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漫谈支撑结构
结构小能人
2018年05月15日 13:27:10
只看楼主

转载于 iStructure 公众号 相信大家在路边都看到过这样的乔木支撑架。由于新迁的乔木根系还未发展壮大,树的四周往往需要设置支撑,以防止被风刮倒。如果说得专业一点,那就是新迁树木的底部抗弯能力有限,所以,需要在周围设置支撑。 建筑中也有很多这样的案例,今天小i就向大家介绍一下建筑中的支撑。 支撑的概念可以很广,但我们这期文章讲的支撑是一个比较小的概念。这里的支撑特指通过自身轴力承担结构层剪力的斜向构件。因此,支撑的主要作用是高层建筑抵抗水平力。

转载于 iStructure 公众号

相信大家在路边都看到过这样的乔木支撑架。由于新迁的乔木根系还未发展壮大,树的四周往往需要设置支撑,以防止被风刮倒。如果说得专业一点,那就是新迁树木的底部抗弯能力有限,所以,需要在周围设置支撑。

建筑中也有很多这样的案例,今天小i就向大家介绍一下建筑中的支撑。

支撑的概念可以很广,但我们这期文章讲的支撑是一个比较小的概念。这里的支撑特指通过自身轴力承担结构层剪力的斜向构件。因此,支撑的主要作用是高层建筑抵抗水平力。

虽说原理很简单,但实际工程中支撑的形式是多种多样的。下面小i以刚性支撑、柔性支撑、支撑的表现形式三部分为大家介绍不同建筑中的支撑。

性支撑(高层建筑抵抗水平力的利器)


John Hancock Center/1969

——支撑框架筒体的开山之作

结构设计:Khan

建筑设计:Bruce Graham

John Hancock Center共计100层,总高度343.7m,加天线高度达457.2m。外露的钢结构包裹黑色铝板,窗户为古铜色防眩光玻璃,基座以凝灰岩大理石饰面,在结构和建筑外形上塑造了坚强稳重的形象。

芝加哥汉考克中心John Hancock Center,1969年

汉考克中心的四个立面上,各设置了5个半18层高的X型钢支撑,节点处设置了水平系杆。外框柱、斜撑、横梁构成巨大的桁架型筒体,大大提高了建筑的刚度。竖向承重体系和抗侧体系简洁清晰,结构骨架融入建筑表达中。桁架筒体具有高效的抗侧能力,因此拓宽了框架立柱的间距,实现更宽幅的玻璃窗。

由巨型弦杆、斜撑的轴向受力提供刚度的桁架筒体,比框架、框筒结构更高效。汉考克中心用钢量约145 kg/m2,比当时传统的框架体系节约20~50%左右。即使在今天,采用了更高性能的钢材、更先进的设计分析手段,对于350m高度级别的超高层建筑,145 kg/m2用钢量仍然非常经济。 

安装北立面12层钢支撑的场景

将钢筋混凝土材料与桁架筒体结构相结合,Khan设计了Onterie Center大厦。它的组成是布置间距约3m的钢筋混凝土立柱,在每个楼层内用钢筋混凝土墙板堵柱一个窗口,在外立面上形成斜向支撑。这其实可以看做是支撑的异化。

Onterie Center

1986年,170m,钢筋混凝土,桁架筒体结构,芝加哥

深圳中信金融中心/2019

——优化的支撑

结构设计:SOM

建筑设计:SOM

中信金融中心位于深圳湾总部区,包括一幢带豪华公寓和办公室的300米高大厦、一幢带服务式公寓和酒店的200米高大厦。

两栋大厦的支撑很特殊,因为它们是通过优化计算得到的,这样的支撑布置效率更高。较高塔楼的支撑布置形式是悬臂梁端部受一集中力作用时的应力迹线。称为Machell truss。

较低塔楼的支撑是根据拓扑优化得到的。假设一悬臂梁在不同标高上受集中力作用,将效率较低(应力较低)的部分去掉,效率较高(应力较高)的的部分留下。最终得到的桁架形式如下。

东京工业大学绿丘1号馆/2006

——防屈曲支撑体系

建筑设计:東京工業大学安田幸一研究室

结构设计:東京工業大学竹内徹研究室

由于支撑以轴力为主,受力相对简单,如果能解决支撑的稳定问题,将大大提高刚性支撑的承载能力。因此,防屈曲支撑(BRB)应运而生。

绿丘1号馆前身为东工大建筑土木馆,建于1969年。虽然建筑基本保持完好,但按照日本最新的抗震设计方法复核,其存在抗震性能不足的问题。尤其是作为制图室的2层,墙体数量少、开间大,在地震发生时会有楼层倒塌的危险。因此,21世纪初东工大对该建筑进行抗震加固设计。

