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建筑中盛开的铁树银花
结构小能人
2018年05月03日 13:24:41
只看楼主

转载于:iStructure公众号 小i在之前的文章中介绍过树形柱,树形柱是结构构件的拓扑演化,将荷载由一点变为多点。在传力体系和结构表达中有诸多优点,比如下面这个。 今天,小i为大家介绍另一种树状的结构。采用网格编织的形式,构成一棵三维立体的“树”。下面选取几个国内外典型的例子给大家介绍。 国王十字火车站的改造 (King’s Cross Station Redevelopment /2012)

转载于:iStructure公众号

小i在之前的文章中介绍过树形柱,树形柱是结构构件的拓扑演化,将荷载由一点变为多点。在传力体系和结构表达中有诸多优点,比如下面这个。

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今天,小i为大家介绍另一种树状的结构。采用网格编织的形式,构成一棵三维立体的“树”。下面选取几个国内外典型的例子给大家介绍。

国王十字火车站的改造

(King’s Cross Station Redevelopment /2012)

国王十字火车站是英国1852年启用的大型铁路终点站,位于伦敦市中心的国王十字地区。“国王十字”的原意是纪念英王乔治四世。如果你是哈利波特迷,你一定知道国王十字火车站的9190;站台,这是通往魔法世界的入口。

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我们今天的主角不是哈利波特,而是国王十字火车站的改造工程。2005年,国王十字火车站宣布了一项耗资5亿英镑的全面改造计划,其中西侧广场增设一个大跨度屋盖。John McAslan + Partners担纲建筑设计,结构设计由ARUP完成。改造耗时7年,2012年伦敦奥运会之前,国王十字火车站改造完成后正式向公众开放。

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西侧屋盖平面为一半圆形,屋盖表面积约9000m2。高约20m,直径约150m,由周圈16颗树形柱和一个锥形的中央树状结构支撑。

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中央的树状网格结构共有5个支点落地,以菱形网格编织向上生长并逐步扩大。到顶部3/4处,在菱形网格中增加一根对角杆件,形成三角形网格。至顶部处,再次增加一根对角杆件,形成更小一级的三角形网格。极富韵律感的屋面结构完全展现在乘客面前,营造了一种轻盈律动的空间感。晚上在灯光的烘托下,整个屋盖非常优雅。

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从内力图中可以看出,屋盖整个网格结构的受力是很清晰的。下方左图为轴力图,右图为弯矩图。径向杆件主要承担弯矩,所以采用了矩形钢管,这样抗弯效率更高。矩形截面150mm宽,高度250~450mm不等。而菱形的网格杆件主要承担轴力,所以采用圆钢管,直径139~219mm不等。这样的结构布置,不仅受力合理,而且契合空间的韵律。

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屋盖的拱效应明显,平面中心的树状结构由于顶部圆形的环箍作用,其承担的水平分力并不大。对于周围的分叉树形柱,水平推力很大。因此,分叉树形柱的根部由两根355x36圆钢管组合而成,外表皮通过包裹钢板形成优雅的椭圆形。柱顶分叉位置采用的是铸钢件,保证连接处的平滑过渡。

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屋盖的次结构均覆盖在主结构上方,采用铝板和玻璃。整个屋盖的完成度很高,一方面是设计很出众,另一方面施工的质量也很高。所以才能有我们所看到的效果。

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上海文化广场中庭

(Shanghai Culture Plaza/2011)

上海文化广场位于原卢湾区,占地约5460m2,地下5层,地上3层。地上部分是钢结构双层网架,其内侧由中庭树状结构支承、外侧由周围的斜钢柱支承(兼做幕墙柱),中部则支撑在混凝土剪力墙上。

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中庭内有一单层的树状结构,下口直径为6.72m,上口直径为26.8m。采用菱形网格,同时,其径向构件截面亦为菱形,尺寸为800mmx380mm(菱形长x宽)。环向为圆弧形钢管,直径分别为140mm、200mm和800mm。

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菱形网格加菱形截面形成的韵律感,给进入剧场的观众带来较强的视觉冲击。

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但小i在现场发现,菱形截面也会带来一些问题。比如加工精度要求高,虽然所有的菱形构件均采用铸钢制作,但实际上近距离观察,还是存在边线平直度不佳的问题,如下方左图所示。

