在建筑中看見彎矩圖,一群特殊審美偏好的人!!
2018-06-05


來源:iStructure ID:iStructure2017

結構工程師是一群有著特殊審美偏好的人,形與力如果能夠統一,那在我們眼中是一種和諧的美。雖然普通人沒有學過結構力學,但是我相信如果處理得好,人們的直覺也會認為那是美的。

今天就來講講形與力高度統一的項目,甚至結構工程師看到這個建筑時,腦子里浮現的必然是彎矩圖。

特拉弗西那橋

(Frist Traversina Bridge/1996)

特拉弗西那橋位于瑞士境內,跨度48m,橫跨偏遠的維亞馬拉河大峽谷。橋的形態與簡支梁在均布荷載下的彎矩相同。

這座橋是木和索相結合的一個優秀作品,木材用于受壓,拉索用于受拉。且木材自重輕,所有構件重量均小于4.3噸的直升機最大載重量。

橋的主要結構由三部分組成,U形橋面板。H形框架為U形橋面板加強側向剛度。斷面為三角形的桁架支撐著上面兩個結構,桁架底部為兩根拉索,桁架豎腹桿是木材,其間設置對角鋼拉索。H形框架與桁架腹桿牢固連接。

特拉弗西那橋上部很窄,其側向剛度比較弱。所以,特拉弗西那橋用三角形的腹桿將底部的拉索向外撐開,越往跨中,撐的越開。其穩定性大大增強。

拉索與木結構的節點處理也很值得稱道。但可惜的是,這座橋在1999年一次雪崩中被摧毀。同年,在另外一個地方建造了另外一座橋”SecondTraversina Bridge”。新的橋也很有意思,下次有機會再寫。

滑鐵盧國際車站頂棚

(the Waterloo International Station/1992)

滑鐵盧國際車站靠近滑鐵盧主車站,擁有2層的車站大廳與車棚,曾經是歐洲之星(通往比利時與法國)在倫敦的起始站。

滑鐵盧國際車站頂棚是NicholasGrimshaw & Partners(建筑)和Anthony Hunt Associates (結構)合作設計的。這是一個借助彎矩圖發展出形態的典型范例。

車站共有五條軌道,受列車通行要求控制,軌道上方的凈高是有要求的,這是設計的前提條件。其中一條軌道由于運營要求需要被放到最左(西)側,這樣的話左側屋蓋需要迅速抬升。同時業主本來想在右(東)上方造另一個建筑,整個屋面被限高15m,右側屋蓋希望盡可能低。(雖然后來英國軌道公司放棄了這一計劃,但因為當時設計已進入很后期,所以,右側屋蓋保留了比較低的形態。)

 

同時,由于其軌道下方還有數層建筑,可能存在不均勻沉降。另外,火車的進站、出站會使下部結構產生豎向變形,加速、剎車會對下部結構產生水平推力。所以,為了減少下部結構不均勻變形對屋蓋的影響,安東尼·亨特采用了三鉸拱的結構形式。三鉸拱是靜定結構,支座變形不影響內力。

最終,火車站屋蓋的形式確定為一側陡然升起、一側較為平緩的三鉸拱。這種非對稱三鉸拱在重力荷載作用下,兩側分別產生上、下兩個不同方向的彎矩。彎矩圖也不用畫了,就是拉索的形態。

整個屋頂的造型既與內部的使用功能高度統一,又實現了材料的優化布置,同時借助非對稱的結構形態活躍了建筑形象。

屋蓋對于構件的設計同樣非常精妙。車站屋蓋覆蓋的范圍很長,從一端到另一端其跨度也由48.5m變化到32.7m。如果每一榀都重新設計,不僅設計工作量大,而且加工也很復雜。所以,安東尼·亨特根據不同的跨度將結構直接按比例縮放,類似于cad的scale。但是構件直徑保持不變,只是長度發生變化。

同時,為了使節點的制作簡單,受壓拱的圓管共僅三種規格。小i不清楚它的變徑圓管之間是怎樣連接的,從外觀上看是突變的,有了解的讀者可以在文末留言。


復雜節點采用了可焊接的鑄鋼件,在當時,這是非常先進的技術。同時,桁架的腹桿采用了錐形管,用于連接較大直徑的鋼管和較小直徑的拉索。椎管是采用兩個半圓弧鋼板拼起來的,從照片上完全看不出來拼縫。所有這些細節方面的追求,使滑鐵盧車站成為經典的項目。


柏林中心火車站站臺雨棚

(Platform Roof of Central Station /2002)

這個項目結構是SBP,建筑是GMP。位于歐洲中心的鐵路樞紐,新的柏林中心火車站(前身為萊特火車站)由兩個地下鐵路段(斯德哥爾摩—帕勒莫線、巴黎—海參崴線)和六條地上區域快線組成。

▲火車站馬鐙形建筑之間的視角

巨大的東西向站臺雨棚隨著曲線的軌道延伸,設計長450m(后由于工期原因,只實施了320m)。屋頂首尾的跨度分別為44m和56m,而在中間的兩個馬鐙形建筑處增加至66m。在兩個馬鐙形建筑之間,是另一個南北向的雨棚。


今天的主角是東西向站臺雨棚,跨度44~66m,采用了傳統火車站常用的拱形結構。與滑鐵盧車站類似,由于兩邊有列車通行的凈高要求,拱在兩個支座處需快速上升,無法做成懸鏈線。


SBP通過交織于室內外的拉索,將拱結構的受力由彎矩為主調整為軸力為主。跨中拉索位于室內,兩側拉索位于室外。在豎向均布荷載下,鋼索的穿越點是彎矩零點。

由于豎向均布荷載下,拱架幾乎只承受軸力。所以拱架只需要略微加強,以承擔不對稱雪壓和抵抗側面風壓。拉索與拱的連接為鉸接,腹桿交叉拉索為2對1的布置方式,節點很精致。

兩榀拱之間的距離是13m,在兩榀拱之間覆蓋了矢高很小的圓柱形網殼。桿件整體的平均結構高度僅175mm。小i忍不住又贊嘆一下,構件的厚度與跨度之比為1/75,必然是利用了殼體效應。而這個殼體支承在不算太剛的兩榀拱上。小i是心里是沒底的,不知道大神們是怎么考慮的。

由于結構高度很小,1.4~1.6m的網格和對角線方向的直徑為12mm的雙股拉索組成的屋面,視覺效果非常輕盈。

同時,圓柱形網殼是可展開直紋曲面,所以每個網格的四個角點都在一個平面內,以便于覆蓋平面玻璃。在某些位置,玻璃面上還覆蓋有太陽能電池板。

小結

畫彎矩圖是結構工程師的必修課,甚至一注建筑也會考彎矩圖。但是能把彎矩圖應用到實際的工程形態中又是另外一回事。特別是滑鐵盧車站頂棚和柏林中心車站頂棚,通過彎矩圖的布置,既實現了合理的受力,又實現了很好的結構表達。希望以后也能在自己的項目中詮釋“形是力的圖解”。

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