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经典巡礼--东京国际会议中心

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转载于 iStructure 公众号 东京国际会议中心,1996 Tokyo international Forum 建筑功能:展馆馆、会议厅、剧院、商业 建筑设计:Rafael Vinoly Architects K.K. 工程设计:结构设计集团SDG\渡边邦夫 东京国际会议中心是日本首个被国际建筑师大会(UIA)认证的综合文化设施设计。建筑包括4栋兼有会议\展览\剧院\商业功能的方形综合楼、1个平面呈梭形的玻璃大厅和会议楼、地下展览大厅和车库等,建筑的连廊、幕墙、屋面等设计也颇具特色,是日本最大胆和富有想象力的建筑结构之一。

转载于 iStructure 公众号

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东京国际会议中心,1996

Tokyo international Forum
建筑功能:展馆馆、会议厅、剧院、商业
建筑设计:Rafael Vinoly Architects K.K.
工程设计:结构设计集团SDG\渡边邦夫
东京国际会议中心是日本首个被国际建筑师大会(UIA)认证的综合文化设施设计。建筑包括4栋兼有会议\展览\剧院\商业功能的方形综合楼、1个平面呈梭形的玻璃大厅和会议楼、地下展览大厅和车库等,建筑的连廊、幕墙、屋面等设计也颇具特色,是日本最大胆和富有想象力的建筑结构之一。
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Rafael Vinoly 方案草图
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基地环境
4栋方形综合楼和1个梭形的玻璃大厅/会议楼
四条地铁线和两条最频繁使用的列车站—东京站和有乐町站,分别位于该基地的北部和南部,为该建筑带来了大量的人流,也为建筑设计带来很大难度。

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会议栋 玻璃大厅的外观


1988年12月目开始国际招标征集设计方案,吸引了几乎绝大多数的著名建筑师参加,共收到了50个国家的395个方案。最终Rafael Vinoly的方案中选。
建筑师Rafael vinoly的方案,被竞赛评委评价为“巧妙地结合了建筑用地特殊条件(弧形铁路线经过),提出了最恰当的建筑方案和明确的功能规划。” 建筑师将结构、设备、音响、照明,以及其他门类的技术成就整合于一个空间之中。
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剖面:左侧为会议栋和玻璃大厅,右侧为展览馆
为实现大空间和建筑功能,结构设计难度非常大

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建筑总体剖面
玻璃大厅,是一个体量巨大的透明建筑, 是整个建筑的灵魂所在。用建筑师Rafael Vinoly的话说“从玻璃大厅采入的自然光线,使地下展览馆显得明亮,它是使得多个展览厅群的空间成为一体的门廊”。
玻璃大厅的钢结构设计非常复杂,集合了当时最先进的结构和施工技术,是我们今天结构设计案例介绍的重点。
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东京国际会议中心的玻璃大厅
 
结构体系 6 要素
玻璃大厅的结构体系比较复杂,主要由6个结构要素组成:船形屋顶、巨柱、幕墙索桁架、幕墙水平桁架、连廊、端部立体桁架。 
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玻璃大厅的梭形平面和纵向剖面图
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玻璃大厅的横向剖面图
1.船形屋顶
屋顶结构为梭形平面,全长约207m,平面最宽处32m。底面设计成像船底的悬链形,最厚处高度12.5m。屋顶结构由横向纵向两种结构组合而成。 
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屋顶横向由屋顶横梁和船形的钢梁组成
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拱与悬索的传力机制
纵向由架在大柱子上的拱和悬链形的拉杆组成。拱和拉杆都被设计为空间双曲线形,因此在水平和竖向都能发挥刚度作用。
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屋顶悬链线形状的拉杆与船形梁相交,被分割成一段一段。每段拉杆通过球形连接件固定在钢梁腹杆上。球节点能适应每段拉杆变化的角度,并且能够自由回转。
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拉杆与钢梁连接的球形节点
 
2.巨形柱
屋顶结构竖向由两根巨形柱支承,巨柱之间跨度为124m,屋盖再从柱子向两端再各悬挑45m。

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巨形柱的截面变化
大柱子为双层钢管制作,并内灌混凝土,同时将雨水立管和电气管线也藏在其中。与其它构件连接处的作用力巨大,均采用了大型铸钢件。
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巨形柱在+27.5米标高截面最大,上下两端线性收缩。巨柱柱脚设计为铰接,只承受轴向力,柱子截面最小。在防火方面,巨形柱+32.5米标高以下都采用了FR耐火钢。
下铰接的巨柱和玻璃大厅本身的抗侧刚度很小,其水平刚度和抗扭刚度主要由紧邻的会议楼提供。会议楼地上7层为钢结构框架结构,地下3层。巨柱与会议楼(混凝土框架结构)的第4和7层通过楼面钢梁铰接连接。

