账号介绍：Q钢部落专注于钢结构设计，旨在通过此平台总结钢结构设计经验，展示设计师和项目的风采，交流设计感受。创始人赵建国（简称“首席”）现就职于中国建筑科学研究院建筑设计院综合钢结构设计中心，国家一级注册结构工程师，教授级高级工程师，长期从事钢结构设计工作，愿意和业内同仁一起学习提高。
海外工程钢结构设计NO.4——新加坡环球影城
背景诗：
十年磨一剑，机遇就到来了。
完成使命后，他默默挥手告别，只留下白云边的狮城。
六十年为一甲子，十二年为一季。
从2008年去新加坡参与环球影城项目到现在已经12年了，回想起来那是一个风雨飘摇的年代，一个项目跌宕起伏，影响了那么多人的人生轨迹。
图1 新加坡环球影城
图2 新加坡环球影城
大家不要再感叹人生了，回归正题，说说我们工程师吧！上一篇，老板说我嘻哈，我们再回顾一下，这次我来正儿八经的说说一些技术问题。
01
地下室上方的天堂
新加坡南端有一个小岛叫“圣淘沙”，环球影城就位于此处。
新加坡的土地面积大约有800平方公里，跟我们的海淀区差不多大，每一寸土地都价值不菲。圣淘沙是旅游胜地，每一寸土地都价值不菲，在这样的地方建主题公园，必须充分利用土地资源，这也造就了新加坡环球影城的一个独特之处：这是一个建在地下室上的公园。
图 3 新加坡环球影城布局
这个平面图是北向南的，乐园隔海与VIVO CITY相望，乐园分为HOLLYWOOD、DREAMWORK、LOST WORLD、EGYPT、SCIFI CITY、NEWYORK CITY、Water World几个区域，中间有一个LAGOON，一个小湖。在建的北京环球影城也是类似的布局，四周都是湖，不过北京的湖要大得多，很有帝王之风！你可能想不到，这一切都是在地下室之上，巨大的地下空间被临时用作我们的办公空间，当做停车库。你可以从岛北边开车过桥，直达乐园中心。
乐园的投资方是云顶集团，规划来自美国，这个很容易理解。建筑设计是DPA（这个建筑事务所好像被中国设计研究院收购了，俗话说得好）。设计是MAUNSELL，都是新加坡本土的设计公司。
其实这个项目的全称是RWS（Resorts World Sentosa），环球影城是其中的一个板块（MC04），我们既是整个钢结构的特约分包商，又是环球影城的总包商，一个人身兼两职！
02
欺骗的艺术：内在与外在
电影是视觉艺术，环球影城与电影有着千丝万缕的联系。
环球影城的环境营造无疑借鉴了电影布景的做法，我称之为欺骗的艺术，在我们建筑界，就是室内装饰和室外装饰两个“骗子”职业。
结构坚固，钢铁直骨。然而，我们的作品不会被外人看到，我们来看看“骗子”的伎俩：
图4 建设中的4D影院
图5 建造中的LOST WORLD
图6 正在建设中的LOST WORLD
图7 建设中的科幻城
图8 埃及在建
眼见为实？别这么天真！
03
一招足以征服世界：这个系统真的好用啊！
新加坡环球影城（MC04）项目拥有大量的结构形式，可以说是一套独特而又具有普遍性的系统，这到底是一个什么样的系统呢？现在以DARK RIDE 2（大名鼎鼎的MUMMY）为例对这种结构形式做一下简单的分析。
图9 黑暗骑乘2结构3D模型
DARK RIDE 2 长 95m，宽 61.5m，柱距 7.315m，檐口高 19m，在桁架跨度中间（一侧 25m，另一侧 36.5m）处设置中心柱或支架，支架最大跨度为两柱距，即 14.63m。桁架呈梯形，檐口处高 2m，脊处（即中心柱或支架）高 4m，平均跨高比为 1/8（25m 跨度侧），1/12（36.5m 跨度侧）。
从三维结构模型可以看出钢结构地脚螺栓设计长度计算，该体系的特点是利用柱、桁架、柱间连接梁（兼作墙梁）、柱间支撑、屋盖支撑等组成抵抗竖向荷载和水平作用的结构体系，功能明确、简单、有效。构件主要采用轧制或焊接的H型钢。H型钢有强轴和弱轴之分，该体系充分利用了其强轴的优势，有效地克服了其弱轴带来的弊端。考虑到节点连接的方便，桁架大多采用直立放置，依靠拉杆和竖向支撑，以减少计算长度，保证平面外稳定。
