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          • 構筑物“云”的結構設計

            2021/05/31 | 最新資訊, 案例展示, 結構設計
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            “能達云+星湖月城市展廳項目”位于南通經濟技術開發區能達市民廣場,建筑團隊希望借由景觀式的建筑設計和空間功能的升級,塑造一處兼具美觀、趣味及功能性的公共休閑活動中心。項目由兩處彼此呼應的空間,開放式的“云”和閉合式的“月”組成。

            由于項目區塊地處能達園區的核心位置,布置實體建筑勢必會遮擋園區的景觀視線。建筑團隊在進入項目之初就已確定下來此次項目的概念方向:在完善功能性的同時,讓場地中的建筑景觀和綠化景觀能夠相互“借景”,設計一個近乎透明的構筑物。

            因此,建筑師對“云”的效果訴求很清晰:

            1. 結構上要體現“云”的主題和意境;
            2. 具有極致通透感,水平向構件視覺遮擋最小,務必使鋼梁厚度最小,最好就是一片板,要的是“云淡風輕”,而不是很大的鋼梁,“烏云密布”。
            3. 各個視角結構有一定的變化,不至于太呆板。連接云片的豎向構件也希望采用鋼板制作。當夕陽西下,透過云時,有一種云蒸霞蔚的感覺。

            一片板做鋼梁!看看建筑師的模型,最大柱間距達到了6.7m,如鋼板厚度10mm,橫梁鋼梁高度合理性的跨高比是多少? 670!而人云梁的合理跨高比為10~30!人云亦云間,結構難實現。

            看完建筑師的初步模型(圖 1、圖 2表示經過結構優化后的模型),與其說是一朵由“云片”(水平向構件)和“刀片”(連接云片的豎向構件)組成的云,不如說是一朵擺在結構工程師面前的“疑云”:

            1. 云片(水平向構件)采用鋼板制作,柱支點之間的梁跨高比遠超常規鋼梁尺度,云片豎向剛度是否能夠保證?
            2. 為了避免呆板的建筑效果,鋼板立柱在云片上下層之間不連續交錯布置。豎向力是否可以在不斷轉換中傳遞到基礎?
            3. “云”由立柱支撐,如何避免立柱與云片交界處的集中彎矩過大?
            4. “云”結構的抗側剛度從何而來?
            5. “云”斷面呈圓弧狀布置,如果保證結構不外鼓、不向外傾倒? 
            6. 為了取得較好的建筑效果,豎片的寬度相對云片寬度有較大的退進,造成了豎片與云片之間的連接存在較大的偏心(如圖 5所示)。此偏心是否能實現?如何通過計算反應此偏心的影響?

            如此云云,“疑云”不少。我們對結構進行了概念性的分析,認為通過適當調整布置和優化,此結構存在可行性:

            1. 云片通過刀片連接成整體,雖然刀片厚度較小,但只要適當加大刀片的厚度,就可以使得“刀片”的抗彎剛度遠大于“云片”的抗彎剛度,從而形成“空腹桁架”的效應,將大大加強云片的豎向抗彎剛度。
            2. 云片雖然是鋼板梁,但由于其呈環向,板內存在較大的張力,云片將可以提供一部分應力剛度,以解決梁跨高比過大抗彎剛度不足的問題。
            3. 結構上可以將頂部云片連接成封閉的環狀(圖 3),通過封閉頂部云片,使結構形成完整的殼體,結構整體剛度得到了很大的加強,結構外鼓和傾倒的問題被結構的環梁張力所解決。
            4. 將立柱頂部設置成三個分支的樹杈柱,將柱頂的集中彎矩離散成三個樹杈的軸力,避免局部應力過大。
            5. 關于偏心的問題,通過通用有限元軟件可以進行準確模擬,反映偏心的真實狀態。

            另外,云的側向剛度如何?仔細分析結構體系的抗側力特征可知:

            1. 以豎板作為立柱,水平板作為橫梁,形成了多跨連續鋼框架(立柱上下不對齊,但可通過水平板在每層傳遞水平力。)
            2. 由于結構呈球狀,一個方向的側向力通過水平板傳遞至與側向力方向一致的豎向板上,從而通過豎向板面內足夠大的抗剪能力傳遞水平荷載。
            3. 最后傳遞至分叉柱頂,并由立柱傳遞至基礎。
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            圖 1
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            圖 2俯視圖
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            圖 3早期方案頂部多處未形成封閉圓環
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            圖 4建設中的照片

