建筑结构分区

结构形态优化(创建)的实践(一)

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本次介绍的项目是“长沙冰雪世界”由华东建筑设计研究总院设计该项目为一椭圆状异形建筑,如上图所示。平面尺寸约330X250米,部分区域跨越一个“凸”字型废弃矿坑的一翼,矿坑现场如下图所示。内部主要功能为冰雪世界和水上乐园,除车库和局部功能夹层外,均是单层通高的大跨空间,总建筑面积约12万m2。其中冰雪世界区域(上图虚线框内区域)几乎全部悬空于矿坑之上,跨越部分的形状近似一个150mX200m的椭圆,中部有一个直径约60m的圆洞。





本次介绍的项目是“长沙冰雪世界


由华东建筑设计研究总院设计


该项目为一椭圆状异形建筑,如上图所示。平面尺寸约330X250米,部分区域跨越一个“凸”字型废弃矿坑的一翼,矿坑现场如下图所示。内部主要功能为冰雪世界和水上乐园,除车库和局部功能夹层外,均是单层通高的大跨空间,总建筑面积约12万m2。




其中冰雪世界区域(上图虚线框内区域)几乎全部悬空于矿坑之上,跨越部分的形状近似一个150mX200m的椭圆,中部有一个直径约60m的圆洞。


为实现跨越,拱的意向出现在设计师脑海中。冰雪世界需要有一个平面展开其功能,在拱形的曲面上显然不合适。于是将拱形结构作为下弦,在其上布置水平的上弦,形成拱形桁架。




项目特点



在与建筑师配合的过程中,建筑师坦言对于跨越结构的底面形状他们没有明确要求,我们可以提出结构想要的最有利的曲面形状。但是我们知道自己要什么样的曲面形状吗?

我们想到了逆吊法,逆吊法是一种古老而又实用的方法。在结构形态学的早期,就有很多结构工程师利用逆吊实验法设计造型美观、受力合理的作品。著名的圣家族大教堂穹顶就是利用逆吊法设计的。瑞士工程师Heinz Lsler通过“逆吊法”设计了“Deitingen加油站”等多种空间曲面结构。



圣家族大教堂



Deitingen加油站


但是上述逆吊法实施的边界条件都比较固定且相对单一。长沙冰雪世界要利用逆吊法创建曲面,有一个很大的问题是它的边界条件非常复杂,特别是它的支座位置并不确定。如果逆吊法的吊点是不确定的,那我们该如何来做呢?


为此,我们梳理了长沙冰雪世界复杂的边界条件。



支座条件:1.由于地质条件复杂,跨越结构基础的空间位置受到限制,须置于地质条件允许承受基础推力的高度范围内。基于此,可确定拱脚高度的上限。2.由于建筑效果的要求,拱脚高度不能太低。基于此,可确定拱脚高度的下限。


多个形态控制条件:1.中间开有较大洞口。2.因坑内水面景观要求,矢高不应太小。3.由于建筑造型要求,中间区域拱顶标高应较接近。


改进的逆吊法结构形态创建流程



先贴一张我们基于冰雪世界改进的逆吊法的流程图,大家应该是看不懂的。但是没关系,先看个大概,后面一步步说。



冰雪世界形态创建流程



A. 约束边界平面区域的确定:



图1 “U”形约束边界


首先根据地质勘查资料,拟合岩石表面。绘制任一跨越“U”形坑口的曲面(或者平面),以曲面与矿坑的“U”形交接线为约束边界、对一中间开孔的膜结构进行面外反向加载。如图1所示。



图2 主应力流


得到主应力流主要走向及范围,如图2所示。由图可见,主应力方向大致以夹角120度绕圆洞分布。在“U”形边界的两个角部,主应力流很小,因此在后面的形态创建过程中释放该部位的约束。



图3 三组主拱的布置


由于主应力迹线呈现明显的单向性,所以沿着主应力流方向布置三组拱,作为主要跨越构件。


B.初始结构曲面的确定:


