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[结构设计讨论]

【精品案例】釜山电影中心“巨型悬挑”—结构设计难点分析

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少将 贵宾 终身成就勋章 优秀毕业生 助理工程师 中级贡献 土木妹纸 天秤座 百尺竿头

发表于 2017-3-24 13:41:34 |显示全部楼层

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驱使结构技术进步的动力通常来自两方面,一方面是结构研究本身的突破,另一方面是建筑师提出的千奇百怪的设想,需要结构工程师的合作。有趣的是,许多高水平的建筑师工程师,会同时浸淫于这两个专业而融会贯通,他们往往成为时代的推动者,柏林艺术大学建筑学院院长Christoph Gengnagel就是其中的一员。



Christoph Gengnagel原本学的是结构专业,毕业之后,他做了8年的工程师,却逐渐为工作中缺乏设计感到困惑,终于决定再次回到校园,去攻读建筑——不是要改行,而是为了提高他的结构设计水平,闹明白建筑设计到底是怎么回事。毕业后,他再次回归结构工程师的身份,进入德国最有实力的结构事务所Bollinger+Grohmann工作,还在柏林艺术大学建筑学院教结构,甚至担任了学院的院长。


如此交错的经历,让结构的理性和建筑的敏锐完美地结合起来,Gengagel也因此成为许多国际知名建筑背后的结构推手。下面先介绍曾轰动一时,堪称世界上最大悬挑结构的釜山电影中心。随后还将揭开劳力士学习中心和欧洲最苗条的超高层维也纳DC塔的结构玄机。而Gengagel从结构出发,对于不同建筑设计的点评也颇令人瞩目——请一定耐心看到文章底部呦!


釜山电影中心


悬挑结构 截面受力


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建筑设计:蓝天组 

工程时间:2005-2011

 

釜山电影中心,位于釜山市一处沿海的新开发的区域,这里沿袭着典型亚洲式的大规模开发模式。2005年,由蓝天组的创始人Coop Himmelb(l)au主持设计的方案在竞标中获胜,他的设计采用巨大的悬挑,形成有遮蔽的公共空间。这一理念使方案得到业主的赏识,成功中标,于2011年建成使用。


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基地原状

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中标时的效果图


在竞标之初,方案就已经确定以巨大的桁架结构实现悬挑,同时已经确定桁架结构需要由两个支点,而非通常的一个支点来进行支撑,支撑点位置的桁架高度相应更大一些。


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方案模型


结构工程师接下来的工作,就是如何实现这个当今世界上最大的悬挑结构了。对于悬挑结构而言,最重要的是尽可能减小悬挑尽端的形变,同时尽可能减少支点的材料损耗。因此我们通过各种手段,一步步将悬挑结构尽端的形变尽可能降低到最小。

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悬挑结构的受力分析


· 屋顶桁架 ·


在桁架结构中,上面的杆件受拉,下面的杆件受压。这个悬挑结构从尽端到支撑点的距离有85m,同时也并非一种简单的直线形态——悬臂的下表面崎岖不平,这也对整个桁架的不同截面提出了不同的形态要求。


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不同截面位置的桁架形态不同,复合而成三维桁架


  它的结构形态,从开始一片片独立的桁架结构,发展为三维、复杂的空间桁架结构整体。

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三维的复杂空间桁架


这样复杂的模型必须要借助计算机参数化建模才能实现。参数化建模不仅能帮助建筑师控制建筑的形态,也能帮助结构工程师进行各种结构计算。这样复杂的结构,在我们刚刚学习结构设计,只有计算器进行计算的时代,是不可想象的。在计算机的帮助下,我们能得出多种备选方案进行模拟和对比。经过模拟,相比传统的平行桁架、错综复杂相互咬合的三维空间桁架可以有效减少20%悬臂尽端的形变。


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通过建模优化(左为优化前,右为优化后)

减少了20%悬臂尽端的形变


参考施工照片,我们可以发现,这一空间桁架耗费了大量的钢结构构件。


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等待吊装的空间桁架

 

· 受拉杆件 ·


在最初的抽象化结构模型中,两个支点被描述为刚接支点,承托其巨型的屋顶。而事实上,这两个支点共同组成了一个巨大的建构,同时它们的支撑方式也是弹性的。

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其中一个支点主要受压,另一个支点主要受拉,造成前低后翘的形变。

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  为了减少形变,我们在另一个尽端增加了一个受拉的杆件,使整个屋顶的形变减少了15%