项目中大部分单位都采用了此系统，如：DARK RIDE 1、DARK RIDE 2、DARK RIDE 3、SOUND STAGE、SHOW FACILIT、4D CINEMA、HOLLYWOOD THEATER、FLUME RIDE 2等。
图10 建设中的好莱坞剧院
04
真装配：全螺栓连接的优点及问题
本工程几乎所有连接均采用螺栓连接，优点显而易见：最大程度减少了现场焊接，施工时间长，质量难保证，主要节点有桁架与柱连接节点、梁与柱连接节点、柱间连接节点、支撑节点、屋盖支撑节点。螺栓连接的计算这里就不介绍了，请参考BS相关规定。下面只列出典型的节点构造。
图11 典型节点1：桁架柱连接节点
桁架上弦杆通过端板与钢柱连接，屋架支撑采用偏心处理与桁架上弦杆连接，节点板水平放置。钢柱弱轴连接桁架通过节点板与钢柱连接，节点板设有水平加劲肋。杆件加设腋杆，在钢柱及桁架上弦杆对应位置设置加劲肋。
图12 典型节点2：柱支撑与柱连接节点
柱间支撑伸入柱内，柱底设有水平加劲板，保证地脚螺栓的安装空间，柱间支撑采用螺栓拼接。
图13 典型节点3：墙梁（含柱支撑）与柱连接节点
墙梁与钢柱的连接也是通过钢柱上向外突出的牛腿，钢梁与牛腿在节点处采用高强螺栓拼接。
图14 典型节点4：柱底节点
钢柱底座采用铰接设计，柱截面内布置锚栓，钢柱底板与混凝土结构成品面之间留有30mm灌浆层，锚栓上设置锚板，增加锚固效果，锚栓采用双螺母固定，具有防松作用。
凡是螺栓连接，对于安装精度的要求都很高，一旦出现偏差，就很难将螺栓安装到位。
05
檩条设计与施工
本工程主要采用两种檩条：C型檩条和Z型檩条。C型檩条主要用于荷载较小的屋面和单跨檩条。Z型檩条主要用于荷载较大的屋面和连续檩条。本工程屋面多为种植屋面（及覆土、覆草的屋面），此种屋面荷载较大，连续跨选用Z型檩条。Z型檩条可通过搭接实现连续跨，减少了跨中搭接长度。Z型檩条的搭接长度为其跨度的15%，均分在跨度的两端，即每边搭接长度为跨度檩条长度的7.5%。可分层堆放，运输及现场堆放时所需空间较小。
图15 现场堆放的Z型檩条
对于跨度大于4m的檩条，设置桥架。国内桥架一般采用钢管、方管或角钢，设置在屋脊或檐口处，并设有斜撑，限制檩条的侧向弯曲。工程支撑杆采用C型钢，每隔一跨设置一根。考虑到此屋面荷载较大，为了提高屋面的整体性，我们在没有支撑杆的位置增加了拉杆，对截面高度小于或等于250mm的檩条设置。对截面高度为300mm的檩条设置尺寸为d=12mm的支撑，对截面高度为300mm的檩条设置尺寸为d=16mm的支撑，支撑杆与支撑杆间隔设置。
支撑杆及其连接配件的详细图如下，其优点是连接方便，长圆孔设置实现了可调性，增强了施工时的适用性。
图 16 桥梁及其连接部分的详细视图
图 17 支架细节
06
墙体系统设计与施工
环球影城项目采用的是预制墙板，它的优点是减少了现场的湿作业，如砌砖或浇筑混凝土，另一方面可以加快施工进度，缩短工期。最初采用的是预制板。钢筋混凝土预制板的特点是墙体密度高，隔音隔热性能好，可以通过调整配筋来适应不同跨度的要求；它的缺点是墙板本身较重，给支撑构件（梁、柱）带来压力。这种方式的另一个明显的错误是，墙板使用了大量混凝土和钢材，却不起到结构作用，只起到维护作用，对结构完全没用。实际上，如果采用同样的材料，改变结构形式，即采用混凝土墙体和墙内的扶壁组成主体结构，屋顶采用大跨度屋架的钢结构，其结构性能将比现有方案不经济，材料需要节省钢柱、水平钢梁及柱间支撑。因此，采用钢筋混凝土预制墙板的方案既不经济，结构上也不合理，而且该类型墙板在实际应用中很少，在钢结构中就更少了，连接节点等支撑技术还不成熟，在环球影城项目中，仅对一家单体应用了此方案，在不影响体系的前提下，采用加气混凝土预制墙板替代钢筋混凝土预制墙板。
