钻石状建筑,建筑师要的八星八箭,结构师不能给一个八锤八棒!

    2020/04/10 | 最新资讯

    前言

    近日我们拿到了世包中心塔冠钻石顶的无人机照片,熟称“鸟瞰图”(图 1),以及内部钢结构仰视图,效果还算不错。

    世包中心是位于杭州CBD的双子星高层建筑,屋顶钻石状造型是其建筑外观的点睛之笔。

    钻石造型棱角分明,由于其独特的造型,经常与玻璃配合用在采光顶之类的项目中。然而,对于“钻石状”建筑,由于其相邻面不是传统意义上的正交,其结构骨架也不是常规的横平竖直(图 2),有一定的特殊性。有很多“钻石状”建筑由于结构的“气质”没有跟上来,其建筑的“八星八箭”气质也大打折扣。有图为证: 图 3~图 6。

    图 3~图 4效果尚可且为大师作品,此文暂且不表。对于图 5、图 6这样的外露结构,我想建筑师看到后应该会仰天长叹一声,老子花了如此心血,老天却如此待我!那么建筑师为什么会允许这样的结构出现呢?难道建筑师没有追求吗?问题的症结在于,在施工前建筑师往往并不知道钢结构建成后的模样(因为光看结构图纸是很难看出来效果的)。这样就造成了建筑师一顿操作猛如虎,结构背后骂你二百五,建成后双方都叫苦。

    此难题怎么破?这就要求做“可视钢结构”的结构工程师,虽然不负责美,但必须得懂点儿美,并持续倾听建筑师需要什么样的美。

    本文简单介绍世包中心塔冠钻石顶的结构设计思路。

    图 1 世包中心大厦外观

    图 2 钻石顶钢结构

    图 3 沈阳文化艺术中心

    图 4 广州歌剧院内部(图片来自网络)

    图 5 裙房钻石顶的节点

    图 6 某项目钢结构

    结构设计

    1.   截面选型

    由于各建筑表面之间并非正交,结构设计首先面临构件截面的选择问题。常规构件截面一般有三种方案:

    圆管截面

    优点是没有方位的问题,设计简单,缺点是截面抗弯能力较差,经济性不好。另外其“气质”与“钻石状”存在一定的不和谐。图 3的沈阳文化艺术中心采用了圆管结构,显然没有“八星八箭”的气质。

    矩形截面

    截面经济性和力学性能俱佳,但节点处不便施工,且构件与玻璃无法贴合。图 5显示了本项目裙房钻石顶的钢结构(非我们设计)。节点气质显然还差点味儿。

    H型截面

    优点是截面抗弯效率高,缺点是弱轴刚度太差,而且外露式结构容易积灰,这里不做讨论。

    如上所述,这三种常规截面似乎还达不到“八星八箭”的气质。那么怎么才能拿捏住钻石体的“气质”呢?

    这时“八星八剑”不断魔幻般的萦绕在你的脑海,你知道,得创新了。

    常规的矩形管截面两个非正交面相接,出现的效果如图 7所示。很显然,矩形管顶面与玻璃的连接将会不那么“棱角分明”,也缺了点凌厉的气势。本项目我们抛弃了常规做法,根据钻石状外观对截面进行了定制化设计,截面形状与钻石体的切割相呼应。

    图 8给出了定制化截面的原则:截面两条边与建筑两个面的上表面平齐,另外两条边则与上表面垂直,从而形成了与钻石体浑然一体的气质。(实际上述主梁的断面,又何尝不像一块钻石的立面图?)【当小编打出“不像”的时候,拼音输入法给出了“不想”,输入法能不泄露心声么?】

    图 7 矩形管节点断面示意

    图 8 异形管节点断面示意

    图 9 女人都爱的钻石立面图

    采用这样的截面后,每个面上的次梁与钻石体脊线钢梁相连将变得自然流畅,三维模型如图 10、图 11。即使是三个面或者四个面相交,节点处仍然是浑然天成,绝不拖泥带水(图 12)。

    图 10 两面相交节点(顶面)

    图 11 两面相交节点(底面)

    图 12 三面相交节点

    2.   结构体系

    既然气质这一块不能掉链子,那么构件的截面过大肯定也会为气质减分。然而百米高空,钱江沿岸,狂风暴雨时常侵袭之。

    图 13显示了整个结构模型。为了减小截面,我们将支座设置在能够抵抗水平推力的混凝土楼面处,并利用钻石形状形成的空间“折线拱”调整内力的传递,大幅降低构件峰值弯矩,将截面优化到合理的视觉效果。

    图 13 结构整体力学特征

    3.    节点分析

    根据结构“折线拱”的力学特征和构件节点附近的应力水平,我们可以判断出图 12所示的直接焊接节点承载能力没有问题。然而,审图老师是不会照顾我们的发际线的,“你这个节点我没见过,补个有限元报告吧!”好吧,反正发际线成了工程师资深程度的衡量准则,熬夜来一个分析吧。分析结果自然是没有问题(图 14),只是工程师资深程度的标志,又上升了一点。

    图 14 节点有限元模型及mises应力分布

    结语

    当建筑师把一个建筑的外观搞成钻石状,就意味着建筑师希望此建筑能像钻石一样璀璨夺目。买大钻戒送老婆心疼的工程师们,不妨指着自己设计的钻石体建筑对老婆说“这是我送你的礼物!”(天空响起了巴掌的声音……)