【精品案例】釜山电影中心“巨型悬挑”—结构设计难点分析
yingziokok
yingziokok Lv.12
2017年03月24日 13:41:34
只看楼主

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


1.jpg



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。


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


2.jpg

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。


3.jpg

基地原状

4.jpg
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。


5.jpg

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。

 6.jpg

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。


7.jpg

8.jpg

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。

9.jpg

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。


10.jpg
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。


11.jpg
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。

12.jpg

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。

13.jpg
  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%

14.jpg


  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。

 

15.jpg
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。


16.jpg
17.jpg


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。


18.jpg

19.jpg


  这一部位也是由大量钢材组成的巨大钢结构完成的。


20.jpg


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。


21.jpg
22.jpg



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。


23.jpg
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%

24.jpg



  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。

25.jpg

26.jpg
 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。


27.jpg

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

28.jpg

29.jpg

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。

30.jpg

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。

 

31.jpg

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。


32.jpg

33.jpg

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。


34.jpg

35.jpg

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


1.jpg


2.jpg


3.jpg


4.jpg


5.jpg


6.jpg


7.jpg


8.jpg


9.jpg


10.jpg


11.jpg


12.jpg


13.jpg


14.jpg


15.jpg


16.jpg


17.jpg


18.jpg


19.jpg


20.jpg


21.jpg


22.jpg


23.jpg


24.jpg


25.jpg


26.jpg


27.jpg


28.jpg


29.jpg


30.jpg


31.jpg


32.jpg


33.jpg


34.jpg


35.jpg

免费打赏
co1489215707714
2017年03月28日 09:00:12
45楼
谢谢资料分享
回复
暗黑的幻影
2017年03月28日 09:12:47
46楼
感谢LZ分享,不过我觉得悲哀的是,国内的甲方永远不会给这么多时间和足够支撑设计团队的设计费去做这些异形的结构。国内的甲方永远只会催图,只会要设计院赶进度,而不懂得欣赏和尊重设计
回复
yccming
2017年03月28日 09:13:47
47楼
感谢楼主分享
回复
小义哥
2017年03月28日 09:14:34
48楼
学习了
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!
回复
wang4535187
2017年03月28日 09:27:34
49楼
多谢楼主分享资料
回复
wang4535187
2017年03月28日 09:27:58
50楼
多谢楼主分享资料
回复
wang4535187
2017年03月28日 09:28:23
51楼
多谢楼主分享资料
回复
涵梦蓉忆
2017年03月28日 09:33:28
52楼
谢谢分享,确实建筑师也该学学结构让造型变得更好。
回复
mmgps
2017年03月28日 09:42:39
53楼

感谢楼主分享
回复
梦见微笑
2017年03月28日 10:00:17
54楼
稿子很具体,深刻体会到建筑和结构之间密切的关系。希望建筑师有结构的思维,结构师有建筑的创新。
回复

相关推荐

APP内打开