大跨结构除了网格结构你还有一个选择——折板 | 目的地Destination

大跨结构除了网格结构你还有一个选择——折板

大跨结构除了网格结构你还有一个选择——折板

原创作者:PP (iStructure)

首先请大家来和小i做个小实验,如下图所示。我们将一张纸支在两本书之间模拟一个大跨结构,随后在上面放一块小蛋糕,纸随即塌了下去;而当我们将同一张纸经多次折叠,形成折板后,再将小蛋糕放在上面,纸成功得托起了小蛋糕。

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纸还是那张纸,蛋糕还是那个蛋糕,为什么将纸折叠后刚度会有如此大的提升呢?

折叠前纸可以看做一块平板,由于纸非常薄,因此抗弯刚度很小;而当我们折叠纸形成折板时,就形成了空间结构,通过空间形抗作用,大幅提高了结构的整体刚度。在大自然中,利用折板原理的例子也有很多。

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折板结构与壳体结构同属薄壳空间结构,因此二者有相似之处,都是利用了形的作用提高整体刚度。

折板结构由平面板组成,其内力分析虽然比曲面的壳体结构简单,但折板结构并非完美的拱线,因此其中不可避免地涉及弯曲应力,这是与以薄膜应力为主的壳体结构有主要的区别。

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典型的折板结构主要由三部分组成,折板、边梁、横隔。折板主要起承重及维护作用;边梁连接相邻折板,加强折板的纵向刚度,同时增加折板的平面外刚度;横隔一般布置在端部,使折板结构形成几何不变体系,并作为折板边梁的纵向支座。

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折板结构按照结构体系可分为折面结构(folded plate surface)、折板框架(Folded plate frame)、空间折板结构(Spatial folded plate)。按折面形式又可以分为V形折板、多折折板、锥形折板、角锥折板、组合折板等。

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V形折板是最典型的折板形式,为了简单理解其受力特点,可从横向和纵向分别考察。横向可将折板看做一个带褶的连续板,支承在脊线和谷线一高一低的支点上,估算时可取1m宽板带作为计算单元,按照多跨连续板进行内力分析。纵向可以看做一个V形截面梁,估算时可取一个V形单元,按深梁进行分析。

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锥形折板也是折板众多形式中常见的一种,受力特点和V形折板类似。但由于折板抗弯刚度的控制截面是在跨中,而此处折板的高度并不是最高,因此锥形折板结构的效率没有V形折板高。

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角锥折板又称折板桁架,这个名称就暗示了其受力特点近似于桁架。我们可将脊线看做桁架上弦承受受压,四周的环梁为桁架下弦承受拉力,折板斜向交线为桁架腹杆传递剪力。可见角锥折板与前两种折板形式受力不同,为三维受力体系。

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折板框架的屋面与立面均由折板组成,相互刚性连接。每个单元受力介于框架和拱之间,构件内主要以轴力为主,但在交接转折的地方弯矩较大,因此需要在顶部与中部转折的部分设置刚性梁,对此部分进行加强。

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由于折板结构造型富有表现力、受力合理、施工便利的特点,受很多建筑师与结构工程师的喜爱,被用在很多经典项目中。接下来小i就挑选了其中几个,与大家一起欣赏。

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本项目是由瑞士建筑师Livio Vacchini(1933-2007)设计的最后一件作品。建筑师希望能够使结构外露,在能够表达结构美感的同时还要做到坚固耐用,并且由于视野高处有火车通过可看到建筑屋面,因此建筑师还希望立面和屋面的结构形式可以形成一个整体。根据建筑师的要求,最终采用了混凝土折板框架。

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建筑长80米,宽55米,内部为无柱空间。结构墙面和屋面均采用V形折板,由27个单元组成,每个单元又是由两组V形墙面与一组V形屋面组成。折板采用预制预应力混凝土,屋面板厚度仅16cm,内设预应力钢绞线。通过采用自密实混凝土并施加预应力,提高混凝土的防水性和耐久性。

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由于结构外翻,幕墙在结构构件内侧,内外就形成了相对独立的空间。建筑内部被分隔为多个体育场馆和多功能厅,同时顶部吊顶,因此人在内部感觉不到复杂的结构形式,不会因此而分神。而外侧又极赋结构张力,吸引行人的眼球。

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这里折板不仅仅是结构承重构件,它作为建筑表达的重要组成部分,使得外立面作为整个建筑的皮肤,成为一个雕塑。

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从中不仅能看到结构工程师高超结构设计水平,同时也体现了建筑师和结构工程师之间的密切配合。

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折板结构不仅可以用混凝土薄壳实现,同时还可以用钢结构网格实现,美国空军学院礼拜堂(Air force academy chapel)就是其中的经典之作。

美国空军学院礼拜堂是由SOM设计,设计之初饱受争议,但随着时间的推移,已经成为现代主义建筑的经典。

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这座建筑有一大难点同时也是一大特点,就是不仅要在一个屋檐下同时容纳三种不同的宗教礼拜堂,一个有900个座位的新教教堂,一个有500个座位的天主教教堂和一个有100个座位的犹太教堂,同时还要作为美国空军学院的纪念碑。

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因此,建筑师注定不能用传统信仰的外部特征来满足各种需求,因为各种信仰的典型外观风马牛不相及,甚至可能还是相悖的。于是通过与结构工程师的讨论与配合,最终决定以折板结构的形式,形成了一套全新的建筑语言将各种需求包容在了一起。

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建筑高46米,长85米,宽26米。最初设计由19个方尖塔组成,后期因为预算原因减少到17个。为了降低施工难度同时控制造价,结构由100个相同完全相同的四面体组成,每个四面体长23米,重5吨。

四面体单元采用钢管桁架,铝板覆面。四面体单元间彼此空开0.3cm,在构架中形成窄缝,填充25mm厚的彩色马赛克玻璃,以增加其宗教元素。

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介绍了两个国外项目,再来介绍一个国内的项目——青岛国际邮轮母港客运中心。

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青岛国际邮轮母港客运中心由CCDI设计,建筑整体造型设计取意“风帆”,与美国空军学院礼拜堂一样采用了单元化拼接的方式。

建筑高度 23米,长338米,宽96米。钢屋盖结构采用变截面桁架折板结构,由18榀基本单元排列组成,每榀间距18 米。其中室内跨跨度为55米,室外跨跨度36米。

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结构计算结果与折板框架的概念分析特点一致。首先由于折面的空间作用,结构侧向与竖向刚度均较大,Y向位移仅为允许位移的25%。其次,结构受力以轴力为主,但在结构折面转折处弯矩较大,此处为结构的主受力杆件,需要进行相应加强。

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由于篇幅有限,小i这里就不一一介绍了,下面列举一些图片来撩一撩你。

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今天小i介绍的折板撩到你了吗?有没有同学跃跃欲试想要做一个折板结构。

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不管你有没有,反正我是有了。

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参考文献:

1. Mobin Shah Masum. Folded Plate Structure

2. 罗午福. 建筑结构概念体系与估算

2. 刘旭静. 青岛邮轮母港客运中心钢屋盖的整体分析及复杂节点的有限元分析

3. 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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