【解构】从项目出发,谈谈带天窗的大跨屋盖结构设计

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转载于  iStructure微信公众号 最近有读者在后台留言,说“小i们每周都要写一篇文章,平时做不做设计呀?”正好,最近小i参与设计了一年多的“乌鲁木齐国际机场北航站区航站楼(即T4航站楼)”终于完成施工图,这一期就介绍一下自己参与的项目。再从项目出发,谈谈带天窗的大跨屋盖结构设计。 乌鲁木齐国际机场北航站区航站楼 ▲乌机效果图

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最近有读者在后台留言,说“小i们每周都要写一篇文章,平时做不做设计呀?”正好,最近小i参与设计了一年多的“乌鲁木齐国际机场北航站区航站楼(即T4航站楼)”终于完成施工图,这一期就介绍一下自己参与的项目。再从项目出发,谈谈带天窗的大跨屋盖结构设计。


乌鲁木齐国际机场北航站区航站楼

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▲乌机效果图


乌鲁木齐国际机场北航站区航站楼,是华东建筑设计研究总院原创中标的项目,一般同事们都亲切地称为“乌机”。乌机是一带一路重要节点机场,所以这次新建的北航站区规模非常大。一些总体的建筑参数小i就不在此罗列了,大家可以参阅这篇文章


乌鲁木齐国际机场北航站区“丝路天山”创作巡礼。

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▲乌机室内效果图


乌机的重要特点在于它的造型和天窗,一条条此起彼伏的光带,就仿若天山上飘下的丝带,给室内空间带来了柔美的体验感。同时,一条条天窗也给结构设计带来了很大的难度。


天窗给结构设计带来的难度

乌机屋盖南北向为连续光滑的自由曲面,东西向呈高低错落的台阶状用以布置天窗,天窗两侧结构最大高差约6m。

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钢屋盖被天窗分成五片,其中第二、第四片屋盖下部无结构柱支撑。从直觉上可以感受到,天窗的设置使屋盖结构沿短跨方向的刚度有较大削弱。

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▲中部对称轴处屋盖剖面

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▲有结构柱处屋盖剖面


因此,乌机的屋盖有两个结构难点:1)竖向力的传递;2)水平力的传递。


竖向力的传递

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▲竖向荷载作用下屋盖力流示意图


假设在第二片屋面的中部作用有一个竖向力。首先,它需要沿长方向往两边传递(白色箭头)。而由于第二片屋面下部没有柱子,所以,到了两边力流还需要沿着短跨方向(黄色箭头),传递到相邻屋盖下部的柱顶。


在考虑短跨方向荷载传递时,柱顶区域的屋盖可以简化为一根“连续梁”,弯矩如下图所示。可见天窗正好是设在大致反弯点的位置,理论上这些地方是可以铰接的。所以,我们发现实际上竖向力的传递并没有问题。


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▲柱顶区域短跨方向的受力示意图(不设置天窗)

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▲柱顶区域短跨方向的受力示意图(设置天窗)


水平力的传递

水平力沿长跨方向传递是没有问题的。而当水平力沿短跨方向作用时,屋盖传力路径如下图所示。


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▲水平荷载沿短跨方向作用时屋盖力流示意图


水平力的传递与竖向力类似,都是先沿长方向往两边传递(白色箭头),随后沿着短跨传递到相邻屋盖下部的结构柱顶(黄色箭头)。

结构柱所在位置,天窗高度已经很小,但还未完全闭合,水平力传递不够直接。在抗震评审专家的建议下,我们优化加强了该处的构造节点,使相邻屋盖之间的水平力可以由杆件轴力直接传递,如下图所示。


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▲结构柱位置处屋盖剖面


在非柱顶区域的天窗位置,水平力则由天窗竖杆的剪力传递。因此,在非柱顶区域水平刚度比较小,水平力大多不从该处传递。


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▲中部对称轴处屋盖剖面


如此,虽然天窗起伏比较大,但是闭合区域还是比较大的,通过加强闭合区域的构造措施,仍可以保证屋面的水平力和竖向力传递,结构体系也就能够成立。


从天窗说开去

说完乌机,小i还想说说其他带天窗的大跨屋面结构的设计。

一般民用住宅大多是多层建筑,层高比较低,进深也不大,所以主要开侧窗。工业厂房由于单层空间很大,为了满足天然采光和自然通风的要求,工业厂房在屋顶经常设置天窗。


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▲水平长窗


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▲西安大华纱厂改造项目

(保留了天窗,自然采光充足,工业特征明显。)


现代机场、运动场等大跨度建筑,出于采光的要求,经常在屋面上开设天窗。同时出于消防要求,天窗往往兼做排烟窗。一条条光带使建筑空间更有活力,同时也给结构设计带来了挑战。


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▲都灵展厅(Pier Luigi Nervi)


小i总结了一下,天窗的设置主要分为两种:一种是水平天窗、一种是侧面天窗。


这两种设置对结构的影响是不一样的,为了保证天窗的透光性,天窗区域需要尽可能通透,也就是结构构件做到最少。


对于水平天窗,虽然天窗区域比较薄弱,但是天窗与整个结构仍处于同一平面内,水平力的传递可以得到保证;而侧面天窗则不同,天窗两边的屋面标高存在突变,屋面的结构构件不再处于同一平面内,水平力在天窗处会被阻断。因此,结构如何与天窗和谐共处,就成了屋面结构设计的关键因素。


