绎所用栅顶层。屋盖跨度为59.8m（短向），矢高为4m，桁架高度最大为3m，对屋盖采用3D3S和盈建科进行对比分析，采用Midas和sap2000进行补充分析，采Abaqus进行节点分析，最终通过试验研究其受力性能。

▲ 结构计算模型

▲ 整体犀牛模型

冰雪秀场屋盖由三向交叉桁架组成，节点采用3向相贯节点加上腹杆，最多点有12杆相贯，节点形式较为复杂，通过1:2缩尺实验研究，研究其受力性能及受力机理。试件均采用Q345B的钢材，以典型试件1为例，试主圆钢管长2000mm，尺寸为∅203×8。支圆钢管端部距离主管轴线的距离为1100mm，尺寸为∅152×5，4个支管轴线与主管轴线的夹角为60°。
试验中采用两个液压伺服作动器进行轴向荷载的施加，此外，根据钢节点的受力特点，在关键部位的位置粘贴电阻应变片，了解该试件在整个受力过程中的应力状态。

▲ KK型节点位移计布置

▲ 加载装置图

▲ 试验现场照片

试验加载制度以25kN一级进行滞回试验加载，当试件进入屈服阶段后采用位移控制进行加载，以0.5mm（屈服位移）位移的整数倍的一半进行加载，直至构件的承载力下降到峰值承载力的85%时或试件出现较为明显的破坏时，则认为试件破坏，结束试验。试验研究表明，本项目节点安全可靠，承载及变形能力满足设计要求，试验结果可以用于指导项目设计，帮助设计人员更加精细地进行结构设计。

（六）场馆拱形出入口结构设计

主要场馆的主入口采用令人耳目一新的拱形，采用建筑结构一体化设计，由主体结构采用混凝土拱壳，利用犀牛Rhino建立三维模型，对拱形结构进行网格划分，通过节点坐标法对拱形结构进行精确定位指导施工，营造出完美的拱形效果。
1）团体售票大厅
团体售票大厅，主出入口采用混凝土拱壳结构，拱壳与主体结构混凝土框架剪力墙形成整体，共同受力。拱壳单独采用Etabs软件进行建模计算，并在YJK整体模型中进行包络设计。

▲ 团体售票大厅建筑效果

▲ 团体售票大厅结构计算模型

▲ 团体售票大厅拱形入口实景

▲ 团体售票大厅拱形入口计算模型

2）梦幻冰雪馆
相较于团体售票大厅，梦幻冰雪馆主出入口的拱形结构显得更为壮观宏大，水平跨度约23m，高度约12m。

▲ 梦幻冰雪馆拱形出入口

▲ 梦幻冰雪馆拱形出入口计算模型

▲ 拱形结构三维定位模型示意

（七）雪花摩天轮设计

120m高的摩天轮在核心展示区的西侧，不但为冰建区提供了一个从高视角俯瞰的视角，更重要的是为太阳岛和哈尔滨提供了一个新的标志点。摩天轮由厂家巨马提供，基础需要承受较大水平力和抗拔力，经过计算，选用钻孔压灌超流态混凝土桩的群桩基础。
摩天轮用房主要功能为摩天轮公共大厅、设备机房区、二层等候厅等功能。弧形长廊将摩天轮用房与周围其他后勤用房连接一起，依坡而建，蜿蜒曲折，与摩天轮结构结合设计，悄无声息地融入到摩天轮的基座中，成为整体场地的一部分。为减少冻胀对结构的影响，挡土墙侧面及承台四周需采用粗砂回填，分层压实，挡土侧设疏水板及盲沟，以减少对墙体的侧推力。

▲ 雪花摩天轮

结语

哈尔滨冰雪大世界四季冰雪项目倾注了包括设计人员在内的建设各方的大量心血和热情，开业后，看到全国的游客源源不断地来到哈尔滨，来到冰雪大世界感受冰雪乐趣，设计团队感到由衷的欣慰和自豪，希望我们的设计能够为每一位游客带来欢乐和温暖，您们的笑脸就是对我们付出的最大肯定。
希望我们设计的作品，“尔滨”人民能够满意，不负所托。特别值得一提的是，以往冰雪大世界的场地更多的只能在冬季使用，但有了这些新的设施场馆，整个园区即便到夏季也可以成为游客的避暑休闲之地，梦幻冰雪馆中的室内冰雪展示和娱乐区，可以一年四季为游客提供冰雪项目体验，让冰雪大世界真正成为四季都可以游玩的城市乐园。
我们一起祝福哈尔滨，祝福哈尔滨冰雪大世界，祝福每一位游客！


供稿人及单位：任庆英、孙海林、刘文珽、王海波、张晓萌等/中国建筑设计研究院有限公司


项目地点：哈尔滨市太阳岛·冰雪大世界园区
建筑面积：84984 m2
建设单位：哈尔滨冰雪大世界股份有限公司
设计单位：中国建筑设计研究院有限公司
施工单位：中建二局、中建八局


方案主创·总设计师：崔愷、任祖华
设计主持：崔愷、任祖华、梁丰、杜爱梅、陈曦
结构专业：任庆英、孙海林、刘文珽、王海波、张晓萌、张扬、陆颖、张世雄、刘子傲、周轶伦、郭家旭、霍文营、余蕾等
建筑专业：吴扬、盛启寰、齐欣欣、孙丽娟、王超若、冯骋成、李畅、孙柏、张帆、王敬一
暖通专业：王加、于澜
给排水专业：匡杰、张源远、李宏宇、张笑菡
电气专业：马霄鹏、张雅维、刘云强、邢健健
总图专业：高治、高伟
室内设计： UDe 优地易国际建筑设计(北京)有限公司
图片来源 ：哈尔滨冰雪大世界公众号、项目团队人员提供


参考资料：哈尔滨冰雪大世界，设计师带你逐一打卡热门景点

责任编辑：吴定燕

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