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3.幕墙索桁架钢结构
玻璃大厅立面的玻璃幕墙,幕墙钢结构间距10.5米一榀,采用半刚性的索桁架结构,直撑杆间距2.5m。
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玻璃幕墙—索桁架钢结构体系
索桁架在室内一侧沿竖向设置了波浪形(抛物线)的拉索,抵抗玻璃墙面上的水平力。会议楼一侧自屋面向上幕墙高约25米,拉索为1段波浪;广场一侧幕墙高约60米,拉索分为3段波浪。
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在拉索中施加了预拉力形成张力状态,避免索桁架的拉索在风载作用受压松弛。索桁架拉索的预拉使钢立柱内产生压力,整体上呈自平衡式,减少了其支承结构的负担。

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幕墙钢结构顶部和底部详图
上图为幕墙钢结构顶部和底部详图,节点刚度很大,作为钢索的锚固点。钢索端部是压接式接头,端部有螺纹和套筒,索长度可调节。
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钢索与幕墙索桁架的直腹杆采用了一种特殊的铸钢件,U形铸钢件把钢索卡在桁架的平面内。在风和地震作用下,外力引起钢索内力和形状变化时,铸钢件绕着铰节点转动,避免钢索内产生复杂应力。
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撑杆与索连接的铸钢件铰节点
为了防止索桁架直撑杆的向平面外变形和振动,在水平方向上用极细的钢丝将撑杆相互连接。
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水平梁位置处的钢索固定
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4.幕墙面的水平桁架
在广场一侧的幕墙立面上,有2道水平放置的钢结构桁架。上部的1道桁架与会议楼屋顶同高。下部1道采用立体桁架形式,同时作为贴近幕墙的斜向走道。这两道桁架作为幕墙的面外水平支承。
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第2道水平桁架:兼做斜向通道
水平桁架的自重没有用立柱支承的方式,而是利用幕墙索桁架的吊索吊挂在大厅顶部。
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此外,在第1道水平桁架的标高,还设置有2根水平束杆连接会议楼,作为水平桁架的支承点。
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水平束杆支撑
束杆的跨度比较大,为防止其失稳和在重力作用下挠曲,配置了预应力拉杆加强。
 
5.连廊
在玻璃大厅与会议楼之间有4座连廊相通。连廊采用钢结构桁架形式,两两与会议楼构成三角形的稳定形状。连廊钢结构将玻璃大厅的斜向通道与会议楼(混凝土框架)连成整体,在地震和风荷载作用时提供侧向刚度。

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仰视连廊与幕墙水平桁架的连接
6.幕墙面端部的桁架结构
所前面所述,幕墙面外荷载由索桁架承受,并由2道水平桁架提供水平支承。但是,在+32.5米标高以上,即会议楼屋面以上突出部分的幕墙,缺少反力机制。所以在幕墙面的端部,设置了立体桁架和空腹梁的组合结构来抵抗水平力。
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端部的立体桁架
以上6个结构要素经过结合,构成了玻璃大厅复杂的结构体系。而且,对于柔性结构和半刚性结构的预拉力控制、变形控制,给设计和施工增加了很大难度。
读到这里,你可能会问:为什么采用只有两根柱子的方案?对于狭长形的平面,沿幕墙面布置12对立柱,沿短边传力的方式难道不是效率更高吗?但是,那样立柱既要抗压又要抗侧,对于高烈度区57米高的钢柱来说,设计也是相当困难的。按压弯柱设计的立柱截面较大,对玻璃幕墙势必造成遮挡。
渡边邦夫在他的著作[3]中说,他不断尝试减少柱子的数量,5根、4根、3根、2根、1根,发现2根巨柱的方案与叶形平面最为协调,结构师对这种方案抱着坚定的态度。
最后,再分享建筑中的几处结构作法:
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东京有乐町地铁站悬臂雨篷
为了不遮挡玻璃大厅,有乐町地铁站口的挑篷设计成全玻璃结构。10米长悬挑的玻璃结构,由四列平行相扣的胶合强化玻璃片组成。设计风载重为每平方米5kN与最高标准的地震作用。厚度19mm的玻璃平板开72mm直径之孔洞,玻璃板之间搭接、粘合。
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会议楼7层的长廊(局部节点)
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位于地下一层的展览大厅
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展览大厅栋的一块曲面幕墙:18x18m

尽管建筑体型巨大,但是每个构件和节点都设计得很精巧,形成了完整可靠的结构体系,从而造就了这栋建筑独树一帜的的风格。难以想象,将近30年前的设计,不追潮流却似乎永远不会过时。
玻璃大厅的结构体系复杂,谈不上简洁直接、经济合理。但站在它面前,人们感受到的惊喜和震撼是非同寻常的。我想这是结构合理性之外的,另一种存在的意义。
参考资料:
1.日本结构技术典型实例100例,日本建筑构造技术者协会.
2.钢结构技术总览,日本钢结构协会著,陈以一,傅功义译.
3.结构设计的新理念.新方法,渡边邦夫著,小山广等译.
4.www.t-i-forum.co.jp/en/
5.en.wikipedia.org/wiki/Tokyo_International_Forum
6.www.gooood.hk/tokyo-international-forum.htm
7.blog.sina.com.cn/s/blog_5399974e010005ys.html
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