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另一方面,菱形截面存在扭转问题,该树状结构的处理方式是构件不扭,所需的扭转角度在节点处一次扭转完成,所以如果仔细观察,接近顶部的节点相交不是很顺畅。如下方右图所示。

因为有近距离观察的机会,所以小i对文化广场中庭这棵钢树要求可能有点严苛。实际上这棵“铁树”是整个中庭的点睛之笔,吸引了所有进入中庭观众的眼球。另外文化广场的歌舞剧都很不错,推荐大家有机会观看,顺便看看这棵“铁树”。

布鲁克菲尔德广场展示厅

(The Pavilion at Brookfield Place/2013)

布鲁克菲尔德广场展厅位于纽约下城,是布鲁克菲尔德广场的主要入口,每天出入超过3万名顾客和观光游客。新展厅将前门迁移到侧面紧邻街道,取代了与前世界贸易中心相连的、在911事件中被破坏的二层廊道。

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展厅面宽33m,进深20m,高16m。两棵网格状的钢结构柱支承着屋面,周围是通透的悬挂式幕墙,从街道上就可以看到展厅内两棵巨大的“铁树”。从展厅往外看出去,可以看到卡拉特拉瓦设计的“大鸟”。

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“铁树”呈椭圆形,同样采用了富有韵律感的菱形网格。

网格的两个径向分别是内外两层圆管,它们互不相交。18根圆钢管以顺时针方向向上延伸,而同样18根圆钢管以逆时针方向向上延伸。在网格的中部设置4道环形构件,环形构件采用方管,方管正好位于内外两层圆管的中间。三层构件均不共面,这样的设计对节点的处理更有利。

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世博轴阳光谷/2010

世博轴是2010年上海世博会五大永久性建筑之一,由大跨度张力索膜结构和六个钢结构阳光谷组成。六个阳光谷提供给索膜结构18个支撑点,将两者结构为一体。阳光谷从顶棚贯通至地下二层,为地下空间引入阳光和新鲜空气,同时将雨水收集至地下雨水渠中,实现对雨水的回收利用。

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六个阳光谷形状各异,属于典型的自由曲面单层网壳结构。其网格为三角形,以轴向受力为主。

阳光谷的形态和网格的划分是技术难点。

对于形态创建,以自由曲面控制点坐标为设计变量,以结构应变能最小为目标函数,通过反复迭代,使曲面逐步演化为合理的结构形态。既实现了建筑意图,又保证了结构合理性。

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形态确定后,以使每根杆件长度尽可能均匀或三角形尽可能等边为目标,进行网格的整体优化。

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对结构形态和网格的优化方法,可以参见小i之前有关参数化的文章。

同时,空间矩形管的相交也为节点的处理带来了很大的难度。通过合理的定位方式和加工方式,最终得到的效果很不错。

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小结

网格的编织是一种极富韵律感的结构表达形式,如果要追溯,那应该可以追溯到奈尔维的小罗马体育馆。

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编织的树状结构,就像盛开的铁树银花,给空间带去了不一样的律动。如果以后遇到结构外露的情况,各位读者不妨考虑一下这种结构表达形式。


延伸阅读:

像树一样生长--树形柱


参考文献:

1)Building design at ARUP,DETAIL engineering 2

2) https://architizer.com/projects/the-pavilion-at-brookfield-place/

3) 上海文化广场钢屋盖异形区域的结构施工

4)《上海世博轴阳光谷找形综合技术研究》 汪大绥,卢旦,李承铭

5)本文图片均来源于网络,版权属于原作者或网站


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雨落大明湖
2018年05月03日 15:29:29
2楼

内容不错,有找形过程和受力分析更好了

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wangxueleiyy
2018年05月03日 18:07:29
3楼

谢谢楼主的资料

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pzkpzk
2018年05月04日 08:21:41
4楼

挺漂亮的,学习了

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嗯哼123
2018年05月04日 09:13:02
5楼
好漂亮!!学习了 


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隐为者
2018年05月04日 15:39:19
6楼

谢谢楼主的资料

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yudx001001
2018年05月04日 17:18:11
7楼

视觉上很赞,对设计施工要求要高一些吧

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michael45645
2018年05月04日 17:28:49
8楼

学习了~

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cof1495523781560
2018年05月04日 22:34:07
9楼
谢谢分享哦
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sun55555noon
2018年05月06日 10:12:41
10楼
牛叉
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jzhdajia
2018年05月06日 12:27:46
11楼

谢谢楼主分享好资料

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