世界建筑奇迹——世茂深坑酒店结构设计十大挑战

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文章来源：DCStructure
项目概述
        世茂深坑酒店位于上海西郊古城松江天马山深坑，原为卢山。位于官塘之东，与钟贾山相对峙，东北远望佘山，嘉庆府志载，可能是以卢姓得名。解放前开始炸山采石，至50年代末，整个山丘已荡然无存，至2000年挖出近80米的深坑。



位置示意图

        深坑近似椭圆形，上宽下窄，面积约36800m2。其周长约1000m，东西向长度为280m左右，南北向宽度为220m左右，深度最深约80m，深坑崖壁陡峭，坡脚约80°。深坑围岩由安山岩组成，收集雨水后成为深潭。



深坑概况



深坑主体一侧原状



深坑主体对面原状



建设初期现场踏勘



建设初期下坑唯一栈道

        作为深层地下空间资源开发利用的引领之作，世茂深坑酒店创新性地将废弃矿坑“化腐朽为神奇”。着眼利用于城市空间的价值最大化，综合运用建筑行业前沿技术与生态环保理念，遵循自然环境规律，巧妙结合矿坑的实际地势结构，突破技术限制，在将“向地表下拓展空间”的设计理念变成现实的同时，修复和再利用遭受环境破坏的城市空间区域。



深坑酒店草图

        深坑酒店由一座五星级酒店及相关附属建筑组成，坑内16层（包括水下2层），坑上3层（±0以上2层，坑上裙房地下室1层）。深坑酒店主体建筑主要分为三部分：地上部分、坑下至水面部分、水下部分。地上部分的裙房平面南边酒店的主入口连接中心大堂，北面为后勤服务区域，东边的宴会会议中心和西边的餐饮娱乐中心。主要的客梯和观光电梯组位于建筑的东西主要轴线上。坑下至水面部分以建筑的酒店客房为主。各个楼层建筑平面均以曲线单元存在，单侧布置客房，面朝横山景观，向内朝向崖壁为背景设计的天然室外中庭。客房主体各层均设有贯穿南北两端的水平通廊，串连起各个客房。层与层之间以形似瀑布的竖向交通核心筒连接。水下部分是酒店的特色客房区和特色水下餐厅。建筑平面上延续主楼的曲线形式，客房布置在曲线的外延，满足观看水景的要求。配合客房和餐厅的位置，在外围设置2米纵深的水族缸，人造各种主题水族馆。



建筑剖面图



效果图1



效果图2



实景图1



实景图2



实景图3



实景图4

        深坑酒店的建筑造型新颖独特，主体建筑依崖壁建造，主体结构复杂的建筑体型及支承形式，在国内外建筑工程中没有先例，在很多方面都超越了现行技术标准，其设计与施工的复杂性及难度之大前所未有。面对严峻的挑战，结构设计团队反复推敲，多次求证，进行了大量的技术攻关，在设计和施工中进行了大量的创新。下面介绍深坑酒店结构设计的十大挑战：
01-竖向多点约束

        常规建筑结构形式类似悬臂梁，底部嵌固，上端自由，自振模态类似悬臂梁，悬臂梁模型的自振周期长，刚度相对较弱。



悬臂梁模型自振模态

        世茂深坑酒店位于80余米深坑内，常规悬臂式结构形式已不能满足建筑使用功能及结构安全性需求，需寻求一种新的结构形式与建筑、结构完美融合。受启发于桥梁结构形式，根据世茂深坑酒店的特殊性，采用竖向多点约束结构形式，带支撑的钢框架结构体系，其主支承框架的上、下两点均设置支座约束。



结构形式示意

        目前现有的规范、规程均仅适用于单点支承的悬臂结构，对本工程并不适用。两点支承结构体系的剪重比、刚重比、位移比、层间位移角等结构设计的总体指标评判标准，均与常规的悬臂结构体系存在着实质性差异。竖向多点约束模型的自振周期短，刚度相对较强。在地震作用、风荷载等水平荷载作用下的变形特征是剪切变形；其层间位移角小，但位移成分中包含较多的有害位移。中上部层间剪力最小，底部和顶部层间剪力较大；底部和中上部弯矩较大。



