iStructure的一个理念是:形是力的图解。小i写了一年多文章,很多时候都是在探讨形与力的关系。

结构工程师是一群有着特殊审美偏好的人,形与力如果能够统一,那在我们眼中是一种和谐的美。虽然普通人没有学过结构力学,但是我相信如果处理得好,人们的直觉也会认为那是美的。

今天就来讲讲形与力高度统一的项目,甚至结构工程师看到这个建筑时,脑子里浮现的必然是弯矩图。

特拉弗西那桥

(Frist Traversina Bridge/1996)


特拉弗西那桥位于瑞士境内,跨度48m,横跨偏远的维亚马拉河大峡谷。桥的形态与简支梁在均布荷载下的弯矩相同。

这座桥是木和索相结合的一个优秀作品,木材用于受压,拉索用于受拉。且木材自重轻,所有构件重量均小于4.3吨的直升机最大载重量。

桥的主要结构由三部分组成,U形桥面板。H形框架为U形桥面板加强侧向刚度。断面为三角形的桁架支撑着上面两个结构,桁架底部为两根拉索,桁架竖腹杆是木材,其间设置对角钢拉索。H形框架与桁架腹杆牢固连接。

特拉弗西那桥上部很窄,其侧向刚度比较弱。所以,特拉弗西那桥用三角形的腹杆将底部的拉索向外撑开,越往跨中,撑的越开。其稳定性大大增强。

拉索与木结构的节点处理也很值得称道。但可惜的是,这座桥在1999年一次雪崩中被摧毁。同年,在另外一个地方建造了另外一座桥”SecondTraversina Bridge”。新的桥也很有意思,下次有机会再写。

滑铁卢国际车站顶棚

(the Waterloo International Station/1992)


滑铁卢国际车站靠近滑铁卢主车站,拥有2层的车站大厅与车棚,曾经是欧洲之星(通往比利时与法国)在伦敦的起始站。

滑铁卢国际车站顶棚是NicholasGrimshaw & Partners(建筑)和Anthony Hunt Associates (结构)合作设计的。这是一个借助弯矩图发展出形态的典型范例。

车站共有五条轨道,受列车通行要求控制,轨道上方的净高是有要求的,这是设计的前提条件。其中一条轨道由于运营要求需要被放到最左(西)侧,这样的话左侧屋盖需要迅速抬升。同时业主本来想在右(东)上方造另一个建筑,整个屋面被限高15m,右侧屋盖希望尽可能低。(虽然后来英国轨道公司放弃了这一计划,但因为当时设计已进入很后期,所以,右侧屋盖保留了比较低的形态。)

同时,由于其轨道下方还有数层建筑,可能存在不均匀沉降。另外,火车的进站、出站会使下部结构产生竖向变形,加速、刹车会对下部结构产生水平推力。所以,为了减少下部结构不均匀变形对屋盖的影响,安东尼·亨特采用了三铰拱的结构形式。三铰拱是静定结构,支座变形不影响内力。

最终,火车站屋盖的形式确定为一侧陡然升起、一侧较为平缓的三铰拱。这种非对称三铰拱在重力荷载作用下,两侧分别产生上、下两个不同方向的弯矩。弯矩图也不用画了,就是拉索的形态。

整个屋顶的造型既与内部的使用功能高度统一,又实现了材料的优化布置,同时借助非对称的结构形态活跃了建筑形象。

屋盖对于构件的设计同样非常精妙。车站屋盖覆盖的范围很长,从一端到另一端其跨度也由48.5m变化到32.7m。如果每一榀都重新设计,不仅设计工作量大,而且加工也很复杂。所以,安东尼·亨特根据不同的跨度将结构直接按比例缩放,类似于cad的scale。但是构件直径保持不变,只是长度发生变化。

同时,为了使节点的制作简单,受压拱的圆管共仅三种规格。小i不清楚它的变径圆管之间是怎样连接的,从外观上看是突变的,有了解的读者可以在文末留言。

复杂节点采用了可焊接的铸钢件,在当时,这是非常先进的技术。同时,桁架的腹杆采用了锥形管,用于连接较大直径的钢管和较小直径的拉索。椎管是采用两个半圆弧钢板拼起来的,从照片上完全看不出来拼缝。所有这些细节方面的追求,使滑铁卢车站成为经典的项目。

柏林中心火车站站台雨棚

(Platform Roof of Central Station /2002)


这个项目结构是SBP,建筑是GMP。位于欧洲中心的铁路枢纽,新的柏林中心火车站(前身为莱特火车站)由两个地下铁路段(斯德哥尔摩—帕勒莫线、巴黎—海参崴线)和六条地上区域快线组成。

▲火车站马镫形建筑之间的视角

巨大的东西向站台雨棚随着曲线的轨道延伸,设计长450m(后由于工期原因,只实施了320m)。屋顶首尾的跨度分别为44m和56m,而在中间的两个马镫形建筑处增加至66m。在两个马镫形建筑之间,是另一个南北向的雨棚。

今天的主角是东西向站台雨棚,跨度44~66m,采用了传统火车站常用的拱形结构。与滑铁卢车站类似,由于两边有列车通行的净高要求,拱在两个支座处需快速上升,无法做成悬链线。

SBP通过交织于室内外的拉索,将拱结构的受力由弯矩为主调整为轴力为主。跨中拉索位于室内,两侧拉索位于室外。在竖向均布荷载下,钢索的穿越点是弯矩零点。

由于竖向均布荷载下,拱架几乎只承受轴力。所以拱架只需要略微加强,以承担不对称雪压和抵抗侧面风压。拉索与拱的连接为铰接,腹杆交叉拉索为2对1的布置方式,节点很精致。

两榀拱之间的距离是13m,在两榀拱之间覆盖了矢高很小的圆柱形网壳。杆件整体的平均结构高度仅175mm。小i忍不住又赞叹一下,构件的厚度与跨度之比为1/75,必然是利用了壳体效应。而这个壳体支承在不算太刚的两榀拱上。小i是心里是没底的,不知道大神们是怎么考虑的。
由于结构高度很小,1.4~1.6m的网格和对角线方向的直径为12mm的双股拉索组成的屋面,视觉效果非常轻盈。

同时,圆柱形网壳是可展开直纹曲面,所以每个网格的四个角点都在一个平面内,以便于覆盖平面玻璃。在某些位置,玻璃面上还覆盖有太阳能电池板。

小结


画弯矩图是结构工程师的必修课,甚至一注建筑也会考弯矩图。但是能把弯矩图应用到实际的工程形态中又是另外一回事。特别是滑铁卢车站顶棚和柏林中心车站顶棚,通过弯矩图的布置,既实现了合理的受力,又实现了很好的结构表达。希望以后也能在自己的项目中诠释“形是力的图解”。


参考资料
1)《结构大师—构筑当代创新建筑》 萨瑟兰·莱尔

2)《The Aestheticisationof the Steel Framework: the Contribution of Engineering to a Strand of ModernArchitecture that Became Known as High Tech》AngusMacdonald

3)《轻·远》

4)《建筑形态的结构逻辑》 卫大可

5)本文图片均来源于网络,版权属于原作者或网站


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本文首发于iStructure公众号,此为小i运营的知乎账号,希望能让更多人了解不一样的结构设计。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:iStructure

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