【正文】 基于結(jié)構(gòu)約束 探索 不規(guī)則網(wǎng)狀鋼和玻璃外殼形式 Sigrid Adriaenssens, 。 Laurent Ney2。 Eric Bodarwe3。 and Chris Williams4 摘要 :在對 荷蘭阿姆斯特丹荷蘭海事博物館 頂部覆蓋的 一種高效的結(jié)構(gòu) 形式進行探究的文章中，作者 簡要討論 了作用力對 最早的玻璃屋頂覆蓋物 的 影響。在 20世紀(jì)末到 21 世紀(jì)初 ，外露的 鋼骨架玻璃殼設(shè)計 慢慢出現(xiàn)。 這些設(shè)計 形式在 從雕塑到幾何 再向 結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)變 。 通過 荷蘭海事博物館鋼玻璃殼屋頂 的發(fā)展，對它的挑戰(zhàn)性 設(shè)計的 討論得出了設(shè)計者在 基 于一個詩意的幾何 思想的基礎(chǔ)上，對 尋求有效 的結(jié)構(gòu)鏈形式 的探索 。 本文提出了一種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。這種方法稍微適和用數(shù)值模擬方法探索目的是在所有的的三角化、四面性和五面性的網(wǎng)面中實現(xiàn)平面化的結(jié)構(gòu)鏈模形。 然而， 如何通過分析玻璃面的途徑將其很好的解決并呈現(xiàn)給人們?yōu)閷崿F(xiàn)平面化向人們提出了挑戰(zhàn) 。 對照此 種方法 得到 麥克斯韋 互惠 網(wǎng)絡(luò)圖 。最后，雕琢出的平面 向人們展示了典雅、 耐用。 DOI: /(土木 ) 。 169。2021 美國土木工程師學(xué)會。 CE 數(shù)據(jù)庫主題詞 :設(shè)計 。鋼材 。玻璃 。古 跡 。屋頂 。荷蘭。 關(guān)鍵詞 :形狀 。概念設(shè)計 。模型探究 。鋼玻璃 殼體結(jié)構(gòu) 。歷史 意義的庭院 。平面化 感官 。結(jié)構(gòu) 約束 。麥克斯韋互惠網(wǎng)絡(luò)。 正文 ： 隨著工業(yè)革命的興起 ,玻璃金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn) 受 兩個因素 支配 : 其一、 在人口過多的城市 , 社會 對 綠色 和 安靜的空間的渴望 ；其二、 新的建筑材料 (玻璃和鐵 ) 的 出現(xiàn)。 在十 八 世紀(jì)初 ,第一溫室 裝以 玻璃的 屋頂出現(xiàn) 在人們 生活 的 中 。 它 們的 高昂的建設(shè)和維護成本 (由于 玻璃和 必 需的 供暖 系統(tǒng) )讓 它 們 成為 精英 階層的標(biāo)志 。他們的彎曲形狀 [(1) 嵴溝連跨 型 例如 , 查特斯沃思莊園 , 英國 (建于 1834 年 ), 與 (2) 拱形 , 例如 , 裘園（倫敦市郊著名植物園） , 英國 (建于 1844 年 ) (Kohlmaier and Von Sartory 1991)]允許稀疏的陽光進入 室內(nèi)并照在 柑橘和檸檬樹 上 (因此 ,名稱橘園 )。 其他品種的 溫室 植物、灌木和奇異的植物也被安置在橘園。 其中 棕櫚樹 , 扮演著大量的 宗教 色彩 ,是尤其 令人印象深刻的 和有 名的植物 ,從而也 把溫室 的形象 進一步 提 升。 十九世紀(jì)中期 ， 溫室類型學(xué)已全面發(fā)展，由此便產(chǎn)生了文化室、暖房以及冬景花園 [例如 , 皇家溫室、拉肯 ,比利時 (建于 1876 年 )現(xiàn)于 Fig. 1 (Woods and Swartz 1988)].冬季花園 是本文特別感興趣的 ,因為它 是 一個社交場合 ，與 一 棟私人豪宅或公共建筑 及其接近 。在十九世紀(jì)下半葉 ， 大規(guī)模生產(chǎn)的負(fù)擔(dān)得起的鐵進一步鼓勵 了高層 和大跨度 由鋼材 和玻璃 建成的展 廳 的 設(shè)計和施工 。大量光線 進入展 覽 區(qū) 的建筑物 ， 如水晶宮、英國 (建于 1851 年 )(如圖所示在 Fig. 1)。其 如網(wǎng)狀的鋼 結(jié)構(gòu)骨架是預(yù)制 的，后來被 拆除 ,從 海德公園 搬運至 倫敦南部 的 西登哈姆。