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建筑结构丨如何完成世界上最大的悬挑结构建筑——结构设计的高与远


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或工程师,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。

Christoph Gengnagel

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

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。

基地原状

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

  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%

  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。

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。

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。

  这一部位也是由大量钢材组成的巨大钢结构完成的。

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。

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。

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%

  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。

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。

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

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转自:建筑结构-公众号。

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。

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。

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。

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。DR

微信来源:《设计与研究》(D+R)(ID:DR-architect-notes

本文原名《高与远——建筑学院院长所做的结构》,刊载于039期《设计与研究》(DR)。本文经DR授权发布。

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作者: ganggouren

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