“能達(dá)云+星湖月城市展廳項(xiàng)目”位于南通經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)能達(dá)市民廣場(chǎng)，建筑團(tuán)隊(duì)希望借由景觀式的建筑設(shè)計(jì)和空間功能的升級(jí)，塑造一處兼具美觀、趣味及功能性的公共休閑活動(dòng)中心。項(xiàng)目由兩處彼此呼應(yīng)的空間，開(kāi)放式的“云”和閉合式的“月”組成。

由于項(xiàng)目區(qū)塊地處能達(dá)園區(qū)的核心位置，布置實(shí)體建筑勢(shì)必會(huì)遮擋園區(qū)的景觀視線。建筑團(tuán)隊(duì)在進(jìn)入項(xiàng)目之初就已確定下來(lái)此次項(xiàng)目的概念方向：在完善功能性的同時(shí)，讓場(chǎng)地中的建筑景觀和綠化景觀能夠相互“借景”，設(shè)計(jì)一個(gè)近乎透明的構(gòu)筑物。

因此，建筑師對(duì)“云”的效果訴求很清晰：

1)結(jié)構(gòu)上要體現(xiàn)“云”的主題和意境；

2)具有極致通透感，水平向構(gòu)件視覺(jué)遮擋最小，務(wù)必使鋼梁厚度最小，最好就是一片板，要的是“云淡風(fēng)輕”，而不是很大的鋼梁，“烏云密布”。

3)各個(gè)視角結(jié)構(gòu)有一定的變化，不至于太呆板。連接云片的豎向構(gòu)件也希望采用鋼板制作。當(dāng)夕陽(yáng)西下，透過(guò)云時(shí)，有一種云蒸霞蔚的感覺(jué)。

一片板做鋼梁！看看建筑師的模型，最大柱間距達(dá)到了6.7m，如鋼板厚度10mm，橫梁鋼梁高度合理性的跨高比是多少？ 670！而人云梁的合理跨高比為10~30！人云亦云間，結(jié)構(gòu)難實(shí)現(xiàn)。

看完建筑師的初步模型（圖 1、圖 2表示經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型），與其說(shuō)是一朵由“云片”（水平向構(gòu)件）和“刀片”（連接云片的豎向構(gòu)件）組成的云，不如說(shuō)是一朵擺在結(jié)構(gòu)工程師面前的“疑云”：

1)云片（水平向構(gòu)件）采用鋼板制作，柱支點(diǎn)之間的梁跨高比遠(yuǎn)超常規(guī)鋼梁尺度，云片豎向剛度是否能夠保證？

2)為了避免呆板的建筑效果，鋼板立柱在云片上下層之間不連續(xù)交錯(cuò)布置。豎向力是否可以在不斷轉(zhuǎn)換中傳遞到基礎(chǔ)？

3)“云”由立柱支撐，如何避免立柱與云片交界處的集中彎矩過(guò)大？

4)“云”結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度從何而來(lái)？

5)“云”斷面呈圓弧狀布置，如果保證結(jié)構(gòu)不外鼓、不向外傾倒？ 

6)為了取得較好的建筑效果，豎片的寬度相對(duì)云片寬度有較大的退進(jìn)，造成了豎片與云片之間的連接存在較大的偏心（如圖 5所示）。此偏心是否能實(shí)現(xiàn)？如何通過(guò)計(jì)算反應(yīng)此偏心的影響？

如此云云，“疑云”不少。我們對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概念性的分析，認(rèn)為通過(guò)適當(dāng)調(diào)整布置和優(yōu)化，此結(jié)構(gòu)存在可行性：

1)云片通過(guò)刀片連接成整體，雖然刀片厚度較小，但只要適當(dāng)加大刀片的厚度，就可以使得“刀片”的抗彎剛度遠(yuǎn)大于“云片”的抗彎剛度，從而形成“空腹桁架”的效應(yīng)，將大大加強(qiáng)云片的豎向抗彎剛度。

2)云片雖然是鋼板梁，但由于其呈環(huán)向，板內(nèi)存在較大的張力，云片將可以提供一部分應(yīng)力剛度，以解決梁跨高比過(guò)大抗彎剛度不足的問(wèn)題。

3)結(jié)構(gòu)上可以將頂部云片連接成封閉的環(huán)狀（圖 3），通過(guò)封閉頂部云片，使結(jié)構(gòu)形成完整的殼體，結(jié)構(gòu)整體剛度得到了很大的加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)外鼓和傾倒的問(wèn)題被結(jié)構(gòu)的環(huán)梁張力所解決。

4)將立柱頂部設(shè)置成三個(gè)分支的樹(shù)杈柱，將柱頂?shù)募袕澗仉x散成三個(gè)樹(shù)杈的軸力，避免局部應(yīng)力過(guò)大。

5)關(guān)于偏心的問(wèn)題，通過(guò)通用有限元軟件可以進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，反映偏心的真實(shí)狀態(tài)。

另外，云的側(cè)向剛度如何？仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力特征可知：

1)以豎板作為立柱，水平板作為橫梁，形成了多跨連續(xù)鋼框架（立柱上下不對(duì)齊，但可通過(guò)水平板在每層傳遞水平力。）

2)由于結(jié)構(gòu)呈球狀，一個(gè)方向的側(cè)向力通過(guò)水平板傳遞至與側(cè)向力方向一致的豎向板上，從而通過(guò)豎向板面內(nèi)足夠大的抗剪能力傳遞水平荷載。

3)最后傳遞至分叉柱頂，并由立柱傳遞至基礎(chǔ)。

圖 1

圖 2俯視圖

圖 3早期方案頂部多處未形成封閉圓環(huán)