地震作用下楼层层间位移角曲线

        地震作用下，中部楼层位移最大，顶部和底部收到约束位移较小。三维整体结构在地震作用下坑顶和坑底位移较小、层间位移角也较小，但中部位移较大，而层间位移角相对变小了，中部偏上和中部偏下位置层间位移角略大。整体结构的变形特征是剪切变形，其层间位移角小，但位移成分中包含较多的有害位移。结构中部位移最大、层间位移角最小，并不是表明结构中部楼层的刚度较大，体现了竖向多点约束结构形式的受力特性，和普通高层建筑结构“悬臂梁”的受力特性有本质的差别。



地震下楼层层间剪力曲线

        坑内主体建筑在坑顶通过跨越桁架和坑顶相连，首先需要确定跨越桁架与坑顶基岩是铰接连接还是滑动连接。结构方案选型中对两种方案均进行了研究和试算。



两种结构方案的简化模型

        建筑平面是沿悬崖壁坑边线而布置的“L”形的弯曲狭长平面，结构在地震作用下极易产生扭转。如果跨越桁架在坑顶的支座采用滑动支座，那么结构在地震作用下扭转运动时，各个滑动支座的位移量差别很大，离扭转中心近的滑动支座位移量较小，离扭转中心远的滑动支座的位移量非常大；普通滑动支座难以满足特殊的位移量要求，即使采用限位功能的滑动支座，滑动位移量也远远超过其限位位移。考虑滑动支座的上述具体问题后，最终选用跨越桁架在坑顶与基岩铰接连接的结构方案。
02-复杂地震作用

        深坑酒店主体结构由20多榀钢桁架组成，钢桁架一端和坑内的酒店主体结构相连，另一端在下弦部位（B1层）采用铰接支座支承在坑口的基础梁上，为酒店主体结构提供水平方向约束，坑内及坑口两个支承点之间立面落差达80余米。



工程场地剖面图

        对本工程坑顶坑底输入安评报告提供的加速度时程曲线进行小震下的时程分析时，坑顶坑底的位移漂移竟达到了5m，这明显与实际情况不符合。用大质量法采用有限元软件对简化的模型进行多点加速度时程分析，同样产生了坑顶坑底的位移漂移。为了防止低频漂移，中国地震局地壳应力研究所选用了高通滤波器，对位移时程波进行了修正；给出的安评报告中提供了与加速度时程曲线相对应的位移时程曲线，坑底和坑顶位移差很小，小震下不超过1cm，大震仅为6cm。因此，和其他仅有相位差的考虑行波效应多点输入不同，本工程进行多点输入时程分析时，无法采用加速度时程曲线，只能输入位移时程曲线。场地地震作用计算，利用二维有限元计算软件工程场地进行动力响应分析。考虑到重点关注的M点及N点的位置以及边界条件的选取情况，计算模型水平方向取1020m（坑壁左侧取120m，右侧取900m），坑底以下取100m（坑顶地表与底边界距离178m）。采用四边形网格进行离散。



计算模型局部

        计算采用时域等效线性化法，即通过多次循环迭代，直至土层各单元的剪切刚度、阻尼比与其应变水平相匹配。为提高收敛速度，先利用一维等效线性化方法进行试算，并将计算结果作为二维迭代的初值。利用数值计算模型，以反演得到的180m深度处输入面入射波为输入，计算不同超越概率水平下点M（43，0.0）和点N（-12，-78.1）以及钻孔GW21（注：位置与GW23孔相近）地表点（坐标系见图3.11）的动力响应，研究了不同点的振幅值特性及其相位差。分析表明，无论是水平向还是竖向加速度响应，坑顶地表点M和坑底地表点N的振幅差最高可达50%或以上。因此，进行建筑物抗震计算时，对分别位于坑底和坑顶部位的支座，应考虑其输入激励的差异，即采用多点输入方法，坑底和坑顶部位分别采用地震安全性评价给出的不同的地震加速度峰值和反应谱数据，但多点输入分析时可不考虑相位差别。地震安全性评价报告提供了N、M及GW21共3点处的地震动参数（包括反应谱、加速度时程曲线及位移时程曲线）。结合多点地震计算分析结果，选取M点地震动参数作为本工程抗震分析设计的依据，并考虑地质情况、场地类别、结构阻尼比和抗震规范的要求，即设防烈度7度（0.1g），设计地震分组第一组。



