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从一个屋面说起——建筑方案怎么配


小i卷首语

今天为大家介绍小i参与的一个有趣项目。之所以说有趣:

一来结构完全外露,结构即是脸面,需要思前想后;

二来结构自由度高,结构空间很大,需要冥思苦想;

三来结构设计难度,结构具有挑战,需要三思后行。

这个项目是小i亲身参与的,所以就和大家聊一下小i的心路历程。


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从一个屋面说起


项目在上海南入口处,所以我们亲切的叫它 “南大门”。设计任务是一个屋面,下部有十栋高层,大屋面标高78m


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建筑想要一个整体支承于10栋建筑物屋顶的屋架结构,将10栋房子连起来。(小i听到这个概念时内心的表情参见下图)


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屋面的平面尺寸长约600米、宽150米,支撑屋盖的楼间距为70-90米,屋面覆盖投影面积约7万平米。


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屋盖顶面部分区域镂空,部分区域设置太阳能板为大楼供电。


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屋盖底面设置LED灯点,为城市提供景观灯光。


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建筑对结构的要求就是如云一般自由、飘逸、轻浮


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结构方案


小i认为,结构工程师作为建筑创意的实现者,需要充分理解建筑师的诉求,这里不是简单的理解字面上的意思。

比如谈恋爱时,女生说“随便”,并不是指真的随便,而是指“你猜”。因此,结构工程师在建筑创意和结构方案阶段,就应该尽量多的和建筑师沟通,多站在建筑师的角度,给出专业的建议,这样才能共同做出一个美的,并且合理的好作品。


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建筑的表述总是感性的,所以理性的结构工程师,第一步是先对建筑师的想法进行“翻译”


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经过对建筑师意图的理解与消化,最终选择自由曲面网壳结构,表现云的自由、飘逸。

小i曾经为大家介绍过铝合金结构,铝合金自重轻且免维护,因此屋盖主体采用铝合金。

支承结构采用树形柱,减小屋面的跨度并增大屋盖刚度,树形柱上下铰接,以减少对下部结构的影响。


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用形抗完成跨越,我们就有两种选择,一是采用屋面凹跨中凸的拱结构,杆件以压应力为主;二是采用屋面凸跨中凹的悬链形态结构,杆件以拉应力为主。为什么我们最终选择了后者呢?主要出于以下两方面考虑。

首先,屋盖有限高,如采用上凸的拱,最低点就是由下部结构小屋面标高控制的,结构矢高小。而采用下凹的悬链形态,最高点为建筑限高,而最低点几乎没有限制,可以尽量增加结构的矢高


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其次,屋盖采用铝合金结构,由于挤压工艺的限制,截面最大只能做到550mm,且铝合金稳定性较差。如采用上凸拱,杆件以压应力为主,杆件稳定性将大大增加杆件的材料用量。


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于是,我们确定了最终的结构方案


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结构找形


结构形态可从两部分进行理解:第一,结构的“形”,即结构形体  (form)。设计过程中结构形体需要满足建筑适用、新颖、美观等方面的要求;第二,结构的“态”,即结构受力状态(performance)。良好的结构形式要求内力分布合理、传力路径简捷。

屋架为自由曲面结构,且构件截面小,如没有一个合理的形态,结构将无法实现。因此需通过结构找形在给定的建筑条件下寻求具有最佳受力性能的结构形态。

这次小i同样Rhino平台上,使用应变能最低原理进行找形。找形方法、优化原理、优化算法等,有兴趣的朋友可以参看小i往期的文章。


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通过逐步对屋盖施加约束条件,建筑需求和结构效率逐渐达成了统一。


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通过对以下三个根据不同约束条件,找形所得曲面的对比可以看出,建筑约束条件越多,结构性能越差。因此找形过程即为寻找建筑造型与结构合理平衡点的一个过程。


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当然,找形所得曲面并非建筑心中最理想的曲面,可是找形所得的“合理曲面”却将为建筑提供指引。正如坪井善胜所说 “美,在合理的近旁”

因此,得到找形曲面后,通过3D打印,建筑师可以直观的感受到屋盖曲面的形态,并在这个基础上,和结构师讨论曲面的优化,并最终得出双方都满意的曲面。


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基于最终目标曲面进行了主应力分析,如下图所示。分析结构表明,该曲面有明确的受拉为主区域、受压为主区域和受弯为主过渡区域。因此,结构即根据曲面的力流方向,进行结构网格布置,以期最大可能发挥材料效率。


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结构分析


基于最终曲面,将结构平面网格投射到曲面上,得到结构空间网格。再将空间网格导入结构计算软件,赋予杆件截面、施加荷载、并拼合下部混凝土模型,即得到最终结构计算模型。


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建筑方案是经常变化的,因此,曲面也是经常变化的。在方案讨论阶段,一周有几次调整,或一天有几个想法都是正常的。每当有个想法,建筑师总是希望结构工程师立马告诉他A好还是B好,这时,如果结构计算成本过高(比如重新建模计算需要数天),显而易见会极大的降低双方的沟通效率。


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因此,小i们研究了基于Grasshopper和结构计算软件的快捷接口。在曲面拓扑关系不变的情况下,曲面的改变不需要重新建立计算模型,可以在几分钟内完成模型的更新和修改,即时和建筑进行反馈。


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手段的改变,带来了设计方法和设计思路的变化。时间成本的降低,使得我们和建筑的配合更加紧密,同时,可以尝试更多的方向和更多种可能。

后  记


由于篇幅有限,今天小i主要为大家介绍一个有趣项目的前期结构方案确立和结构找形过程,同时也和大家表达了一下小i的设计思路和设计理念,以及对建筑结构配合的一些想法。

新技术层出不穷,小i也非常希望和大家进行讨论,欢迎大家在文末留言

关于本项目的更多结构设计,风荷载研究,结构优化等方面的内容。如大家有兴趣,小i将在以后文章中专门为大家一一分享。


项目设计单位:华东建筑设计研究总院


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