            綜上所述,通過對結構的完善和優化布置,結構將具有一定的豎向剛度、整體穩定性和側向剛度。結構概念沒有問題,但結構是否真正可行,仍然是云霧繚繞,需要通過計算定量分析結構的承載能力和抗變形能力。然而決定對結構進行三維建模計算時,遇到了一個計算軟件選擇的現實問題:采用桿系有限元計算雖然計算速度上行云流水,但軟件無法反應板件尤其是刀片的偏心和刀片與云片連接處的應力集中,采用通用有限元計算軟件板殼單元分析才能獲得準確的結果。

            但如果對整個結構進行通用有限元軟件模擬(采用板單元),由于單元尺度上不能太大,單元數量將非常的大,一般計算機是無法在可接受的時間內完成分析的。尤其是整個結構布置、調整的過程,將是通過計算結果不斷優化的過程,計算并不是計算一次就一蹴而就的。因此采用通用有限元軟件對結構進行計算,沒有算力,也是浮云。難道計算云需要上云計算?但目前還沒有方便應用的結構云計算平臺。

            看來只能采用曲線救國,采用 “驗證+簡化”的思路來進行分析:

            1. 采用通用有限元分析軟件ABAQUS進行局部模型的分析
            2. 將計算結果與桿系有限元分析軟件3D3S進行對比,得出計算的差別
            3. 然后采用3D3S對整個結構進行分析,并綜合考慮前述差別,完成結構的不斷優化和設計。
            4. 最終對于局部應力的考察,仍然采用ABAQUS對3D3S的局部模型進行計算。

            此方法解決了通用有限元軟件的效率問題和桿系有限元軟件的準確性問題,使得計算優化和調整可以實現,結構的優化和調整主要體現在以下方面:

            1. 樹杈柱的位置和數量:均勻分布的樹杈柱,有利于使“云”結構豎向剛度均勻;
            2. 云片的連續性、環通性:越環通整體剛度越大;
            3. 云片厚度:提高云片厚度可以提高此云片的抗彎剛度,但也造成了結構自重的增加;
            4. 刀片厚度:刀片厚度在合理范圍時,“云”結構可以獲得較好的整體剛度;
            5. 刀片位置:刀片位置實際上非常關鍵,合理的刀片位置將使得結構豎向剛度合理,但過多的刀片將影響視覺效果。
            6. 局部位置的結構優化:尤其是云片在內凹位置,由于“球殼”效應的減弱,結構局部剛度和云片剛度將可能非常不利。

            通過多次的試算和調整,結構的優化布置逐漸撥云見日。

            結構自重是結構的主要豎向荷載(包括裹冰荷載),云片越厚,自重越大。風荷載則是結構的主要水平荷載,尤其是豎向刀片眾多,形成了較大的擋風面,風起云涌時,需要避免大風起兮“云”飛揚的狀況。

            圖 6表示了結構在自重作用下的豎向位移。由圖可見,雖然“梁”的最大跨高比達到了670,但由于整體效應的存在,結構的最大豎向位移為55mm。由于豎向位移主要由恒載產生,可以通過施工時起拱部分消除。

            圖 7表示了風荷載作用下的結構側移,最大側移為47mm。

            另外,由于結構有一定的殼體特征,穩定承載力分析必不可少。采用幾何非線性分析方法對結構進行了極限承載力分析,計算結果表明,結構荷載系數達到4.4時,結構失去穩定承載力,大于規范所述4.2的限值。

            通過前述分析可知,桿系有限元顯然無法真實地獲得結構的局部應力。模型的位移指標基本合理后,我們反過來選取了3D3S計算中應力較大或者應力集中較為明顯的部分構件,在通用有限元計算軟件ABAQUS中,進行了較為細致的應力分布。在調整結構應力比的過程中,刀片的布置就顯得非常關鍵,合理的刀片布置可以大幅降低峰值應力。最后將所有構件的峰值應力都控制在合理的范圍內。

            至此,結構的剛度、穩定性和強度均可以滿足規范要求,所有力學方面的疑云均煙消云散。

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            圖 5刀片相對云片的偏心分析
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            圖 6最大豎向位移
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            圖 7風荷載作用下的側移
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            圖 8建成后效果
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