规范反应谱和安评反应谱结果对比

03-复杂风荷载

        规范求解风振系数均是只考虑结构第一模态，对于一般悬臂型结构，例如框架、塔架、烟囱等高耸结构，高度大于30m且高宽比大于1.5且可以忽略扭转的高柔房屋，由于频谱比较稀疏，第一振型起绝对影响，此时可以仅考虑结构的第一振型。但本工程为上下两点支撑结构体系，若只考虑第一模态，可能会忽略一些主要贡献模态，宜考虑多振型对结构风振系数的影响。结构在频域内的风振分析是从随机风荷载功率谱出发来求解结构风振反应，建立输入风荷载谱特性与输出响应之间直接关系，具体步骤为：输入风速功率谱密度函数→求风荷载功率谱→计算结构传递函数→求风激励特征值→计算结构响应均值→计算结构风振动力响应。由于建筑物的几何尺度很大，风洞实验不得不采用缩尺模型，根据流体力学的相似定律，实验模型和原形实物必须满足诸如欧拉数、雷诺数、斯超海尔数、弗劳德数等一系列无量纲数相等的原则。然而实际情况却不可能满足所有的相似规则，常规风洞试验较难精确模拟本工程实际的复杂情况。而数值风洞却可以完全按照1:1的全尺寸模型对建筑物及周边环境进行精细建模，避免了风洞试验只能进行缩尺计算的不足。鉴于此，对该建筑进行数值风洞模拟计算，为主体结构及幕墙等围护结构设计提供准确的风荷载数据。计算模型需要考虑周边环境对建筑的影响，因此需要将方圆1公里以内的地貌环境进行整体建模计算，建筑模型采用三维效果模型蒙皮而成，使得计算更贴近结构模型，考虑从0度到315度，间隔为45度的八个风向角下的风荷载。



三维建筑模型



数值风洞网格划分



数值风洞网格局部加密

04-坑底复杂地貌基础设计

        由于坑内地形起伏很大，地形测绘资料不够完善，常规的测绘和基础设计方法由于复杂地貌的影响，会带来较大设计误差，甚至影响基础设计的安全性。为此，引入三维激光扫描技术，它具有高效率、高精度的独特优势，精准的测绘数据，为设计提供可靠的技术支持。三维激光扫描技术能完整并高精度的重建扫描实物及快速获得原始测绘数据，可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集的真实数据，后期处理的数据完全真实可靠。



三维激光扫描仪的基本工作原理

        借助三维激光扫描技术，快速获得原始测绘数据，完整并高精度的重建坑底复杂地貌三维模型，为复杂地貌基础设计提供精确完整的数据。



基础岩面实景图



三维扫描点云生成等高线图



三维扫描点云生成岩面实体模型



基于三维激光扫描工程协调设计

        应用三维激光扫描技术的高效率、高精度、逼近原形的独特优势，将坑底复杂地貌情况的许多不可预见的问题提前暴露和发现。由于坑内持力层起伏变化较大，原结构基础设计标高与现场岩面实际标高有差别。为满足基础设计要求，一方面对设计标高以上岩面采用爆破的方式，另一方面对岩面标高较低区域采用回填混凝土。由于岩面爆破无法保证开挖后完成面完全符合基础设计标高，同时爆破对边坡的安全稳定影响极大，而大面积回填混凝土又会造成工程造价的增加，如何在两种方法之间寻找合理平衡成为基础设计的关键。
        三维激光扫描技术建立的三维模型能直观判断基础设计标高与实际岩面之间的相对关系。通过三维扫描得到各个基础下岩面真实情况，调整基础设计，并将调整后设计成果反馈三维模型进行检验，通过调整——反馈——再调整，直到基础设计安全经济。
05-崖壁稳定性

        根据国家《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）第3.2.1条：当岩体类型为Ⅰ类或Ⅱ类，边坡高度不大于30m，破坏后果很严重，则安全等级为一级。本项目现边坡高度达70m，显然超出现行规范的最高边坡规定，应属于超级边坡。
        为真实反映岩体三向应力状态，建立三维实体力学模型，进行岩质边坡的三维抗震稳定性分析评价。外荷载包括深坑开挖效应、建筑物荷载、地面超载、地震作用，并考虑岩质边坡与主体结构的相互作用。类似边坡稳定二维有限元动力分析方法，采用三维动力有限元法与强度折减法相结合的方法，对边坡地震作用下的动态响应特性及动态响应下的边坡失稳特性进行分析。
        坑周为不规则曲边，三维模型规模较难控制，选择高130m、长677.4m、宽626m三维实体模型，总单元数247867，总节点数253779，其中坑周单元分布密集，密集范围内的单元最大尺寸不超过2×2×2m，密集范围内单元总数为185729。