改造前的1号馆

抗震加固设计主要采用了BRB支撑,消耗地震发生时输入建筑物的能量,从而防止主结构损伤。

改造后的1号馆

新增的BRB斜撑布置在原有建筑外表面。通过抗震验算,以确定各楼层所需增设BRB的吨位和数量(2层最多)。

斜向布置的BRB构件在建筑表面的形成了菱形网格元素。同时,新增了水平百叶和玻璃,与既有建筑的立面形成了半夹层表皮体系,能够在夏季削减入射的太阳光,并在冬季增加窗口附近的幅射和保温效果。

绿丘1号馆抗震加固工程的设计概念

由抗震构件BRB和遮阳百叶等构成的新立面,兼具了消能减震和环境调节的功能,可谓一举多得。

BRB支撑节点设计

BRB支撑与原钢筋混凝土结构的连接过程

柔性支撑(和摇摆柱更配哦)


 Reliance Controls Factory/1965

——采用对拉斜撑的单层厂房

建筑设计:Foster + Partners

结构设计:Anthony Hunt Associates

厂房屋面荷载往往比较小,从承担竖向力的角度,柱子的截面需求比较小。此时,如果配上柔性的交叉斜撑,那水平力可以完全由交叉斜撑承担,柱子可以作为摇摆柱来处理。

因此,柔性的支撑在厂房中应用最广。往往是两个角钢斜撑,中间用一螺栓销接,形成简单可靠的抗侧力体系。

Reliance Controls Factory厂房的柱间是柔性的交叉拉杆,拉杆在相交处转换为拉索,使得交叉斜撑几乎位于同一平面内。这是小i迄今为止看到的最美观的对拉斜撑了。

Torrede Collserola/1992

——桅杆类建筑

建筑设计:Foster + Partners

结构设计:ARUP

为达到1992年巴塞罗那奥运会电视转播的要求,在巴塞罗那附近的山坡上需建造一电视转播塔。而如果要达到电视转播所需的288m高度,传统的钢筋混凝土塔需要一根25m直径的柱子。

经过多方讨论,最终决定将利用柔性的拉索抵抗水平力,而中间的混凝土柱做成近似铰接柱。底部直径也因此减小到4.5m。

Bordeaux Law Couts/1998

——支撑的变化

建筑设计:Rogers Stirk Harbour + Partners

X形支撑不一定交叉点在中间的,波多尔法院依靠支撑来抗侧力,其X形的交叉点上抬,成为立面的重要元素。

支撑的表现形式(力学之美)


支撑作为一种结构构件,是不是要在建筑中表现出来,相信不同的建筑师有不同的观点。小i作为结构师也谈一点自己的认识。

支撑由于其力学属性较强,它的出现往往会使建筑表现很有张力。同时,由于厂房对支撑的应用较早,支撑也会给人带来较强的工业风格。而在住宅这样的场景中,由于空间尺度较小,同时人们需要放松,所以支撑的出现就显得不合时宜。

所以,我们做结构设计时,需要根据不同的建筑类型,选择合理的支撑体系。不然建筑师肯定会说,卧室的落地窗前为什么会有一根斜着的杆件。

前几天Foster发布了他们给无人机制造商大疆设计得新总部。

▲大疆无人机新总部

由于大疆生产的是无人机这一工业属性较强的产品,所以他的总部也充满了工业风格和未来感。在室内,巨大的斜撑并没有让人觉得很突兀,反而是整个空间中不可缺少的元素。

而有些项目是需要隐藏支撑的,比如世茂深坑酒店。

▲世茂深坑酒店

该酒店采用的是钢框架支撑体系,支撑很多,但因为功能是酒店客房,建筑要求支撑是不外露的,所以,所有的支撑都被隐藏在隔墙中。

▲Broadgate Tower

上图是伦敦Broadgate Tower,由SOM设计,建筑高度160m。从立面上一眼就可以看出,该结构采用框架支撑体系,每六层有一钢梁暴露在立面上。而且,所有的支撑和梁柱均采用开口截面,给人强烈的视觉冲击。

但仔细看发现幕墙立面上的杆件并不是主结构,这些外露斜撑和框架只是一种结构语汇的表达。



由于篇幅原因,还有很多精彩案例无法展开,罗列如下供大家参考。

NEO Bankside

设计:Rogers Stirk Harbour + Partners

伦敦的豪宅,立面采用支撑。落地窗前会有支撑,但感觉好像也能接受。

ILHM Tower

设计:SOM

位于马来西亚吉隆坡中心,混凝土的支撑外包不锈钢,在高楼林立的建筑群中依然能够脱颖而出。


▲三瓦窑社区体育设施

设计:中建西南院

小品建筑。一方面由于角部抽柱,需要支撑悬挂楼板。另一方面支撑为这个普通的体育设施带去了更多活力。


参考资料:

1. https://www.archdaily.com

2. https://www.fosterandpartners.com

3. https://www.som.com/


天地不言
2018年05月21日 08:30:05
2楼

日本的建筑用支撑的很多。效果好,经济

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不着调vera
2018年05月23日 15:51:25
3楼

非常好的资料,谢谢楼主分享

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有颜如玉丶
2018年10月23日 11:33:48
4楼
斜撑让传力途径变得更简单
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