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哈利波特里的国王十字火车站的9¾站台怎么建成的?

浏览: 作者: 来源: 时间:2023-08-01 分类:新闻资讯
我们和国内外六十多家建筑事务所和二十多家建筑媒体保持着长期合作的关系。输出大量优质的设计案例、行业知识、经验见解,为建筑师们源源不断的提供着高质量的内容。我们是建筑师的灵感采集利器,更是陪伴见证每一位青年建筑师成长的建筑学院。

小i在之前的文章中介绍过树形柱,树形柱是结构构件的拓扑演进,将荷载由一点变为多点。在传力体系和结构表达中有诸多优点,比如下面这个。

今天,小i为大家介绍另一种树状的结构。采用网格编织的形式,构成一棵三维立体的“树”。下面选取几个国内外典型的例子给大家介绍。


国王十字火车站的改造

(King’s Cross Station Redevelopment /2012)

国王十字火车站是英国1852年启用的大型铁路终点站,位于伦敦市中心的国王十字地区。“国王十字”的原意是纪念英王乔治四世。如果你是哈利波特迷,你一定知道国王十字火车站的9¾站台,这是通往魔法世界的入口。

我们今天的主角不是哈利波特,而是国王十字火车站的改造工程。2005年,国王十字火车站宣布了一项耗资5亿英镑的全面改造计划,其中西侧广场增设一个大跨度屋盖。John McAslan + Partners担纲建筑设计,结构设计由ARUP完成。改造耗时7年,2012年伦敦奥运会之前,国王十字火车站改造完成后正式向公众开放。

西侧屋盖平面为一半圆形,屋盖表面积约9000m2。高约20m,直径约150m,由周圈16颗树形柱和一个锥形的中央树状结构支撑。

中央的树状网格结构共有5个支点落地,以菱形网格编织向上生长并逐步扩大。到顶部3/4处,在菱形网格中增加一根对角杆件,形成三角形网格。至顶部处,再次增加一根对角杆件,形成更小一级的三角形网格。极富韵律感的屋面结构完全展现在乘客面前,营造了一种轻盈律动的空间感。晚上在灯光的烘托下,整个屋盖非常优雅。

从内力图中可以看出,屋盖整个网格结构的受力是很清晰的。下方左图为轴力图,右图为弯矩图。径向杆件主要承担弯矩,所以采用了矩形钢管,这样抗弯效率更高。矩形截面150mm宽,高度250~450mm不等。而菱形的网格杆件主要承担轴力,所以采用圆钢管,直径139~219mm不等。这样的结构布置,不仅受力合理,而且契合空间的韵律。

屋盖的拱效应明显,平面中心的树状结构由于顶部圆形的环箍作用,其承担的水平分力并不大。对于周围的分叉树形柱,水平推力很大。因此,分叉树形柱的根部由两根355x36圆钢管组合而成,外表皮通过包裹钢板形成优雅的椭圆形。柱顶分叉位置采用的是铸钢件,保证连接处的平滑过渡。

屋盖的次结构均覆盖在主结构上方,采用铝板和玻璃。整个屋盖的完成度很高,一方面是设计很出众,另一方面施工的质量也很高。所以才能有我们所看到的效果。


上海文化广场中庭

(Shanghai Culture Plaza/2011)

上海文化广场位于原卢湾区,占地约5460m2,地下5层,地上3层。地上部分是钢结构双层网架,其内侧由中庭树状结构支承、外侧由周围的斜钢柱支承(兼做幕墙柱),中部则支撑在混凝土剪力墙上。

中庭内有一单层的树状结构,下口直径为6.72m,上口直径为26.8m。采用菱形网格,同时,其径向构件截面亦为菱形,尺寸为800mmx380mm(菱形长x宽)。环向为圆弧形钢管,直径分别为140mm、200mm和800mm。

菱形网格加菱形截面形成的韵律感,给进入剧场的观众带来较强的视觉冲击。

但小i在现场发现,菱形截面也会带来一些问题。比如加工精度要求高,虽然所有的菱形构件均采用铸钢制作,但实际上近距离观察,还是存在边线平直度不佳的问题,如下方左图所示。

另一方面,菱形截面存在扭转问题,该树状结构的处理方式是构件不扭,所需的扭转角度在节点处一次扭转完成,所以如果仔细观察,接近顶部的节点相交不是很顺畅。如下方右图所示。

因为有近距离观察的机会,所以小i对文化广场中庭这棵钢树要求可能有点严苛。实际上这棵“铁树”是整个中庭的点睛之笔,吸引了所有进入中庭观众的眼球。另外文化广场的歌舞剧都很不错,推荐大家有机会观看,顺便看看这棵“铁树”。


布鲁克菲尔德广场展示厅

(The Pavilion at Brookfield Place/2013)

布鲁克菲尔德广场展厅位于纽约下城,是布鲁克菲尔德广场的主要入口,每天出入超过3万名顾客和观光游客。新展厅将前门迁移到侧面紧邻街道,取代了与前世界贸易中心相连的、在911事件中被破坏的二层廊道。

展厅面宽33m,进深20m,高16m。两棵网格状的钢结构柱支承着屋面,周围是通透的悬挂式幕墙,从街道上就可以看到展厅内两棵巨大的“铁树”。从展厅往外看出去,可以看到卡拉特拉瓦设计的“大鸟”。

“铁树”呈椭圆形,同样采用了富有韵律感的菱形网格。

网格的两个径向分别是内外两层圆管,它们互不相交。18根圆钢管以顺时针方向向上延伸,而同样18根圆钢管以逆时针方向向上延伸。在网格的中部设置4道环形构件,环形构件采用方管,方管正好位于内外两层圆管的中间。三层构件均不共面,这样的设计对节点的处理更有利。


世博轴阳光谷/2010

世博轴是2010年上海世博会五大永久性建筑之一,由大跨度张力索膜结构和六个钢结构阳光谷组成。六个阳光谷提供给索膜结构18个支撑点,将两者结构为一体。阳光谷从顶棚贯通至地下二层,为地下空间引入阳光和新鲜空气,同时将雨水收集至地下雨水渠中,实现对雨水的回收利用。

六个阳光谷形状各异,属于典型的自由曲面单层网壳结构。其网格为三角形,以轴向受力为主。

阳光谷的形态和网格的划分是技术难点。

对于形态创建,以自由曲面控制点坐标为设计变量,以结构应变能最小为目标函数,通过反复迭代,使曲面逐步演进为合理的结构形态。既实现了建筑意图,又保证了结构合理性。

形态确定后,以使每根杆件长度尽可能均匀或三角形尽可能等边为目标,进行网格的整体优化。

对结构形态和网格的优化方法,可以参见小i之前有关参数化的文章。

同时,空间矩形管的相交也为节点的处理带来了很大的难度。通过合理的定位方式和加工方式,最终得到的效果很不错。


小结

网格的编织是一种极富韵律感的结构表达形式,如果要追溯,那应该可以追溯到奈尔维的小罗马体育馆。

编织的树状结构,就像盛开的铁树银花,给空间带去了不一样的律动。如果以后遇到结构外露的情况,各位读者不妨考虑一下这种结构表达形式。

参考文献:

1)Building design at ARUP,DETAIL engineering 2

2) https://architizer.com/projects/the-pavilion-at-brookfield-place/

3) 上海文化广场钢屋盖异形区域的结构施工

4)《上海世博轴阳光谷找形综合技术研究》 汪大绥,卢旦,李承铭


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