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亚洲城ca88唯一官网建筑的“形”与“力”—形由

发布时间:2020-06-08 12:42

  大跨度的建筑得以实现,往往需要充分利用材料。寻找自重作用下的合理结构形状,使结构以受压为主进而充分发挥材料的抗压特性,是此阶段复杂建筑结构设计的有力手段。其中“

  构形状,再通过对结构模型进行固化翻转,获得在重力荷载作用下的纯压结构。逆吊实验法的本质是实现零弯矩结构。

  的具体操作是对一个松弛的柔性索网或薄膜施加可凝固材料(如石膏等),待材料在自重(或外荷载)作用下凝结成形后,反向旋转曲面即可获得一以受压为主的壳体结构,对模型形状进行等比例放大。

  图4逆吊法试验过程逆吊实验法的力学平衡体系分为两种,一种是柔性结构在重力或者外荷载下达到的平衡。这种平衡下形成的结构往往是正高斯曲面的纯拉结构,固化反转后即可得到纯压结构,此

  类结构的分布不均匀。另一种是通过改变几何形状形成自应力平衡结构,在这种平衡方式下形成的结构往往是负高斯曲面的纯拉结构,符合最小曲面原理,结构应力分布均匀,张拉索膜结构的找形就是基于这种平衡方式。

  图8自应力平衡体系的逆吊实验法模型20世纪初,亚洲城ca88唯一官网西班牙建筑师 Antoni.Gaudi 利用“逆吊实验法”设计了叹为观止的圣家族大教堂。

  德国建筑师 Frei.Otto 根据自然界中形态生成规律,通过模型试验的方法,进行了一系列的结构找形研究。

  通过“逆吊索网”的方法确定了德国曼海姆多功能大棚的曲面形态,结构形式为木结构网壳。

  世纪60、70年代,瑞士工程师Heinz Isler以试验手段确定了大量混凝土薄实壳结构的合理曲面形状。主要是采用“充气薄膜法“和“逆吊实验法”来创建合理的薄壳。充气薄膜在内压作用下,仅受拉力的作用,以该形状作为混凝土薄壳的初始形状,则在反向荷载作用下,结构仅受压应力的作用。

  F.Otto等以模拟蜘蛛网、肥皂膜等若干自然界中常见的几何形态为出发点,提出了利用极小曲面理论对索膜结构进行初始形态分析的方法,在此基础上以实验手段生成了若干复杂的几何形体。

  Frei.Otto将围合的框架浸入到肥皂泡液体中,取出后在框内形成的薄膜表面积是最小的,表面压力也完全相同,在所有方向受力均等,此时得出的弯曲形体称为“最小曲面”(Minimal Surface)。“最小曲面”提供了一种确定帐篷结构形式的工具,它遵从自然的规律,形式和结构互为一体。利用“最小曲面”的理论,如果要获得结构允许的最大强度并且抵抗风力作用,则膜材必须剪裁成在拉力下曲率相反的形状,当初始预应力和曲率在两个方向是相等的时候,此时便是最小表面积的屋顶。

  皂膜模型试验在慕尼黑奥林匹克体育馆的设计正是应用的皂膜结构设计法。该体育场的顶棚材质为PVC,每一单元格最大尺寸为2.9m x 2.9m,厚度为4mm,最小尺寸为75cm x 75cm。整体跨膜结构通过65m至200m高度的钢柱支撑,使其表面能够呈现大规模曲面起伏。

  力密度法最早由Linkwitz和Schek于20世纪70年代提出。所谓的力密度,是指单元内力与单元长度的比值。力密度法的思想是通过计算一个节点连接的多个杆件,对每根杆件赋予相同的力密度,力密度乘以杆件的长度即为杆件的内力,假定所有杆件内力均为拉力,则可解得该点的不平衡力。最终可以得到一个较为均匀的网格。力密度法适用于索网结构的找形分析。

  图19不同外荷载下的形状我们可以看到,力密度的大小、外荷载的大小以及边界约束条件都会对最终的形状产生影响。

  1864年德国人卡尔·库曼发表著作《图解静力学》详细阐述了图解力学理论体系并确立了其学科的独立性以来,图解静力学理论便开始逐步兴起并发展起来。瑞士学者威廉姆·里特尔于1872年出版《图解静力学应用》,进一步完善了图解静力学理论,使其应用更为广泛。它的核心原理之一是“力的平行四边形定则”,即力的分解与合并。

  图20 力的分解与合并下面以一个求解纯受压拱的形态的例子来说明图解静力法的方法。

  等比例绘制,首尾相接形成外力线。然后确定极点 o, 依次连接 oa,ob…形成一系列的三角形,绘制完成的图形就是力图解。矢量 oa 的长度就代表了对应结构单元的内力大小及方向,分别将 oa,ob…作平行线对应到图形解中。由此便可以绘制出荷载作用下结构的纯压拱形态。

  极点对建筑形态的影响此外,可以看到更改极点的位置会影响力多边形的形状和大小。若将极

  点放置得更远离外力线,则会增加构件中的内力,从而导致得到更平缓的拱形和更低的净空高度。类似地,将极坐标放置得更靠近力线会使得构件中的内力减小,并导致更陡的拱形。这也反映了图解静力学的多解性。

  从形图解中可以看到桁架内斜腹杆(图中黑线表示)内力均为零,在理想状态下甚至可以去除斜腹杆。位于日本静冈市的泗赛桥于1995 年建成,总长 264 米,桥宽 3 米。是一座四跨的预应力钢筋混凝土桥,主要功能为供自行车及行人使用,其独特之处在于桥侧面呈一倒扇形。结构主要由预制的轻质混凝土制成,可以看到其形式和上弦杆内力相同的桁架形式相近(从轴力图中可以看出上弦杆轴力相同),由于上弦杆内力相等且受压,这对于桥面混凝土耐久性有利,而下弦杆受拉,且桥面只通行行人及自行车所以活荷载并不大,因此可以采用预应力混凝土作为下弦杆材料,采取上述桁架形式可以保证结构强度的前提下减轻结构自重使得结构更轻盈,同时营造出别样的效果。