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  虽然建筑方案中原本没有这个杆件,但由于它能起到这么大的作用,而且本身也比较纤细,不会对建成效果造成太大影响,因而得以采用。

 

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施工中的拉杆


· 支点 ·


两个支点在建筑中以双曲螺旋圆锥的形式出现,它由对于圆柱的扭转而来,形成两个上下连接的圆锥体。虽然表现为曲面,但可以由若干直线杆件组合而成。


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曲面由直线模拟而来


其具体的扭曲度和形态,需要通过参数化建模,来模拟其形态和受力状况的关系。根据结果,我们对双曲体进行了适当变化,向前端倾斜,这样能够减少悬挑长度,同时顺应其受压方向,有效降低了形变。


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  这一部位也是由大量钢材组成的巨大钢结构完成的。


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双曲螺旋结构的施工状态


双曲螺旋体量在受力上存在一些弱点。通过对形变的模拟可以发现,螺旋结构在向内凹的区域会受到向内挤压,而在外侧会受到过多的拉力。由于拉力和压力较大,在弹性模量,也就是材料本身特性不发生改变的情况下,结构工程师已经不可能通过扩大截面来解决问题了。


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这时,我们不得不回到方案最初的阶段,了解建筑师当时要坚持的是什么,结果发现在方案阶段,螺旋体量的底部原本并非透明,而是一个实体。


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修改后的方案效果图与投标效果图对比


因此我们决定在受力最大的部分采用钢筋混凝土的压力环。在压力环的下面也不再用钢网架,而是采用片状混凝土结构。通过这一措施,该体量的形变减少了25%

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  通过施工现场的照片我们可以发现,计算机模拟的片状结构实际体量非常巨大。

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 巨大的片状结构


· 结构单元交接 ·


屋顶空间桁架与双曲圆锥两种不同结构单元的交接处,由于也同时承受着巨大的压力和拉力,因此分别增加了上部的拉力环和下部的压力环。


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在屋顶桁架和双曲圆锥交接处增加两个环状结构

上部环承受拉力,下部环承受压力

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以施工工人作为参照,才会发现钢结构是如此巨大


项目做完了,很成功,他们实现了全世界悬挑最大的建筑结构

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建成后的巨大悬挑结构


然而,Christoph Gengnagel并不满意,他还有很多话要说,特别是对建筑师说:


对于建筑师来说,他可能就是很简单地画了一个巨大的悬挑结构,但这意味着结构工程师需要投入大量的精力与地心引力作斗争。建筑师想要表现的是“轻盈”,但是这种轻盈是建立在消耗大量建材的基础上的,是通过“沉重”表现出来的。

 

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建成后的巨大悬挑结构


结构工程师会提出这样的问题,建筑师的这个方案构想真的合理吗?为什么需要用如此巨大繁琐、难度极高、消耗大量材料的结构来实现它?这对于一个电影中心真的合适吗?在当今的时代和社会背景下,做这样的设计是否符合能耗的需求,对社区定位的需求?结构工程师应该在多大程度上对方案的效果进行支持,又如何找到合理的定位?这个问题可能超出了建筑设计和结构设计本身的范畴。


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施工过程照


不论对于建筑师还是结构工程师来说,当图纸上的建筑真正在现实中站立起来的时候,都是非常激动的。对于这个如此复杂、高要求、消耗大量人力物力的建筑,它究竟是不是合适的设计,还要留待釜山的使用者来判定。


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施工过程照



 

  好了,Christoph Gengnagel与蓝天组的釜山故事就到这里。在完成足够“远”的挑战之后,下一次,我们再来看看他与多米尼克·佩罗在高度和宽度上追求的极致,以及这样的结构大拿是如何为妹岛矮趴趴的两层房子——劳力士学习中心犯难的


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发表于 2017-3-27 09:33:05 |显示全部楼层
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发表于 2017-3-27 09:42:33 |显示全部楼层
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万事如意00  谢谢楼主分享  详情 回复 发表于 2017-4-20 13:57

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发表于 2017-3-27 09:53:01 |显示全部楼层
很多结构设计上的概念值得学习!就是这样的活真的太烧钱了!

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发表于 2017-3-27 09:58:10 |显示全部楼层
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发表于 2017-3-27 10:10:25 |显示全部楼层
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发表于 2017-3-27 10:17:51 |显示全部楼层
谢谢楼主分享!很多结构设计上的概念值得学习!

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七天大胜

发表于 2017-3-27 10:18:08 |显示全部楼层
真好看,真犀利

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发表于 2017-3-27 10:27:31 |显示全部楼层
这个厉害了,力学运用恰到好处

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