不幸的是 ,它在 1936 年毀于火災(zāi)。 19 世紀(jì)后半期和 20 世紀(jì)早期， 公共建筑物屋頂?shù)脑O(shè)計和施工又經(jīng)歷了一個很大的提升，冬景 花園不再種植植物，而是覆蓋在重要的歷史公共建筑的庭院上方 [例如 , 大英博物館的大院子 , United Kingdom, 英國 。 見 Fig. 1。 the Deutschen Historischen Museum, and Museum fur Hamburgische Geschichte, 德國 (如期分別在 2021 和 2021 年建成的 Schlaich Bergermann and Partners)。 和 the Smithsonian Institute,Washington, DC (Foster and Partners, and Buro Happold in 2021)]。 頂部覆蓋玻璃 的單層鋼骨架的形狀由雕塑、幾何、物理以及施工條件等因素共同決定。最近這些結(jié)構(gòu)的重新崛起， 伴隨著 由 數(shù)字化設(shè)計演化 出 的工具 ， 使得設(shè)計師能夠開發(fā)和分析出更多大膽和自由的幾何設(shè)計。 單層玻璃鋼骨架結(jié)構(gòu) 今天的設(shè)計師 （有過設(shè)計和工程背景） 在設(shè)計這些非種植植物的冬季花園 時主要 遵循以下四個因素 : 實施現(xiàn)狀 ,建筑美學(xué) ,建筑 幾何形狀和 建筑物 結(jié)構(gòu)效率等 。 現(xiàn)代冬季花園 在過去的二十年里 , 存在著這樣與 歷史 有關(guān) 的公共建筑 ， 它們已 經(jīng)能夠通過擴展建筑物的中部空間適應(yīng) 室內(nèi) 或 室外氣候。 那些狹小的建筑物通常利用中部空間提供光亮。 鋼 結(jié)構(gòu) 玻璃外殼 為 設(shè)計的挑戰(zhàn)提供了 唯一 的解決方案。 歷史 的 顯示，設(shè)計師在 研發(fā)設(shè)計 殼 體結(jié)構(gòu)的過程中往往會受到 一系列約束 條件 的 限制 。 其限制條件通常包括高度的限制以及強加于現(xiàn)有建筑物 ,尤其是水平方向，最大負(fù)荷的限制。 大英博物館法院屋頂是滑動軸承支撐 ,這樣 就 沒有水平推力落在歷史博物館的砌體墻 上 (威廉姆斯 2021)。 回顧最近的設(shè)計我們就會意識到，推動鋼結(jié)構(gòu)玻璃殼結(jié)構(gòu)設(shè)計的因素主要是建筑形態(tài)美學(xué)而非結(jié)構(gòu)的性能。 建筑美學(xué) 利用 可 用幾何數(shù)字建模工具 ， 更多的建筑師 通過把他們的工作建立在審美(通常是主觀的 )條件上來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的布景效果。 它們的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 主要取決于 結(jié)構(gòu)形式 的創(chuàng) 新 ,而 非結(jié)構(gòu) 的 重力 荷 載 條件 。 因 此， 這 種 特殊的設(shè)計方法 可以解決結(jié)構(gòu) 缺乏結(jié)構(gòu)效率 的問題 。 不幸的是 , 這種 結(jié)構(gòu)解決方案 通常 必須 使用一些笨拙的、重要的材料來構(gòu)造 這 些 建筑 形 態(tài)。這些自由延伸的構(gòu)造會在建筑物產(chǎn)生不利的內(nèi)力，也會在建筑物的表面造成無法預(yù)料的其它不利力的影響。 這些形狀依靠彎曲 支撐受力 最有效的基本負(fù)荷的方法。 然而， 設(shè)計師往往忽略 這樣 一個事實 ,即 建筑物 自由 的結(jié)構(gòu) 形式由傳統(tǒng)的 建筑和結(jié)構(gòu)方式 構(gòu)造產(chǎn)生 。弗蘭克蓋里 ,普利茲克獎建筑師 , 促進 了 這 種 建筑 設(shè)計進 程 , 他傳 達 過這種建筑設(shè)計 的 想法而沒有過這種建筑設(shè)計 (Shelden2021)。