图18 ALC板墙面安装
加气混凝土预制墙板相较于普通钢筋混凝土预制板的优势在于：自重轻（容重约为普通混凝土的1/3）、工厂流水线加工、质量控制有保证、有大量的工程实践、配套技术成熟。在环球影城项目中，实际采用了两种面板布置方式：水平面板布置和垂直面板布置。两种面板布置方式对建筑的要求和影响这里就不讨论了，这里只讨论它们对结构的影响，并进行比较。
从结构设计的角度来讲，我们欢迎水平板，因为它们的传力路径更加直接，墙板的竖向荷载和水平荷载直接传递到钢柱上，轴向荷载和水平荷载首先要传递到梁上，梁再将上述荷载传递到钢柱上，这种情况下梁要承受墙板偏心引起的双向弯矩、剪力、扭矩，受力情况非常复杂，这对梁和节点的要求很高，而它在这个过程中只起到传递力的作用，所以从结构的角度来讲并不是一个好的解决方案。水平板在这方面的优势是显而易见的，但是它也有其局限性：受柱间距的限制。环球影城项目采用的是预制加气混凝土墙板（ALC板），墙板本身的跨度是有限制的。实际情况是，在环球影城项目中，根据不同单体的情况采用不同的布置方式，两种方式都用。
两种面板布置方法中连接墙板与钢结构的典型节点如下：
a. 垂直板 b. 水平板
图19 ALC板与钢结构梁或柱连接节点
07
锚栓不抗剪吗？
由于柱底板开孔一般较大，开孔直径一般比锚栓直径大10mm，当水平力传递到锚栓上时，结构已发生水平滑移，这在一般结构设计中是不允许的。国内设计一般不考虑锚栓的抗剪能力。水平剪力是靠柱底板与混凝土基础之间的静摩擦力来抵抗的，其抵抗力为0.3N，式中N为柱轴力设计值。0.3为钢柱底板与混凝土表面之间的静摩擦系数。
BS 考虑锚栓的抗剪性能，我认为一个前提条件是柱底座的孔径要符合高强螺栓孔的要求，也就是孔径只比锚栓直径大1.5-2mm才能保证传力。而达到这个条件的可能性很小，施工造成的锚栓定位偏差几乎是不可避免的。大部分都是现场扩孔来实现钢柱的安装，而扩孔直接影响到锚栓抗剪性能的前提条件。如何解决这个问题？
图20 锚栓法示意图
盖板的使用及相关问题：采用盖板时，开口直径比锚栓直径大1.5～2mm，即按高强螺栓的开口要求加工，可保证锚栓与盖板之间的力传递。柱上所受的水平力可通过盖板与柱底板之间的焊缝进行传递，传力路径为柱底板—焊缝—盖板—锚栓。此案伴随出现的一个问题是地面锚栓在柱底板厚度范围内是空心的，周边无支撑，相当于一个悬臂，锚栓在受剪切的同时还会受到附加弯矩的影响，应详细分析其受力性能。
08
太疯狂了！节点连接牢固且一致
在MAUNSELL的设计中，FSBW即全熔透对接焊被广泛使用。这给加工制造带来了很多问题，因为全熔透焊接的要求很高钢结构地脚螺栓设计长度计算，有些部位很难做到。下面我们来讨论一下如何处理，是否有必要，如果需要，如何实现。
首先我们来分析一下为什么FSBW在MAUNSELL设计图中被广泛使用，我认为有以下几个原因：
首先是位置角度不同：站在Maunsell的角度，显然简单地将大部分焊缝定义为FSBW的好处对他来说是显而易见的。这样，他甚至可以不做节点验证，只做构件验证。在如此大的项目，单位众多，时间紧迫，设计师又相对短缺的情况下，MAUNSELL可以为自己争取到相对宝贵的时间，而不用承担结构安全方面的风险。然而，这个成本就转嫁给了总承包商，如果我们按照MAUNSELL的设计加工，加工成本、检测成本、工期成本都会增加；如果不按照设计加工，需要申请设计变更，所产生的风险和工作量就不可避免地转嫁给我们了。
