世界最高摩天轮的三维设计

　　Arup 整合Bentley解决方案与第三方软件，引领世界最高摩天轮的结构工程设计。

　　 观景摩天轮在拉斯维加斯落成

　　高 168 米的观景摩天轮“豪客摩天轮”是内华达州拉斯维加斯购物休闲娱乐区的新地标。豪客摩天轮拥有 28 个球形舱，通过环形轮圈支撑，可容纳 1120 人，乘坐此摩天轮能让您获得身临其境的声光影体验，同时欣赏到目不暇接的城市美景。Arup 在 Caesars Entertainment Corporation 委任的项目团队中担任纪录工程单位，负责开发 5.5 亿美元的区域。该公司曾执行凯撒皇宫酒店对面的摩天轮结构工程、岩土技术工程、机械工程、电气工程等工作并提供了相关的声学和消防安全咨询服务。Bentley Structural Modeler 是团队使用的主要建筑信息模型 （BIM） 软件，能够完美集成其他应用程序，在项目的三维协调和交付过程中发挥着重要作用。

　　 不负厚望

　　豪客摩天轮于 2014 年 3 月对外开放，满足了客户目标，即超越伦敦眼和新加坡摩天观景轮，成为世界上最高的观景摩天轮。该摩天轮直径为 161 米，设计寿命为 50 年，最多可旋转 65 万次。它采取抗疲劳结构设计，能够承受 28 个座舱旋转时相关轴承、钢结构、缆索和配件上的集中应力。每个座舱重 4.4 万磅，外加持续 30 分钟的乘坐负荷。若让乘客在座舱内获得尽量开阔的视野，则必须尽力减少视野范围内的轮圈组件和可见支撑结构。因此，摩天轮由张紧辐条和一个保持压缩状态的独特单圈构成。通过大量的详细应力分析，优化了电力、通讯、照明和安全所需的轮圈附件。在施工图制作前，先在 Bentley Structural Modeler 中对所有组件和支架建立了模型。

　　现场狭窄的占用空间也给设计团队带来了很多难题。豪客摩天轮坐落于毗邻单轨铁路的马路上方，因此，支撑腿的可用位置非常有限。经过深入的设计研究后，Arup 确定出的最佳方案是：使用四条直径为 2.8 米的斜撑腿并结合一个横跨马路的横向联杆来支撑轮毂。支撑腿采用斜向设计，既可以提供足够的宽度，使摩天轮的缆索作为高效的侧向系统，同时还可使结构的占用空间最小化。项目中进行了风洞试验，以预测风致振动和阻尼的要求。因此，支撑腿总共含有 13 个调谐质量阻尼器，以捕捉可能会对乘客乘坐体验产生负面影响的振动。

　　摩天轮转动时，乘客会体验到一种漂浮感。球形舱展现了醒目的建筑设计，同时还提供了宽敞的内部空间和一览无余的视野。座舱同时也带来了气候控制难题，即防止沙漠温度和日照辐射产生热箱环境。Arup 工程师优化了座舱的空调和玻璃装配设计，为球形面板安装双层玻璃，以限制空调系统的电力需求。
选择合适工具

　　Arup 通过使用一系列软件包并针对具体目的选择应用程序，将这些设计难题一一克服。在早期设计阶段，选用 McNeel 的 Rhinoceros 自由曲面建模软件进行快速、准确地概念建模。在简化梁单元模型的早期分析中选用 Oasys（Arup 旗下的软件公司）开发的结构设计和分析软件包 GSA Suite。在需要较复杂的 BIM 应用程序时，Arup 选择使用 Bentley 的 Structural Modeler。随着项目的推进，Arup 也逐步开始应用其他程序。

　　在概念阶段，由于摩天轮的几何结构更加清晰，Arup 使用 GenerativeComponents 创建了一个参数模型。GenerativeComponents 是 Bentley 开发的关联参数建模系统，可实现设计过程的自动化并加速设计迭代。参数模型帮助设定摩天轮几何的所有变量和寻找能够驱动设计的尺寸。然后将摩天轮几何输出至 GSA Suite 以进行结构分析。

　　分析表明，摩天轮的各个部分在正常运转过程中会经受应力波动。这些断裂临界组件包括轮圈，在 6 点钟方位的应力最大，在 12 点钟方位的应力最小。Arup 使用 Livermore Software Technology Corporation 开发的通用有限元分析程序 LS-DYNA 创建了详细的有限元模型，以确定在每一轮旋转完成时应力的范围和位置。

　　软件应用程序的数据互用性在精确计算疲劳应力过程中起着决定性作用。例如，详细轮圈模型中包括每个螺钉、管道附件、灯具、出入舱口等。在 Rhinoceros 中创建轮圈模型，传输至 Structural Modeler 以进行设计，导入至 Altair HyperMesh（一种高性能有限元预处理器），最后在 LS-DYNA 中进行分析。此过程显示出需减小应力的各个热点；然后重复此过程。

　　 协调三维设计

　　Structural Modeler 用来将所有其他第三方产品的输出结果合并为一个全局协调模型。即使是采用达索系统的 SolidWorks 产品创建用于驱动系统的复杂制造模型，也可以通过 Parasolid 导入功能顺利地导入。整体项目协调模型从 Bentley 软件中导出至欧特克 Navisworks 项目评审软件。

　　通过定期更新 Navisworks 模型、便于各设计方使用，Arup 得以与负责设计其他项目组件的各个团队更加有效的互动。完全集成共享的几何模型促进了各专业和公司之间的协调。因此，能够在设计过程中及早发现尺寸冲突，并在制造之前及时解决，为客户节省了时间和金钱。对钢结构构件尺寸进行现场检查时，工程师在 Apple iPad 上使用了 Navigator Mobile?（Bentley 为三维模型和文件导航开发的应用），省去了纸质图纸。

　　Arup 依靠 Bentley 的 AECOsim Building Designer 来记录项目。AECOsim Building Designer 是一种建筑信息模型 （BIM） 应用程序，使多专业团队能够对任意大小、形状和复杂程度的建筑进行设计、分析、建造、记录和可视化。通过动态查看工具创建摩天轮每个组件的视图。这样便推动了快速工作流，使 Arup 得以满足此挑战性项目紧张的期限。

　　 经久耐用

　　Structural Modeler 是豪客摩天轮采用的主要 BIM 应用程序，它提供的精确度符合建造复杂异型结构的要求。Arup 高级 BIM 技术人员 Stephen Corney 解释道：“三维建模对于融合所有定制组件至关重要。Bentley 产品与其他软件的集成也促进了项目团队成员之间的协作。能够导入和导出设计过程中其他相关顾问的各种文件格式，这一点在项目的三维协调和交付过程中非常重要。”

豪客摩天轮的结构设计不仅高效，而且为游乐场风格的重力式摩天轮提供出色的抗疲劳性能。此标志性乘骑设施计划使用 50 年，每天工作 18 小时，其详细设计中考虑到每个焊接点、渗透点和附着点的抗疲劳性。该结构将成为拉斯维加斯大道上一项恒久的工程成就和世界级旅游景点。

　　感言摘录

　　“Structural Modeler 为设计团队提供了设计分析和生产方面所需的灵活性和准确性。”

　　-Rob Smith，Arup 副主管

　　图：Arup公司-拉斯维加斯High Roller摩天轮项目图

　　创建一体化且可以共享的几何模型促进了各专业和各公司之间的协同工作。