圖 4建設(shè)中的照片

綜上所述，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的完善和優(yōu)化布置，結(jié)構(gòu)將具有一定的豎向剛度、整體穩(wěn)定性和側(cè)向剛度。結(jié)構(gòu)概念沒(méi)有問(wèn)題，但結(jié)構(gòu)是否真正可行，仍然是云霧繚繞，需要通過(guò)計(jì)算定量分析結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形能力。然而決定對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模計(jì)算時(shí)，遇到了一個(gè)計(jì)算軟件選擇的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：采用桿系有限元計(jì)算雖然計(jì)算速度上行云流水，但軟件無(wú)法反應(yīng)板件尤其是刀片的偏心和刀片與云片連接處的應(yīng)力集中，采用通用有限元計(jì)算軟件板殼單元分析才能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

但如果對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行通用有限元軟件模擬（采用板單元），由于單元尺度上不能太大，單元數(shù)量將非常的大，一般計(jì)算機(jī)是無(wú)法在可接受的時(shí)間內(nèi)完成分析的。尤其是整個(gè)結(jié)構(gòu)布置、調(diào)整的過(guò)程，將是通過(guò)計(jì)算結(jié)果不斷優(yōu)化的過(guò)程，計(jì)算并不是計(jì)算一次就一蹴而就的。因此采用通用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，沒(méi)有算力，也是浮云。難道計(jì)算云需要上云計(jì)算？但目前還沒(méi)有方便應(yīng)用的結(jié)構(gòu)云計(jì)算平臺(tái)。

看來(lái)只能采用曲線救國(guó)，采用 “驗(yàn)證+簡(jiǎn)化”的思路來(lái)進(jìn)行分析：

1)采用通用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行局部模型的分析

2)將計(jì)算結(jié)果與桿系有限元分析軟件3D3S進(jìn)行對(duì)比，得出計(jì)算的差別

3)然后采用3D3S對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并綜合考慮前述差別，完成結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和設(shè)計(jì)。

4)最終對(duì)于局部應(yīng)力的考察，仍然采用ABAQUS對(duì)3D3S的局部模型進(jìn)行計(jì)算。

此方法解決了通用有限元軟件的效率問(wèn)題和桿系有限元軟件的準(zhǔn)確性問(wèn)題，使得計(jì)算優(yōu)化和調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整主要體現(xiàn)在以下方面：

1)樹(shù)杈柱的位置和數(shù)量：均勻分布的樹(shù)杈柱，有利于使“云”結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻；

2)云片的連續(xù)性、環(huán)通性：越環(huán)通整體剛度越大；

3)云片厚度：提高云片厚度可以提高此云片的抗彎剛度，但也造成了結(jié)構(gòu)自重的增加；

4)刀片厚度：刀片厚度在合理范圍時(shí)，“云”結(jié)構(gòu)可以獲得較好的整體剛度；

5)刀片位置：刀片位置實(shí)際上非常關(guān)鍵，合理的刀片位置將使得結(jié)構(gòu)豎向剛度合理，但過(guò)多的刀片將影響視覺(jué)效果。

6)局部位置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：尤其是云片在內(nèi)凹位置，由于“球殼”效應(yīng)的減弱，結(jié)構(gòu)局部剛度和云片剛度將可能非常不利。

通過(guò)多次的試算和調(diào)整，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置逐漸撥云見(jiàn)日。

結(jié)構(gòu)自重是結(jié)構(gòu)的主要豎向荷載（包括裹冰荷載），云片越厚，自重越大。風(fēng)荷載則是結(jié)構(gòu)的主要水平荷載，尤其是豎向刀片眾多，形成了較大的擋風(fēng)面，風(fēng)起云涌時(shí)，需要避免大風(fēng)起兮“云”飛揚(yáng)的狀況。

圖 6表示了結(jié)構(gòu)在自重作用下的豎向位移。由圖可見(jiàn)，雖然“梁”的最大跨高比達(dá)到了670，但由于整體效應(yīng)的存在，結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為55mm。由于豎向位移主要由恒載產(chǎn)生，可以通過(guò)施工時(shí)起拱部分消除。

圖 7表示了風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)移，最大側(cè)移為47mm。

另外，由于結(jié)構(gòu)有一定的殼體特征，穩(wěn)定承載力分析必不可少。采用幾何非線性分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了極限承載力分析，計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)達(dá)到4.4時(shí)，結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定承載力，大于規(guī)范所述4.2的限值。

通過(guò)前述分析可知，桿系有限元顯然無(wú)法真實(shí)地獲得結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力。模型的位移指標(biāo)基本合理后，我們反過(guò)來(lái)選取了3D3S計(jì)算中應(yīng)力較大或者應(yīng)力集中較為明顯的部分構(gòu)件，在通用有限元計(jì)算軟件ABAQUS中，進(jìn)行了較為細(xì)致的應(yīng)力分布。在調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)力比的過(guò)程中，刀片的布置就顯得非常關(guān)鍵，合理的刀片布置可以大幅降低峰值應(yīng)力。最后將所有構(gòu)件的峰值應(yīng)力都控制在合理的范圍內(nèi)。

至此，結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性和強(qiáng)度均可以滿(mǎn)足規(guī)范要求，所有力學(xué)方面的疑云均煙消云散。

圖 5刀片相對(duì)云片的偏心分析

圖 6最大豎向位移

圖 7風(fēng)荷載作用下的側(cè)移

圖 8建成后效果

（編輯：奚雅青）

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