[初设]·建筑结构·悬挑

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设想，需要结...



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。


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。在这个系列之首，我们首先介绍曾轰动一时，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。

釜山电影中心



悬挑结构　截面受力

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。

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。

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。



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



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，相比传统的平行的桁架、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%。





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。







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。











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将截面扩大来解决问题了。



因此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%。





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









建成后的巨大悬挑结构

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