构筑物“云”的结构设计

    2021/05/31 | 最新资讯, 案例展示, 结构设计
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    “能达云+星湖月城市展厅项目”位于南通经济技术开发区能达市民广场,建筑团队希望借由景观式的建筑设计和空间功能的升级,塑造一处兼具美观、趣味及功能性的公共休闲活动中心。项目由两处彼此呼应的空间,开放式的“云”和闭合式的“月”组成。

    由于项目区块地处能达园区的核心位置,布置实体建筑势必会遮挡园区的景观视线。建筑团队在进入项目之初就已确定下来此次项目的概念方向:在完善功能性的同时,让场地中的建筑景观和绿化景观能够相互“借景”,设计一个近乎透明的构筑物。

    因此,建筑师对“云”的效果诉求很清晰:

    1. 结构上要体现“云”的主题和意境;
    2. 具有极致通透感,水平向构件视觉遮挡最小,务必使钢梁厚度最小,最好就是一片板,要的是“云淡风轻”,而不是很大的钢梁,“乌云密布”。
    3. 各个视角结构有一定的变化,不至于太呆板。连接云片的竖向构件也希望采用钢板制作。当夕阳西下,透过云时,有一种云蒸霞蔚的感觉。

    一片板做钢梁!看看建筑师的模型,最大柱间距达到了6.7m,如钢板厚度10mm,横梁钢梁高度合理性的跨高比是多少? 670!而人云梁的合理跨高比为10~30!人云亦云间,结构难实现。

    看完建筑师的初步模型(图 1、图 2表示经过结构优化后的模型),与其说是一朵由“云片”(水平向构件)和“刀片”(连接云片的竖向构件)组成的云,不如说是一朵摆在结构工程师面前的“疑云”:

    1. 云片(水平向构件)采用钢板制作,柱支点之间的梁跨高比远超常规钢梁尺度,云片竖向刚度是否能够保证?
    2. 为了避免呆板的建筑效果,钢板立柱在云片上下层之间不连续交错布置。竖向力是否可以在不断转换中传递到基础?
    3. “云”由立柱支撑,如何避免立柱与云片交界处的集中弯矩过大?
    4. “云”结构的抗侧刚度从何而来?
    5. “云”断面呈圆弧状布置,如果保证结构不外鼓、不向外倾倒? 
    6. 为了取得较好的建筑效果,竖片的宽度相对云片宽度有较大的退进,造成了竖片与云片之间的连接存在较大的偏心(如图 5所示)。此偏心是否能实现?如何通过计算反应此偏心的影响?

    如此云云,“疑云”不少。我们对结构进行了概念性的分析,认为通过适当调整布置和优化,此结构存在可行性:

    1. 云片通过刀片连接成整体,虽然刀片厚度较小,但只要适当加大刀片的厚度,就可以使得“刀片”的抗弯刚度远大于“云片”的抗弯刚度,从而形成“空腹桁架”的效应,将大大加强云片的竖向抗弯刚度。
    2. 云片虽然是钢板梁,但由于其呈环向,板内存在较大的张力,云片将可以提供一部分应力刚度,以解决梁跨高比过大抗弯刚度不足的问题。
    3. 结构上可以将顶部云片连接成封闭的环状(图 3),通过封闭顶部云片,使结构形成完整的壳体,结构整体刚度得到了很大的加强,结构外鼓和倾倒的问题被结构的环梁张力所解决。
    4. 将立柱顶部设置成三个分支的树杈柱,将柱顶的集中弯矩离散成三个树杈的轴力,避免局部应力过大。
    5. 关于偏心的问题,通过通用有限元软件可以进行准确模拟,反映偏心的真实状态。

    另外,云的侧向刚度如何?仔细分析结构体系的抗侧力特征可知:

    1. 以竖板作为立柱,水平板作为横梁,形成了多跨连续钢框架(立柱上下不对齐,但可通过水平板在每层传递水平力。)
    2. 由于结构呈球状,一个方向的侧向力通过水平板传递至与侧向力方向一致的竖向板上,从而通过竖向板面内足够大的抗剪能力传递水平荷载。
    3. 最后传递至分叉柱顶,并由立柱传递至基础。
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    图 1
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    图 2俯视图
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    图 3早期方案顶部多处未形成封闭圆环
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    图 4建设中的照片