一個合理 化 的設(shè)計， 在初步設(shè)計階段 ，需要超越傳統(tǒng)布局經(jīng)驗 而且要以結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計為中心 (Leach et al . 2021)。 形成一個 初 步的建筑 結(jié)構(gòu) 形態(tài) 需要一個強大的工程師和承包商團隊。 例如 , Nuovo Polo Fiera Milano, 意大利 (建于 2021 年 ) (Guillaume et al. 2021) 的屋頂殼體設(shè)計概念 是 由建筑師馬希米 亞諾 ?？怂_斯 ,然后交給 結(jié)構(gòu) 工程師和承包商 Mero TSK 集團解決 結(jié)構(gòu) 上 和 構(gòu)造上的關(guān)系后確定的 (見圖 2) (Basso et al. 2021)。 幾何造型 幾何 學(xué) 是一 種 工具 , 古代建筑模型的構(gòu)造就 已經(jīng)使用。 當(dāng)然，這也 一直 受到立體 解析幾何和設(shè)計者想象力 強加的 規(guī)則 的 限制。 幾個世紀(jì)以來 ,建筑學(xué)已經(jīng)能夠圍繞簡單的幾何圖形來判斷建筑物在結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上的質(zhì)量。 [我們可以從 花之圣母大教堂 的圓頂及其最近的混凝土外殼的設(shè)計中找到這樣的例子。 花之圣母大教堂 的圓頂， 意大利 (建于 1436 年 ),由菲利普 布魯內(nèi)萊斯基 ；其最 近的混凝土外殼， 費利克斯 坎德拉 (Moreyra Garlock and Billington 2021)] 旋轉(zhuǎn) 彎 曲型屋 面 ,移動 型屋面 ,和 大小可變型 屋 面 能讓它們更好的組合成殼體屋面結(jié)構(gòu)，并分散成一個個小小的單元。 在這種背景下 , 耶爾格 施萊希和漢斯 舍貝爾在鋼殼 結(jié)構(gòu)的工作 是 一種 創(chuàng)新。 他們設(shè)計 了 將屋面 分為平面四邊形網(wǎng)格 方法 ， 能夠 獲得 正確的 移動 型屋面 ,和 大小 可 變型 屋 面 。 柏林動物園的 HippoHouse，德國（建于 1996 年）， 由建筑師設(shè)計 Grieble 和 Schlaich Bergermann 以及 合作伙伴(Schober 2021,Glymph et al . 2021)利用這種方法 設(shè)計的 一個優(yōu) 美 的鋼殼 ,見圖 3。 通過結(jié)構(gòu)形式考慮 結(jié)構(gòu)效率 幾乎所有 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 原理 (從材料選 取 、 剖面圖 ,節(jié)點類型 , 整體微分幾何 、和支 撐 條件 ), 整體微分幾何 學(xué) 都是 確 定一個 殼體結(jié)構(gòu) 是否是穩(wěn)定的 ,安全的 ,足夠的 支撐 。 每個擁有精美結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的大跨度殼體結(jié)構(gòu)都是由大量細小模塊組成。 第一個 此類結(jié)構(gòu)的 設(shè)計在于設(shè)置精確的邊界條件 ,在 這個 精確的邊界 內(nèi) 外殼的形狀可以 向外拓展 。 在 實現(xiàn)膜 強 度 的 穩(wěn)定 性， 曲線形狀是至關(guān)重要的。 彎曲 的殼 體 需要通過尋找 “ 正確 ” 的幾何形狀 來 避免 因自重 而 只有膜 起 作用 的 結(jié)果。 薄膜效 應(yīng)使材料的性能得以充分發(fā)揮 。 結(jié)構(gòu)設(shè)計 最 重要的的挑戰(zhàn) 首先 在于確定 約束骨架 的殼 體的 三維 (3 d)表面。 在二十世紀(jì) ,建筑師和工程師 [高迪 (Huerta 2021),奧托 (Otto et al .1995), 易思樂 (Billington 2021)]嘗試 利 用物理形式 尋找這樣一種方法 ,在 對于一個給定的材料 ,建立 一組邊界條件和重力荷載 ,以尋找 有效的三維結(jié)構(gòu)形狀。 