基于结构约束探索不规则网状钢和玻璃外壳形式.docx

基于结构约束探索不规则网状钢和玻璃外壳形式Sigrid Adriaenssens, M.ASCE1; Laurent Ney2; Eric Bodarwe3; and ChrisWilliams4摘要:在对荷兰阿姆斯特丹荷兰海事博物馆顶部覆盖的一种高效的结构形式进行 探究的文章中，作者简要讨论了作用力对最早的玻璃屋顶覆盖物的影响在20 世纪末到21世纪初，外露的钢骨架玻璃壳设计慢慢出现这些设计形式在从雕 塑到几何再向结构转变通过荷兰海事博物馆钢玻璃壳屋顶的发展，对它的挑战 性设计的讨论得出了设计者在基于一个诗意的几何思想的基础上，对寻求有效的 结构链形式的探索本文提出了一种建筑结构设计方法这种方法稍微适和用数 值模拟方法探索H的是在所有的的三角化、四面性和五面性的网面中实现平面化 的结构链模形然而，如何通过分析玻璃面的途径将其很好的解决并呈现给人们 为实现平面化向人们提出了挑战对照此种方法得到麦克斯韦互惠网络图最后, 雕琢出的平面向人们展示了典雅、耐用D01:10. 1061 /（土木）ae. 1943 一 5568. 0000074o 2012 美国土木工程师学会 CE数据库主题词:设计;钢材;玻璃;古迹;屋顶；荷兰。

关键词:形状;概念设计;模型探究;钢玻璃壳体结构；历史意义的庭院;平面化感 官；结构约束;麦克斯韦互惠网络正文：随着工业革命的兴起，玻璃金属结构出现受两个因素支配：其一、在人口 过多的城市，社会对绿色和安静的空问的渴望；其二、新的建筑材料（玻璃和铁） 的出现在十八世纪初，第一温室装以玻璃的屋顶出现在人们生活的中它们的高昂 的建设和维护成本（由于玻璃和必需的供暖系统）让它们成为精英阶层的标志他 们的弯曲形状［（1）悄沟连跨型例如，查特斯沃思庄园，英国（建于1834年）， 与（2）拱形，例如，裘园（伦敦市郊著名植物园），英国（建于1844年） （Kohlmaier and Von Sartory 1991）］允许稀疏的阳光进入室内并照在柑橘和柠 檬树丄（因此，名称橘园）其他品种的温室植物、灌木和奇异的植物也被安置在 橘园其小棕欄树，扮演着大量的宗教色彩,是尤其令人印象深刻的和有名的植 物，从而也把温室的形象进一步提升十九世纪中期，温室类型学已全面发展，由此便产生了文化室、暖房以及 冬景花园［例如,皇家温室、拉肯，比利时（建于1876年）现于Fig. 1 （Woods and Swartz 1988）］.冬季花园是木文特别感兴趣的，因为它是一个社交场合，与--栋 私人豪宅或公共建筑及其接近。

在十九世纪下半叶，大规模生产的负担得起的铁 进一步鼓励了高层和大跨度由钢材和玻璃建成的展厅的设计和施工大量光线进 入展览区的建筑物，如水晶宫、英国（建于1851年）（如图所示在Fig. 1）其如 网状的钢结构骨架是预制的，后来被拆除，从海德公园搬运至伦敦南部的西登哈 姆不幸的是，它在1936年毁于火灾19世纪后半期和20世纪早期，公共建筑物屋顶的设计和施工乂经历了一个 很大的提升，冬景花园不再种植植物，而是覆盖在重要的历史公共建筑的庭院上 方［例如，大英博物馆的大院子，United Kingdom,英国；见Fig. 1 ; the Deutschen Historischen Museum, and Museum fur Hamburgische Geschichte, 德国（如期分别在 2001 和 2004 年建成的 Schlaich Bergermann and Partners）; 和 the Smithsonian Institute, Washington, DC （Foster and Partners, and Buro Happold in 2001）］ □顶部覆盖玻璃的单层钢骨架的形状由雕塑、几何、物 理以及施工条件等因素共同决定。

最近这些结构的重新炯起，伴随着由数字化设 计演化出的工具，使得设计师能够开发和分析出更多大胆•和自由的几何设计单层玻璃钢骨架结构今天的设计师（有过设计和工程背景）在设计这些非种植植物的冬季花园时 主要遵循以下四个因索：实施现状，建筑美学，建筑几何形状和建筑物结构效率 等现代冬季花园在过去的二十年里，存在着这样与历史有关的公共建筑，它们已经能够通过 扩展建筑物的中部空间适应室内或室外气候那些狭小的建筑物通常利用中部空 间提供光亮钢结构玻璃外壳为设计的挑战提供了唯一的解决方案历史的显示， 设计师在研发设计壳体结构的过程中往往会受到一系列约束条件的限制其限制 条件通常包括高度的限制以及强加于现有建筑物，尤其是水平方向，最大负荷的 限制大英博物馆法院屋顶是滑动轴承支撑,这样就没有水平推力落在历史博物 馆的砌体墙上(威廉姆斯2001) 0回顾最近的设计我们就会意识到，推动钢结构 玻璃壳结构设计的因素主要是建筑形态美学而非结构的性能建筑美学利用可用儿何数字建模工具，更多的建筑师通过把他们的工作建立在审美 (通常是主观的)条件上来实现结构的布景效果它们的结构设计主要取决于结构 形式的创新,而非结构的重力荷载条件。