  是一座六跨桁架组合桥,建成于 2007 年,总长 350m,由 WilkinsonEyre 建筑事务所设计。单元桥段不断重复形成轻快的韵律感。亚洲城ca88唯一官网通过力图解中,可以看到每跨形式的下弦杆内力基本相同,由于下弦杆内力相等即所用材料强度可以充分利用,从结构经济性角度来说是非常合理的。对于下弦杆仅受拉力,故采用抗拉性能更强的预应力钢缆代替普通的钢结构杆件,形成了类似张弦结构的悬挂式悬链线,增加了桥梁的平滑弯曲轮廓,同时可以减轻小结构构建尺寸,获得更轻盈灵动的形态,与独特的自然环境形成了有机对线下

  弦杆线段等长使得该人字形桁架的上弦各杆件内力相同,且下弦各杆内力差异不大,故材料可以充分利用且结构效率较高。图29

  在竖向荷载下轴力图由建筑师马里奥·博塔设计的丁格利博物馆,建筑外部的雨棚采用了月牙形桁架设计。从力图解中可以看

  建筑左侧屋顶悬挑达 45 米,右侧悬挑 27 米,中间跨度为 90 米且中间桁架底为适应功能要求需保持为水平状态。图32会议中心剖面及屋顶通过静力图解法可以快速得到不同设计形态的力图解

  原因是因为悬挑距离大导致左侧支座正弯矩较大,故杆件轴力也非常的大,使得材料强度以及重量也会相应提高。方案b则保持因功能要求跨中下弦部分不变,通过不断调整其余部分的形态,来使得结构效率提高。然而方案b形式不规则不是特别美观,故进一步对图形解进行优化,可以看到在上弦部分平滑处理之后并没有使得内力变化太多。于是尝试进一步将楔形形态变薄处理,得出余下两种方案进行比较。最终在保证形态美观的同时使得所用结构材料最少,自重最轻,达到了降低造价的目的。图33屋顶优化及对应材料使用关系利用图解静力学进行桁架设计,主要在于明确设计意图及目的后,构建对应

  弦杆件部分,选择索揽等轴向受力的线性材料,可以使得整体形体更加轻盈漂浮;而选用预应力混凝土等材料则可以营造出区别于常规受力形态新颖的效果。并且在大致形态确定后,结合材料与整体设计理念的整合营造,也能根据内力情况对形态进行进一步优化,进而完成设计的表达。四、有限元模拟法1993年,

  首次提出了 渐进结构优化法(ESO),其核心思想是将结构中抵抗荷载效率低的材料逐步消除,从而使最终结构具有较高的抵抗荷载效率值。喜马拉雅中心与卡塔尔国际中心的有机造型运用了ESO法设计得到的。从结构传力效率来看,所有结构构件中只有轴力,没有弯矩时,其传力效率最高。喜马拉雅的有机造型便是根据所给力学条件及设计条件自动形成的造型,并在进行某种程度的调整后所得到的形态。

  经典物理”逆吊法试验“的力学本质是实现零弯矩的纯受压结构。我们可以利用Grasshopper平台中的kangaroo插件进行参数逆吊法模拟。kangaroo是Grasshopper 平台上的一个物理力学模拟插件,是模拟物体的交互仿真、结

  System),粒子具有质量、位置及速度,能够对各种力做出反应。通过对粒子加载不同方向的荷载、设置点与点之间的引力或斥力、设定固定点等方式,模拟真实世界中的材料及物体的力学表现。图39 Rhino+Grasshopper+kangaroo

  布洛克教授团队与2008年将图解静力学拓展到三维空间,提出了推力网格法分析法,简称 TNA,与图解静力学类似,该方法是基于两个交互的图示:

  首先通过图形解和力图解的对应关系,获得薄壳结构在二维空间的合理形态,然后利用线性优化算法结合外荷载数值对可行解优化,最终求得结构三维空间结构。其后基于推力网格分析法开发出了犀牛插件 RhinoVAULT,用以拱的形力交互性设计。图45基于 TNA 建造的一个自由形式自承重拱六、结语

  。通过建筑形态与结构的统一,可以实现力学逻辑清晰的建筑形式,同时高效合理的结构也能节省材料的用量。

  如果结构能在建筑形态方案阶段就能够参与进来,在确定建筑方案时,统筹考虑建筑形态和结构力学逻辑,不仅能够最大程度的发挥材料的效率,降低建筑造价,也会使得建筑更加轻盈、合理,呈现出合理的建筑美学。

  [1]曾浩杰. 图解静力学在建筑形态创作中的应用研究[D].西南交通大学,2019.[2]孙明宇. 大跨建筑非线性结构形态生成研究[D].哈尔滨工业大学,2017.

  桁架结构(Truss structure)中的桁架指的是桁架梁,是格构化的一种梁式结构。以桁架几何组成方式分:简单桁架(由一个基本铰结三角形依次增加二元体组成)、联合桁架(由几个简单桁架按几何不变体系的...

  高层钢筋混凝土建筑上接轻钢结构研究。而整体式外套结构则是通过连接构造上下部结构水平连接起来,共同抵抗水平荷载,但是竖向不连接,使得竖向荷载不传递给下部结构,3、高层建筑上接轻钢结柱脚连接点...

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