当前位置：首页 > news >正文

一朵由钢片织成的云 ——超“限”的结构

news 2025/7/13 15:37:53

用钢板造了一朵云。

“云”构筑物位于南通经济技术开发区能达市民广场，建筑师希望借由景观式的建筑设计和空间功能的升级，塑造一处兼具美观、趣味及功能性的公共休闲活动中心。

▲云淡风轻

由于项目区块地处园区核心位置，为避免体量厚重的实体建筑对园区内景观视线的遮挡，建筑师定下此次项目的概念方向：在完善功能性的同时，打造一个如云般轻盈的构筑物，“云淡风轻”，成为场地观赏重点的同时，亦自成一体，游人在内部游览也有移步换景的乐趣。

▲“云”构筑物

进而结合可行性的思考，决定尝试运用“反建筑”的表达方式改变建筑垂直支撑的原理——以超薄钢片搭建一个多跨连续的水平向钢架结构，并在脚端使用钢柱体形成支撑。二维的钢板通过数控切割与结构搭建，以片状化的主体构成一个流畅的三维建筑空间，以结构回应形体。

因此，建筑师对“云”的效果诉求很清晰：

结构上要体现“云”的主题和意境；
具有良好的通透感，水平向构件视觉遮挡最小，只用一片板做钢梁，同时厚度做到极致的薄，营造云雾缥缈、云淡风轻的氛围。
不同视角下的结构形态都能有所变化，灵动自然。连接云片的竖向构件也希望采用钢板制作，保持整体材质的统一性。

Doubts and Challenges

“疑云”与挑战

首先看建筑师的想法，每根钢梁由一片超薄钢板组成，最大柱间距达到了6.7m，如钢板厚度10mm，横梁钢梁跨高比（结构跨度与结构厚度的比值）达到了惊人的670！而常规钢梁的合理跨高比为8~30。

这使得兼顾极致轻薄的造型与较小的变形充满挑战。

▲刀片相对云片的偏心分析

与其说是一朵由“云片”（水平向构件）和“刀片”（连接云片的竖向构件）组成的云，不如说是一朵摆在结构工程师面前的“疑云”，而且乌云密布：

云片采用钢板制作，柱支点之间的梁跨高比远超常规钢梁，能否通过巧思来保证结构所需的云片竖向刚度？
为了避免呆板的建筑效果，钢板立柱在云片上下层之间不连续交错布置（竖向构件不连续）。竖向力是否可以在不断转换中传递到基础？
“云”结构的抗侧刚度从何而来？
“云”由立柱支撑，如何处理立柱与云片交界处的集中弯矩？
“云”断面呈圆弧状布置，如何保证结构不外鼓、不向外倾倒？
为了取得较好的建筑效果，刀片的宽度相对云片宽度有较大的退进，造成了竖片与云片之间的连接存在较大的偏心。此偏心是否能实现？如何通过计算模拟此偏心的影响？

Feasibility Analysis

可行性分析

如此云云，疑云重重。

结构工程师对结构进行了概念性的分析，认为通过适当调整布置和优化，此结构存在可行性：

单块云片的竖向抗弯刚度非常小，6m长的薄钢板就如面条一般柔软。但云片间的刀片将云片连接成了一个整体。是否能通过这些连接点形成空间效应？连接所采用的刀片自身抗弯刚度也很小，显然空间上无法形成有效的整体性。然而，当我们在比较近的范围内设置双排刀片，则可以在竖向刀片处形成一个小的刚域，从而大幅度提高云片的整体刚度（结构刚度相比之前如云泥之别），从而形成“空腹桁架”的效应。
云片虽然是钢板梁，但由于其呈环向，外倾的趋势会使板内产生张力，云片将可以提供一部分应力刚度，以解决梁跨高比过大抗弯刚度不足的问题。
结构上可以将顶部云片连接成封闭的环状，使结构形成完整的壳体，结构整体刚度得到了很大的加强，结构外鼓和倾倒的问题被结构的环梁张力和刀片张力所解决。
将立柱顶部设置成三个分支的树杈柱，将柱顶的集中弯矩转化为三个树杈的轴力，避免局部应力过大。
关于偏心的问题，通过通用有限元软件可以进行准确模拟，反映偏心的真实状态。

▲经过结构优化后的模型

▲“云”轻盈通透，在晴空下宛如“流动的雕塑”，兼具建筑美与结构美。

竖向刚度可以解决，那云的侧向刚度如何？仔细分析结构体系的抗侧力特征可知：

以竖板作为立柱，水平板作为横梁，形成了多跨连续钢框架（立柱上下不对齐竖向力层层转换，但水平力可以通过云片可靠传递。）
由于结构呈球状，一个方向的侧向力通过水平板传递至与侧向力方向一致的竖向板上，从而通过竖向板面内足够大的抗剪能力传递水平荷载。水平力在同一层“云游四方”，拾级而下。
最后传递至分叉柱顶，并由立柱传递至基础。