水平天窗


上海浦东国际机场T2航站楼

上海浦东国际机场T2航站楼采用Y形斜柱支承的张弦梁屋盖结构,创造出轻盈、活泼的超大空间,令人印象深刻。


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位于Y形柱之间的梭形天窗,像天空的眼睛,照亮着航站楼内的超大空间。勾勒出天窗形状的周边杆件为张弦结构的上弦,是传递竖向荷载的主要结构构件。

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由于平时有遮阳板,天窗内部的结构无法看清。实际上,天窗窗内部的杆件是连续的,传递着水平作用。


南京禄口机场T2航站楼

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禄口机场T2航站楼主楼屋面被细分为9个单元,每个单元都在平缓的屋顶曲面上形成高度逐渐变化的波峰。渐变的波峰之间设置了8个修长的水滴形天窗,天窗隐蔽在波峰之间,避免了对屋顶整体形态的割裂。


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屋盖上表面起伏较大,下表面相对缓和,这种上下表面的曲率差异形成了可用作结构厚度的空间,因此非天窗区域采用双层桁架结构。

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而在天窗区域,为了使天窗透光性尽可能好,同时提高室内净高,该区域设计成单层结构。


又考虑到天窗基本上将柱间的屋面割裂。所以,为确保屋盖的平面内刚度,天窗区域选择了三角形网格。

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天窗将自然光引入室内,给人以放松舒适的感觉。


温州永强机场T2航站楼

航站楼屋盖整体没有太大起伏,其最大的特色是中轴线的天窗。天窗与主楼空侧立面幕墙连成一体、一直至延伸到两翼候机廊的空侧立面,建筑造型上要求尽量减小结构构件厚度、以得到较好的通透效果。


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结构设计采用多个“十字形张弦梁”沿进深方向连续复合而成,顺着天窗进深方向的布置延伸到空侧,沿开间方向则与两侧网架的悬挑端相连接。

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中轴线天窗的平面呈交叉网格形态,具有很好的平面内刚度,可有效地将其两侧的网架连成一体,提高屋盖整体性。


萧山机场T4航站楼

萧山机场的T4航站楼目前还在设计阶段,在起伏的屋面上规律地布置了阵列的菱形天窗。


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小i一开始以为,柱子是布置在天窗范围以外的区域。后来同事跟我说,天窗正好开在柱顶区域。异形的结构柱就像一片片荷叶一样,轻盈地托起了整个屋盖。


阳光从荷叶的天窗镂空处洒进航站楼,相信建成后会是一个惊艳的作品。


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结构柱采用下小上大的变截面直柱与分叉柱结合的形式。直柱部分柱底截面最小,与混凝土结构采用铰接连接,随着高度的增大截面逐渐变大,分叉点处截面最大;直柱在分叉点以上分为10根分叉柱,分叉柱通过封边桁架与屋盖的主体网架下弦连接。


侧面天窗

港口仓库“Port Warehouse”

结构大师迪埃斯特(Eladio Dieste)在上世纪七八十年代,利用高斯拱设计了体育馆、仓库等大跨结构。


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高斯拱“Gaussian vault”


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唐.博斯克学校体育馆

“Don Bosco SchoolGymnasium”1983年


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每组壳体单元首尾相连,相邻“S”形的高低端之间,形成建筑横向狭长的月牙状空隙,也是理想的自然采光面,所以迪埃斯特利用这个狭长的月牙形布置通长的玻璃天窗。使整个屋面显得通透、轻薄,自然光洒在砌体上漫反射形成自然而原始的光晕,对屋面起到了画龙点睛的效果。

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港口仓库“Port Warehouse”1979年


因为侧向天窗的存在,屋面结构不再连续。每一个壳体都各自为政,水平力的传递需在单个壳体内部传递至两边的柱顶。


希斯罗机场T2航站楼

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希斯罗机场T2航站楼由一组组波浪形的屋面排列而成。在波峰处,天窗比较高;在波谷处,天窗比较低。

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柱子排列在天窗下部,这样每一片屋面两端均有柱子支撑。抗侧力构件是布置在波谷,从图中可以看出,在天窗较大的区域,柱顶是铰接的;在天窗比较小的区域,布置了若干对比较靠近的结构柱,且柱间打了斜撑。


类似的设计还有SAKTHI SP21 SA厂房


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SP21是位于葡萄牙阿格达的现代工业厂房,整个结构由多片拱架一字排开。每个天窗的中部都有一个Y形柱支撑,在相邻拱架相交的位置,则设置了用于抗侧的结构柱。

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侧向天窗对于结构来说,往往是破坏屋面整体性的设计。但也无需过于紧张,天窗总有闭合的区域,结构工程师要做的就是在闭合的区域把屋面整性做强,在这些区域设置结构柱,传递水平和竖向力。


小结

路易斯康说“设计空间即为设计光亮”,光线的设计在建筑设计中是一个永恒的主题。无论是出于功能性的考虑,还是出于场所感仪式感的塑造,天窗的设置对于建筑来说往往起着画龙点睛的作用。对于结构工程师来说,如果能够将自己的结构与天窗完美地结合在一起,设计出与光带共舞的结构,那应该是非常值得自豪的作品。


本文中乌鲁木齐国际机场北区航站楼、南京禄口机场T2航站楼、浦东机场T2航站楼、温州永强机场T2航站楼、杭州萧山机场T4航站楼均为华东建筑设计研究总院设计,图片资料均已获得授权,版权属于华东建筑设计研究总院。

本文其他图片均源于网络,版权属于原作者或网站。


参考资料:

1)华东建筑设计研究总院设计资料

2) www.archdaily.com


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