    综上所述,通过对结构的完善和优化布置,结构将具有一定的竖向刚度、整体稳定性和侧向刚度。结构概念没有问题,但结构是否真正可行,仍然是云雾缭绕,需要通过计算定量分析结构的承载能力和抗变形能力。然而决定对结构进行三维建模计算时,遇到了一个计算软件选择的现实问题:采用杆系有限元计算虽然计算速度上行云流水,但软件无法反应板件尤其是刀片的偏心和刀片与云片连接处的应力集中,采用通用有限元计算软件板壳单元分析才能获得准确的结果。

    但如果对整个结构进行通用有限元软件模拟(采用板单元),由于单元尺度上不能太大,单元数量将非常的大,一般计算机是无法在可接受的时间内完成分析的。尤其是整个结构布置、调整的过程,将是通过计算结果不断优化的过程,计算并不是计算一次就一蹴而就的。因此采用通用有限元软件对结构进行计算,没有算力,也是浮云。难道计算云需要上云计算?但目前还没有方便应用的结构云计算平台。

    看来只能采用曲线救国,采用 “验证+简化”的思路来进行分析:

    1. 采用通用有限元分析软件ABAQUS进行局部模型的分析
    2. 将计算结果与杆系有限元分析软件3D3S进行对比,得出计算的差别
    3. 然后采用3D3S对整个结构进行分析,并综合考虑前述差别,完成结构的不断优化和设计。
    4. 最终对于局部应力的考察,仍然采用ABAQUS对3D3S的局部模型进行计算。

    此方法解决了通用有限元软件的效率问题和杆系有限元软件的准确性问题,使得计算优化和调整可以实现,结构的优化和调整主要体现在以下方面:

    1. 树杈柱的位置和数量:均匀分布的树杈柱,有利于使“云”结构竖向刚度均匀;
    2. 云片的连续性、环通性:越环通整体刚度越大;
    3. 云片厚度:提高云片厚度可以提高此云片的抗弯刚度,但也造成了结构自重的增加;
    4. 刀片厚度:刀片厚度在合理范围时,“云”结构可以获得较好的整体刚度;
    5. 刀片位置:刀片位置实际上非常关键,合理的刀片位置将使得结构竖向刚度合理,但过多的刀片将影响视觉效果。
    6. 局部位置的结构优化:尤其是云片在内凹位置,由于“球壳”效应的减弱,结构局部刚度和云片刚度将可能非常不利。

    通过多次的试算和调整,结构的优化布置逐渐拨云见日。

    结构自重是结构的主要竖向荷载(包括裹冰荷载),云片越厚,自重越大。风荷载则是结构的主要水平荷载,尤其是竖向刀片众多,形成了较大的挡风面,风起云涌时,需要避免大风起兮“云”飞扬的状况。

    图 6表示了结构在自重作用下的竖向位移。由图可见,虽然“梁”的最大跨高比达到了670,但由于整体效应的存在,结构的最大竖向位移为55mm。由于竖向位移主要由恒载产生,可以通过施工时起拱部分消除。

    图 7表示了风荷载作用下的结构侧移,最大侧移为47mm。

    另外,由于结构有一定的壳体特征,稳定承载力分析必不可少。采用几何非线性分析方法对结构进行了极限承载力分析,计算结果表明,结构荷载系数达到4.4时,结构失去稳定承载力,大于规范所述4.2的限值。

    通过前述分析可知,杆系有限元显然无法真实地获得结构的局部应力。模型的位移指标基本合理后,我们反过来选取了3D3S计算中应力较大或者应力集中较为明显的部分构件,在通用有限元计算软件ABAQUS中,进行了较为细致的应力分布。在调整结构应力比的过程中,刀片的布置就显得非常关键,合理的刀片布置可以大幅降低峰值应力。最后将所有构件的峰值应力都控制在合理的范围内。

    至此,结构的刚度、稳定性和强度均可以满足规范要求,所有力学方面的疑云均烟消云散。

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    图 5刀片相对云片的偏心分析
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    图 6最大竖向位移
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    图 7风荷载作用下的侧移
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    图 8建成后效果