▲建设中的照片

综上所述，通过对结构的完善和优化布置，结构将具有一定的竖向刚度、整体稳定性和侧向刚度。

结构概念上的疑云虽已云消雾散，但结构是否真正可行，仍然需要通过计算定量分析结构的承载能力和抗变形能力。

Selection Dilemma for Modeling Calculations

建模计算的选择困境

然而决定对结构进行三维建模计算时，遇到了计算软件选择的现实问题：采用杆系有限元计算虽然计算速度上行云流水，但软件无法反映板件尤其是刀片的偏心和刀片与云片连接处的应力集中，采用通用有限元计算软件板壳单元分析才能获得准确的结果。

但如果对整体结构进行通用有限元软件模拟（采用板单元），由于单元尺度上的限制，单元数量将非常大，不通过云计算无法完成。如果有云端资源，云端板壳有限元，本地端杆系有限元的端云协同无疑是最佳方式。然而我们还没有通用有限元的云计算资源。尤其是整个结构布置、调整的过程，是通过计算结果不断优化的过程，需要不断地重复迭代计算。因此采用通用有限元软件对结构进行计算，没有算力，也是浮云。

▲项目模型图

看来只能曲线救国，通过 “验证+简化”的思路来进行分析：

1. 采用通用有限元分析软件ABAQUS进行局部模型的分析

2. 将计算结果与杆系有限元分析软件3D3S进行对比，得出计算差别

3. 然后采用3D3S对整个结构进行分析，并综合考虑前述差别，完成结构的不断优化和设计。

4. 最终对于局部应力的考察，仍然采用ABAQUS对3D3S的局部模型进行计算。

▲项目模型图

此方法解决了通用有限元软件的效率问题和杆系有限元软件的准确性问题，使得计算优化和调整可以实现，结构的优化和调整主要体现在以下方面：

1. 树杈柱的位置和数量：均匀分布的树杈柱，有利于使“云”结构竖向刚度均匀；

2. 云片的连续性、环通性：越环通整体刚度越大；

3. 云片厚度：提高云片厚度可以提高此云片的抗弯刚度，但也造成了结构自重和建造成本的增加；

4. 刀片厚度：刀片厚度在合理范围时，“云”结构可以获得较好的整体刚度；

5. 刀片位置：刀片位置实际上非常关键，合理的刀片位置将使得结构竖向刚度合理，但过多的刀片将影响视觉效果。

6. 局部位置的结构优化：尤其是云片在内凹位置，由于“球壳”效应的减弱，结构局部刚度和云片刚度将可能非常不利。

通过多次的试算和调整，结构的优化布置逐渐拨云见日。

结构自重是结构的主要竖向荷载（包括裹冰荷载），云片越厚，自重越大。风荷载则是结构的主要水平荷载，尤其是竖向刀片众多，形成了较大的挡风面，需要避免大风起兮“云”飞扬的状况。

▲最大竖向位移

由图可见，结构在自重作用下的竖向位移，虽然“梁”的最大跨高比达到了670，但由于空间整体效应的存在，结构的最大竖向位移为55mm。而竖向位移主要由恒载产生，故可以通过施工时起拱部分消除。

▲风荷载作用下的侧移，风荷载作用下的结构侧移，最大侧移为47mm

另外，由于结构有一定的壳体特征，稳定承载力分析必不可少。采用几何非线性分析方法对结构进行了极限承载力分析，计算结果表明，结构荷载系数达到4.4时，结构失去稳定承载力，大于规范所述4.2的限值。

通过前述分析可知，杆系有限元显然无法真实地获得结构的局部应力。模型的位移指标基本合理后，我们反过来选取3D3S计算中应力较大或者应力集中较为明显的部分构件，在通用有限元计算软件ABAQUS中，进行了较为细致的应力分布。在调整结构应力比的过程中，刀片的布置就显得非常关键，合理的刀片布置可以大幅降低峰值应力。经过最终调整，最后将所有构件的峰值应力都控制在合理的范围内。

至此，结构的刚度、稳定性和强度均可以满足规范要求，所有力学方面的疑云均烟消云散。

构筑物外形虽然极不规则，但由于所有构件均为二维构件，通过自动切割设备即可行云流水地完成生产，因此建筑物的工厂制造过程实际上极其简单。

现场施工的主要工作量则是大量的焊接组装工作。

最终项目顺利实施。建筑师在“云朵”中设置了人行步道。人们从地面通过步道进入云内，““平步青云”，“穿梭云端”。