為 鋼殼 結(jié)構(gòu) 找到一個 纜索系統(tǒng) 的重要性 首先在于 這樣一個 事實 ， 自重 (鋼和玻璃引起的 重力負(fù)載 ) 主要貢獻的負(fù)載被抵 消 。 子模塊 需要軸向加載使截面輪廓最有效地 受力 。利用 數(shù)值 模擬 形式 尋找方法 [力密度 法 (Schek 1974)和動態(tài)松弛 法 (1965 天 ))已經(jīng)成功地應(yīng)用于 輕便系統(tǒng)， 其 模型 是 由 內(nèi)部 預(yù)應(yīng)力和 建筑物 邊界 范圍條件的水準(zhǔn)設(shè)定 。 然而 ,當(dāng)談到纜索系統(tǒng)的形狀并不取決于初始預(yù)應(yīng)力而是由重力負(fù)載 (如案例 中的 磚石、混凝土或鋼殼 ) 決定時 ,更少的數(shù)值 模擬 方法被 應(yīng)用 。這主要因為很難找到最優(yōu)形式對于那些依靠拉伸和壓縮膜 應(yīng) 力 相互抵消的殼體結(jié)構(gòu) 。 基利恩和奧科申朵夫 (2021) 為 靜定系統(tǒng) 呈現(xiàn) 了一種 基于粒子 彈簧系統(tǒng)的面料仿真模型 的 結(jié)構(gòu)形狀探索 工具 ，該系統(tǒng)是 用龍格 庫塔求解器求解 。布勞克 和 奧科申朵夫 (2021)發(fā)表了 應(yīng) 力網(wǎng)絡(luò)分析 來 確定 純 壓力體系 。對 于 荷蘭海事博物館屋頂 的 初始設(shè)計大賽項目 , 動態(tài)松弛法 通常 是用于預(yù)應(yīng)力系統(tǒng) ，該法 適應(yīng)處理 重力加載 下， 張力和壓 力 下的 三維纜索 體系 。 在 NSA 庭院競爭設(shè)計鋼玻璃殼 體結(jié)構(gòu) 在不久的將來 ， 荷蘭海事博物館計劃徹底 的 改造 項目 。十七世紀(jì)歷史建筑 成為 受限空間阻礙了游客的運 行 。 博物館的 院子需要集成到 旅客流通 空間 ,且要規(guī)避 天氣 影響 ,保持 最小的室內(nèi)溫度。 這樣， 一個邀請設(shè)計大賽 被 舉辦 ，為這座 歷史建筑 增加更多 附加價值 一個新的玻 璃屋頂 產(chǎn)生了 。 2021 年 ,奈伊和 其 合作伙伴 ,一個總部位于布魯塞爾的工程設(shè)計咨詢公司 , 鋼和玻璃 結(jié)構(gòu) 外殼設(shè)計 贏得 了 這次比賽。外殼 的 制造和施工在 2021 年和 2021 年之間。 2021 年 ,該項目被授予阿姆斯特丹建筑獎。 Finding the Form of an Irregular Meshed Steel and Glass Shell Based on Construction Constraints Sigrid Adriaenssens, 。 Laurent Ney2。 Eric Bodarwe3。 and Chris Williams4 Abstract: In the context of the search for an efficient structural shape to cover the Dutch Maritime Museum courtyard in Amsterdam, Netherlands, the authors briefly discuss the driving design factors that influenced the earliest glass roof coverings. The trends that emerged during the late 20th and early 21st century in the design of skeletal steel glass shells are exposed. These design developments range from sculptural to geometric and structural intentions. The discussion of the petition design development of the Dutch Maritime Museum steel glass shell roof shows the quest for a structurally efficient cat