计算模型

        真实考虑锚杆对岩体的加固作用，锚索采用二结点的杆单元模拟，对杆单元施加预拉力从而产生想要达到的预应力加载效果。计算中不考虑锚索锚固段与岩土体之间的相对滑移。计算中首先将锚索单元设为空单元，对模型施加重力求出边坡内的初始应力分布，然后激活空单元，导入初始应力场，施加静力超载和动荷载，求出在静力超载和动荷载作用下基坑的基本受力与变形特征。



模型+锚索



静力载荷总体分布图

        基坑三维实体计算模型，静力计算时，载荷包括结构自重、各种上部结构超载等，静力载荷总体分布如图所示。动力载荷为小震及中震加速度时程。
        采用锚固支护时，小震工况下基坑等效塑性应变云图如图所示，由下图可知，当折减到极限状态（安全系数Fs=1.6）时，基坑等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通，岩体达到失稳状态。



锚固支护条件小震工况下Fs=1.3时等效塑性应变云图



锚固支护条件小震工况下Fs=1.6时等效塑性应变云图

        采取有效锚固支护措施，边坡在静力荷载及小震作用下稳定系数较大，有一定安全富余，在大震作用下，边坡仍能满足稳定性要求。
        通过边坡稳定分析结论，对于滑动面贯穿的岩体，应布置预应力锚索，以保证岩体的整体稳定性；而对于边坡底部表面风化较为严重的岩体，则应采取锚杆和喷网支护，以保证该处岩体的局部稳定性。在施工过程中，避免使用扰动较大的施工方法，如爆破等手段。
06-结构平面不规则

        由于建筑体型的原因，坑内酒店标准层平面为弯曲狭长形，两个方向刚度相差较大。通过设置抗震缝，以尽可能减少地震作用下的相互影响。并在刚度薄弱方向设置埋藏于隔墙内的钢支撑，使结构两个方向刚度匹配，大大提高结构的抗震性能，同时钢支撑的设置也对均衡两侧折线形钢柱的内力起到有利的作用。



坑内标准层典型结构平面图



坑内B14层结构平面图



坑顶跨越桁架平面布置图

07-结构立面不规则

        针对建筑双曲面的空间造型，结构采用带支撑的折线形钢框架结构体系，其中框架柱为沿建筑曲面形态设置成分段折线形柱，结构竖向构件的传力直接、安全，同时，折线形钢管柱也便于工厂加工和现场施工。



塔1结构剖面图



塔2结构剖面图



垂直交通单位结构剖面图

08-坑口支座设计

        主体结构在B1层与F1层设置跨越桁架并搁置于坑口大梁上，形成主体结构的顶端约束。跨越桁架可以对空间弯折的酒店主体结构以“扶持”，并与其共同整体受力，大幅提高了结构的整体刚度，跨越桁架同时也为坑内地上部分钢结构的弹性支座。
        支承跨越桁架的坑口支座通过采用混凝土抗剪键、预应力锚索等方式与坑口岩体紧密连接，有效的将坑口的水平力传递至坑上土体。同时考虑坑口支座的重要性，设计时满足大震不屈服性能目标的要求。



坑口基础梁平面布置图



典型跨越桁架三维模型



坑口支座节点详图

        坑口基础地梁为条形基础，基础持力层为中风化基岩, 岩石承载力特征值为1700kPa。基础梁上设置一圈混凝土挡土墙，起到围护和挡土作用并加强支座所在部位的刚度, 基础梁和外围地下室底板连成整体，满足作为地上2层钢框架结构嵌固支座的要求。条形基础主要由基础地梁、型钢支座预埋件、钢筋混凝土挡墙、岩石预应力锚索、混凝土抗剪键、基础排水管等组成。



锚索一大样图



抗剪键有限元分析



球形支座尺寸示意图

09-异形节点设计

        根据建筑师的要求，钢管混凝土柱的直径仅为600mm，考虑钢管混凝土柱的钢管径厚比要求，钢管混凝土柱极限承载力已为定值，从结构安全性出发，在满足建筑师要求的前提下，利用建筑隔墙，对圆钢管柱进行局部加强，使钢管柱加强端隐藏在建筑隔墙内。既满足建筑使用功能，又满足结构安全。