结合建筑外形的需求,在坑壁的地质条件允许承受结构推力的高度范围内,上下调整边界线各点至适合位置形成三条约束边线,并以此三条约束边线为边界拟合一中间开洞的曲面。



图4 初始边界曲面


C. 逆吊法创建曲面:


根据建筑功能的要求,将曲面分成四大区域,各个区域根据实际工程的要求,按照不同的比例关系施加均布荷载。荷载的比例关系为A:B1:B2:C=1:3:2:2。如下图所示。




图5 平面主要分区


在有限元模拟中,不同区域按比例关系赋予相应的质量密度,不断加大重力加速度值,至曲面的最大矢高符合建筑要求,得到第一次曲面创建结果。如下图所示。



图6 曲面初始状态



图7 第一次曲面创建结果


D.拱结构的布置


将上一步计算得到的曲面导入犀牛中,沿着曲面主应力迹线的方向布置拱。考虑到拱间支撑体系的要求,拱的间距控制在10~17m之间。布置三组主拱结构,如下图中蓝色曲线所示。



图8 三组主拱结构布置


E. 判断是否满足曲面控制条件要求


对于本工程,若最大拱顶标高高差小于限值(1m),则我们认为曲面创建完成;若大于限值,则需继续下面步骤。


具体步骤为:将拱投影到冰雪世界标高平面上,求得拱与投影线之间的最小间距Δh,即可知道各拱之间的高差。



图9 各拱顶部高差


F. 拱结构布置的调整


由上图可知,各拱之间的高差大于1m,因此上下平移各拱至拱顶统一标高(即冰雪世界平面所在标高),如下图中紫色曲线所示。




图10 拱结构布置的调整


延长各拱线,使其与岩石面相交即得到新的拱脚位置。经判别,拱脚位置仍位于地质条件允许承受拱脚推力的高度范围内。如下图所示。




图11 新的拱脚位置


G. 曲面创建及拱布置调整迭代


用三条平顺的曲线拟合新的拱脚位置,以此作为约束边线,再次拟合生成中间开洞的曲面,作为下一轮数值逆吊法计算的初始曲面,如下图所示。



图12 下一轮逆吊法计算的初始曲面


重复以上过程,经过三轮迭代后,E步骤拱顶标高差在1m以内,最终创建的曲面如下图。至此,曲面创建完成。




图13 最终创建的曲面


最终创建曲面的受力检验



在最终创建的曲面上,沿着应力流方向布置主拱结构。由于建筑造型需要,建筑平面的覆盖范围向坑内有较大延伸。因此,在布置A组拱时将外侧的拱向坑内倾斜,内侧拱向反方向倾斜。在此基础上最终行成以拱形桁架体系为主的受力体系,如下图所示。




在竖向荷载作用下,主拱的轴力和弯矩图如下图所示。



轴力图




 弯矩图


由图可见,主拱在竖向荷载下弯矩很小(相对于它的轴力),以受压为主。因为曲面创建时,将很多集中荷载简化为区域分布荷载,因此实际工作情况下拱结构有一定局部弯矩,该局部弯矩主要由拱与楼面大梁组成的拱桁架承受,拱本身也承受一小部分弯矩。


因此,最终创建的曲面是一个结构受力合理的曲面。


说明:根据逆吊法创建的拱形桁架是结构设计过程中的方案之一,最终的结构方案并未采用。


项目设计单位:华东建筑设计研究总院。




小i随笔:在很多结构工程师的脑海中,体型是建筑师的事情,建筑师把形态确定好以后找结构工程师配就好了。一方面这是过去几十年来固有设计流程形成的思维定势,我们一直是这么干的,很多建筑师在做方案时也没想到过要找结构工程师商量一下。另一方面,真当建筑师问结构工程师你想要什么样的形态时,我们往往说不上来,可能就说一句“你看着办吧”。


但实际上,如果结构工程师能够尽早地参与到建筑方案的确定,包括形体的确定中去的话,这样对后面的设计会有很大的帮助。


参考资料

1)周健,张耀康,王帅,顾乐明. 长沙冰雪世界主体拱形结构形态创建. 第十五届空间结构学术会议论文集,上海,2014


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