因此，这种特殊的设计方法可以解决结 构缺乏结构效率的问题不幸的是，这种结构解决方案通常必须使用一些笨拙 的、重要的材料来构造这些建筑形态这些自由延伸的构造会在建筑物产生不利 的内力，也会在建筑物的表面造成无法预料的其它不利力的影响这些形状依靠 弯曲支撑受力-最有效的基本负荷的方法然而，设计师往往忽略这样一个事实， 即建筑物自由的结构形式由传统的建筑和结构方式构造产生弗兰克盖里，普利 兹克奖建筑师，促进了这种建筑设计迸•程，他传达过这种建筑设计的想法而没 有过这种建筑设计(Shelden2002)o -个合理化的设计，在初步设计阶段，需要 超越传统布局经验而且要以结构的完整性设计为中心(Leach et al・2004)形成一个初步的建筑结构形态需要一个强大的工程师和承包商团队例如， Nuovo Polo Fiera Milano,意大利(建于 2004 年)(Gui 1 laume et al. 2005)的 屋顶壳体设计概念是由建筑师马希米亚诺•福克萨斯，然后交给结构工程师和承 包商Mero TSK集团解决结构上和构造上的关系后确定的(见图2) (Basso et al. 2009)。

几何造型几何学是一种工具，古代建筑模型的构造就已经使用肖然，这也一直受到 立体解析几何和设计者想象力强加的规则的限制几个世纪以来，建筑学己经能 够围绕简单的几何图形來判断建筑物在结构和构造上的质量［我们可以从花之 圣母大教堂的圆顶及其最近的混凝土外壳的设计中找到这样的例子花之圣母大 教堂的圆顶，意大利(建于1们6年)，由菲利普•布鲁内莱斯基；其最近的混凝土 夕卜壳,费利克斯•坎徳拉(Moreyra Gar lock and Billington 2008)］旋转弯曲 型屋而，移动型屋而，和大小可变型屋而能让它们更好的组合成壳体屋而结构，并 分散成一个个小小的单元在这种背景下，耶尔格•施莱希和汉斯•舍贝尔在钢 壳结构的工作是一种创新他们设计了将屋面分为平面四边形网格方法，能够获 得正确的移动型屋面，和大小可变型屋面柏林动物园的HippoHouse,德国(建 于1996年)，由建筑师设计Grieble和Schlaich Bergermann以及合作伙伴 (Schober 2002, Glymph et al . 2004)利用这种方法设计的一个优美的钢壳，见 图3通过结构形式考虑结构效率几乎所有传统的结构设计原理(从材料选取、剖面图，节点类型，整体微分几 何、和支撑条件)，整体微分几何学都是确定一个壳体结构是否是稳定的，安全的, 足够的支撑。

每个拥有精美结构网络的大跨度芫体结构都是由大量细小模块组 成第一个此类结构的设计在于设置精确的边界条件，在这个精确的边界内外壳 的形状可以向外拓展在实现膜强度的稳定性，曲线形状是至关重要的弯曲的 壳体需要通过寻找“正确”的几何形状来避免因自重血只有膜起作用的结果薄 膜效应使材料的性能得以充分发挥结构设计最重要的的挑战首先在于确定约束 骨架的壳体的三维(3 d)表面在二十世纪，建筑师和工程师［高迪(Huerta 2003), 奥托(Otto et al . 1995),易思乐(Billington 2008)］尝试利用物理形式寻找这 样一种方法，在对于一个给定的材料，建立一组边界条件和重力荷载，以寻找有效 的三维结构形状为钢壳结构找到一个缆索系统的重要性首先在于这样一•个事 实，自重(钢和玻璃引起的重力负载)主要贡献的负载被抵消子模块需要轴向 加载使截面轮廓最有效地受力利用数值模拟形式寻找方法［力密度法(Schek 1974)和动态松弛法(1965天))已经成功地应用于轻便系统，其模型是由内部预 应力和建筑物边界范围条件的水准设定然而，当谈到缆索系统的形状并不取决 于初始预应力而是由重力负载(如案例小的砖石、混凝土或钢壳)决定时，更少 的数值模拟方法被应用。

这主要因为很难找到最优形式对于那些依靠拉伸和压缩 膜应力相互抵消的壳体结构基利恩和奥科申朵夫(2005)为静定系统呈现了一 种基于粒子-弹簧系统的面料仿真模型的结构形状探索工具，该系统是用龙格- 库塔求解器求解布劳克和奥科申朵夫(2007)发表了应力网络分析来确定纯床力 体系对于荷兰海事博物馆屋顶的初始设计大赛项H,动态松弛法通常是用于预 应力系统，该法适应处理重力加载下，张力和压力下的三维缆索体系在NSA庭院竞争设计钢玻璃壳体结构在不久的将來，荷兰海事博物馆计划彻底的改造项十七世纪历史建筑成 为受限空间阻碍了游客的运行博物馆的院子需要集成到旅客流通空间，且要规 避天气影响，保持最小的室内温度这样，一个邀请设计大赛被举办，为这座历 史建筑增加更多附加价值一个新的玻璃屋顶产生了2005年,奈伊和其合作伙伴, 一个总部位于布鲁塞尔的工程设计咨询公司，钢和玻璃结构外壳设计赢得了这 次比赛外壳的制造和施工在2009年和2011年之间2012年，该项H被授予阿 姆斯特丹建筑奖Finding the Form of an Irregular Meshed Steel and Glass ShellBased on Construction ConstraintsSigrid Adriaenssens, M.ASCEi; Laurent Ney2； Eric Bodarwe3； and Chris Williams4Abstract： In the context of the search for an efficient stmctural shape to cover the Dutch Maritime Museum courtyard in Amsterdam, Netherlands,the authors brief I y discuss the driving design factors that influenced the earliest glass roof coverings ・ The trends that emerged during thelate 20th and early 21 st century in the design of skeletal steel glass shells are exposed• These design developments range from sculptural togeometric and structural intentions. The discussion of the competition design development of the DutchMaritime。