异形柱截面示意图

        由于本工程带支撑钢框架的设计特点为上、下两点支承，上支承点通过跨越桁架端竖杆件、端斜杆以及端下弦杆交汇处的节点与坑顶固定铰支座全熔透焊接连接，考虑到跨越桁架的设计性能目标为大震不屈服，怎样合理地设计此桁架相连节点，将杆件在大震作用的内力有效、直接得传递至基础梁上的固定铰支座，成为跨越桁架杆件节点设计的关键问题。



异形钢管混凝土柱XTRACT建模

        此异形钢管混凝土柱在各荷载组合下的轴力-弯矩曲线计算结果如图所示，验算结果表明，满足设计要求。


        异形钢管混凝土柱的ANSYS几何模型如图所示，异形钢管混凝土柱高度为一层楼高。假定模型的边界条件为底板固接，顶部约束水平约束，模拟楼板、钢梁以及钢支撑对钢管砼柱的约束。




10-施工模拟分析

        在整个施工过程中结构是一个时变体系，结构的材料参数、几何参数、荷载边界条件都随施工进程而改变，结构竣工状态的内力和变形也是各施工步骤效应的累积结果，与施工过程和时间效应密切相关。施工过程分析是建筑结构设计的重要内容，目前国内外对传统悬臂型结构体系施工模拟分析已经较为成熟，但由于现场施工条件的局限性，在施工过程中无法同时达到两点支承（即刚度一次形成），故本工程的施工模拟分析尤为重要。






        在结构设计时，一次性加荷作用是设计考虑有性能目标的计算荷载，而施工模拟的荷载重现期是10年，不考虑地震作用及支座强迫位移，支撑也不考虑往复作用，故施工模拟较一次性加载的构件应力比虽有增大，但幅度有限，基本都在10%以内（除个别构件应力比较小的增幅较大外）。但施工模拟下的所有构件应力比计算都是基于在不考虑地震作用下的比较，且荷载按等效均布荷载考虑。最终设计应根据原有设计的应力比，再考虑施工模拟的不利影响的程度，对相应构件进行局部加强或采取其他措施消除施工模拟的影响。




        从计算分析结果看：在楼板浇筑之前，构件应力处于非常小的状态，水平位移也非常小，结构在跨越桁架合拢之前的最大位移不超过20mm。
        释放临时约束并完成所有楼板浇筑之后，构件应力、位移都有所增加，但都处于可控范围内。结构的位移和应力水平较框架与楼板同时施工方案有很大改善。
        在结构设计时，一次性加荷作用是设计考虑有性能目标的计算荷载，而施工模拟的荷载重现期是10年，不考虑地震作用及支座强迫位移，支撑也不考虑往复作用，故施工模拟较一次性加载的构件应力比虽有增大，但幅度有限，基本都在10%以内（除个别构件应力比较小的增幅较大外）。但施工模拟下的所有构件应力比计算都是基于在不考虑地震作用下的比较，且荷载按等效均布荷载考虑。最终设计应根据原有设计的应力比，再考虑施工模拟的不利影响的程度，对相应构件进行局部加强或采取其他措施消除施工模拟的影响。
总结

        “深坑酒店”在负80米的坑中建造，化腐朽为神奇，创造全球人工海拔最低五星级酒店的世界记录。本项目遵循自然环境、反向天空而向地表以下开拓建筑空间的建筑理念成为人类建筑设计理念的革命性创举。本项目在设计和建设施工中解决了诸多工程建设难题，使其成为当代新科技与工程技术的结晶。美国国家地理频道《伟大工程巡礼》全程跟踪记录报道，也充分体现了本项目的难度和关注度。作为世界上第一个建在废石坑里的五星级酒店，“深坑酒店”无疑是今日全球独一无二的奇特工程！
参考文献
[1]陆道渊等.世茂深坑洲际酒店结构设计[M].中国建筑工业出版社.
[2]华东建筑设计研究院有限公司.“松江辰花路二号地块”深坑酒店结构抗震超限审查报告[R]. 2010.
[3]汪大绥,陆道渊等.世茂深坑酒店总体结构设计[J].建筑结构，2011，41（12）
[4]陆道渊,唐波等.三维激光扫描技术在世茂深坑酒店基础设计中的应用[J].结构工程师，2016：32(2)：159-164.[5]相关项目资料.
项目获奖：

1、上海市勘察设计行业协会结构专业一等奖；
2、中国建筑学会结构专业一等奖；
3、中国土木工程詹天佑奖。