其次是曼森设计人员和设计流程的不足。曼森直接从事设计的工程师都比较年轻，大部分都没有钢结构设计经验。有时候节点设计和整体结构设计不是同一个人做的，甚至是同一个人做的，新加坡做整体设计，其他地方的分公司做节点设计。这样就导致节点设计人员对结构没有整体的概念，对构件的内力没有很好的理解和把握。设计经验不足，沟通不够，上级缺乏必要的指导和把控。这就导致设计图纸简单化，这对他们来说是一条捷径，而带来的问题是多方面的，在加工、安装环节更加突出，体会更加深刻。
一个连接或一个节点是否需要同等强度，应该基于一个普遍原则。原则之外，应该根据具体情况进行分析。它应该易于加工和施工，同时确保安全，节省成本。设计师的职责和责任。
强连接的必要性和可行性：
一般来说，只有两种情况需要使用相等强连接：
1）构件连接：即构件实际长度较大，又由于运输、施工等条件限制，采用分段加工。 各部分构件之间的长度连接应保证等强度。
2）计算内力达到构件或连接板的截面承载力（强度）：即构件或连接板承受较大的力，达到或接近其截面承载力，因此要求按等强度设计相应的连接焊缝。
对于其他情况，负责任的方法是分别验证每个连接位置的实际力，以便节点焊缝要求与实际力条件相匹配。
这里要提醒大家，要区分构件校核和节点校核：如果构件的应力比较大，构件的应力比达到0.99，那节点是不是要按照构件的全截面承载力来设计呢？我个人认为不是。肯定是的，因为构件的校核是考虑到稳定性等因素的校核结果的。对于节点来说，构件在节点处的实际受力并没有达到构件的全截面承载力。比如一个受压构件，考虑稳定性后的应力比达到0.99，但构件的实际内力却比其截面承载力（只考虑强度）小很多。该节点不存在整体稳定的问题，其校核应该把构件的实际内力拿出来校核。当构件的应力比几乎被充分利用时，就没有必要按照等强度来设计节点了。当然，强节点、弱构件的设计原则是另外一个需要考虑的问题。
在需要等强连接的位置，如何实现等强连接呢？直接的想法就是采用全焊透焊接来实现等强。如果工艺允许，这是一个比较直接可靠的方案。很多时候，由于工艺限制，倒角焊接无法完全实现。采用脚焊来实现等强是比较可行的办法。脚焊焊接简单，检验要求低。所需的焊缝高度其实可以简单计算如下（这里我们仅以厚度小于16mm的钢板为例）。
图21 焊缝连接示意图
表1 钢材强度f设计值(N/mm^2)
表2 底脚焊缝强度设计值(N/mm^2)
计算公式推导（双面脚焊缝，由于受力情况的多样性，这里不考虑正脚焊缝承载力提升系数1.22）：
这里，L 和 L-10mm 大约被认为是等效的（与焊缝的总长度相比，10mm 相对较小）。
上述公式列表如下：
表3 拉伸、压缩和剪切强度焊缝的焊脚高度计算
（双面脚焊缝，此处不考虑正面脚焊缝承载能力提升系数1.22）
以上是焊缝长度与连接板长度相等的情况，还有一些其他的连接情况需要具体分析。对于一些采用环向焊连接的节点，由于节点处脚焊长度增加，达不到连接的实际强度，可适当减小脚焊所需的脚高，如附图：与柱子弱轴连接的节点板，采用三面焊与柱子连接，达到等强度所需的脚焊脚高为：
图22 节点图
需要注意的是，达到等强度的脚焊缝应适用于较薄板的连接，对于厚板，还是需要开全坡口或部分坡口，并增加加强脚焊缝，才能达到等强度。焊接的计算可参考相关公式。这里介绍一种简单的算法：即把向内的切口简单看成向内的脚焊缝，其计算结果与部分熔透焊接公式计算的结果相差不大。
主要技术总结都是当年做的，从未公开过，所以有些不成熟，有些想法可能不合适，请谨慎使用！
最后附上一张旧照片：
图23 每个人都有青春
一首短诗：
这个皇城脚下的年轻人，满怀雄心壮志，志在远赴南洋。
回首往事太令人忧伤，因为后面的浪潮比前面的浪潮更强劲。
创造历史的往往是小人物，他们有着最强烈的变革愿望；肩负重任的往往是青年人，英雄从来都是从少年中涌现出来的！
撰文：酋长
