[分享]柱,纤细之极

发表于2018-12-24     1116人浏览     1人跟帖     总热度:239  

柱,纤细之极

柯布西耶在《走向新建筑》中提出的 “新建筑五点”,对现代主义建筑具有深远影响。其中第一条便是“首层架空、以柱子支承” 。[ Support of ground-level pilotis, elevating the building from the earth and allowing the garden to be extended to the space beneath.]
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▲ 萨伏伊别墅 (1928-1931) ,柯布西耶
1928年,柯布西耶设计了萨伏伊别墅[VillaSavoye],首层架空强化了白色混凝土柱的视觉效果。柱子比古典建筑的巨柱纤细很多。
 
同为现代建筑大师的密斯,则提倡"Less is more" 的空间理念。“少”不是空白而是精简,他追求精致极简的结构。
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▲ 巴塞罗那国际博览会德国馆(1929),密斯
巴塞罗那国际博览会德国馆是密斯的代表作之一,建筑本身轻灵通透,内外空间连续流通。柱子罕见地呈十字形断面。我们知道十字形的 “回转半径” 很小,从结构受力的角度讲,它无疑是一根“细柱”了。
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▲ 十字形钢柱,巴塞罗那国际博览会德国馆

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▲ 范斯沃斯住宅Farnsworth House(1946-1951),密斯,
 
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▲ JohnsonWax Headquarters (1939), 赖特
约翰逊蜡制公司,蘑菇细柱与采光天窗的表现
 
柱子在建筑空间中应该如何表达?
前仆后继的建筑师不断地探索、尝试和创新。其中不乏一些案例,追求柱子的精致设计、极致纤细,为我们结构工程师带来了挑战。本文选择了几个经典案例做简要的分析,探讨“细柱”的几种实现方法。
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    轻    
我们知道,细长柱在压力作用下会容易发生失稳。为了防止失稳,首先要减小柱子的轴压力,即减轻荷载。
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妹岛和世+西泽立卫于2009 年设计的蛇形画廊(Serpentine Gallery),展区由细细的柱子支撑着蜿蜒连续的铝板,铝板反射树木、地面和天空的映像,与周围环境形成呼应。
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2009年蛇形画廊: SANAA
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画廊中细柱承受的荷载是非常小的,仅仅为轻质屋面(铝板)的自量,粗略估算只相当于普通混凝土楼面恒活荷载的3%~5%。
而且蛇形画廊属于临时建筑,其使用期间的遭遇大风和地震的概率很小,设计时几乎不考虑水平作用力,柱子不必承受过多的弯矩,因此它比普通建筑的柱纤细很多。

2008年威尼斯双年展的日本馆,建筑师石上纯也设计了一个玻璃盒子覆盖植物。从功能上看,它连临时建筑也不能算,更像是一个装置,有一种摇摇欲坠的感觉。在结构受力方面,水平力完全由玻璃面板来承受,极细的柱子仅支承屋面板的自重。
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▲ 2008威尼斯双年展日本馆
建筑:石上纯也,   结构:佐藤淳 
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    密    
另一个方法是加密柱子布置,进而减轻每根柱子所分担的轴压力妹岛和世在早期的公园咖啡厅设计中,曾采用1.5米x1.5米左右的柱网来实现细柱。
但在大体量建筑中,加密柱子的方法不太常用,比较成功的案例有赫尔佐格和德梅隆设计的波尔多体育馆。
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▲ 波尔多体育馆(2015),赫尔佐格和德梅隆

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欧洲地震小,细柱设计更容易实现 
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 分而治之 

常规的框架柱截面大,除了压杆稳定的因素以外,另一个原因是柱子需要承受弯矩。弯矩一部分由水平力(风和地震)引起,另一部分由与梁柱刚接节点的平衡弯矩引起。从这两点出发,减小柱子内的弯矩,是缩小柱子断面的有效手段。

冼足连结公寓 G-Flat
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▲ 冼足连结公寓 G-Flat,2006
建筑:北山恒, 结构:金田胜德
冼足连结公寓 G-Flat实现“细柱”的方法是,将集合住宅的“剪力墙”布置在建筑平面的中央,相邻两个单元的剪力墙方向垂直交错布置,以抵抗各方向的水平力。
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▲ 剪力墙垂直交错,细柱布置
剪力墙的抗侧刚度远大于钢柱,因此钢柱分担的地震力很小,几乎可按二力杆设计,截面尺寸可大幅减小。
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金泽海之未来图书馆
金泽海图书馆被设计者称为“蛋糕盒子”,长宽高45m×45m×19m,共有3层。幕墙是有着6000个小圆孔的GRC板和阳光板,把柔和的自然光引入室内。
柱,纤细之极_16▲ 金泽海之未来图书馆(2011)
建筑:工藤和美+堀场弘, 结构:新谷真人
在幕墙中隐藏了网格状的钢结构,其受力特性类似于框架支撑体系,承担了建筑全部水平地震力。因而,图书馆内部的25根、高达12米的钢柱,仅需承受来自屋顶的重力。为了避免屋面梁传递给柱顶弯矩,柱顶采用铰接节点释放弯矩。
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▲  25根高12米的无缝钢管柱

金泽21世纪美术馆
金泽21世纪美术馆是SANAA的代表作之一。圆形的平面,功能性房间布置在内部,而沿着周边则是透明的玻璃立面。以纯白细柱支承屋面,保证了公共空间的明亮和开敞。
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▲  21 世纪金泽美术馆(2004), SANAA
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普利兹克奖评委会主席洛德·帕伦博(Lord Palumbo)评价SANAA 时所说,“建筑风格纤细而有力,确定而柔韧,巧妙但不过分。”
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从平面图上我们看到,在圆形内部空间密布了许多隔墙,墙体内置了较为粗壮的H形钢柱,间距3米(比较密),局部布置钢支撑。
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▲  圆形建筑中部为钢框架支撑结构

这些隐藏在墙体内部的框架支撑承受了绝大部分的水平力和竖向力。而暴露在外部的钢柱只承受较小的竖向荷载(屋面自重),因而可以做到纤细异常。
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▲  水平地震作用下钢支撑的轴力

直岛 海之车站

海之车站是一个建筑面积600平的轮渡站,屋面为1.6mm的压型钢板轻质屋盖,支承其重量的钢柱是直径85mm的钢管。显然,如此纤细的钢管无法抵抗海风和地震引起的水平力。
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▲ 海之车站 Marine Station Naoshima
建筑:SANAA;结构:佐佐木睦郎

在车站开敞的空间中布置有8片纤薄的钢板墙,墙表面是镜面不锈钢。镜面映射周边景色,与环境融为一体,不容易被察觉到。
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▲  不锈钢镜面钢板墙 
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钢板墙组成:“2mm镜面无缝钢板+9mm钢板
中间为角钢骨架,防止钢板屈曲
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 预 应 力 

KAIT 工坊
石上纯也设计的神奈川工科大学KAIT工坊,令人印象最深的是细密的白色柱子,建筑轻盈得如隐匿一般。
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▲  神奈川工科大学KAIT工坊,2008
建筑:石上纯也、结构:小西泰孝
KAIT工坊最初的构想是树林,没有墙的阻隔,305根柱像树一样错综密布在建筑中,编织成一个有密度、非均质的柔和空间。
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▲  KAIT工坊设计概念图

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▲  石上纯也在KAIT工坊
12年前,当石上纯也第一次提交自己的设计方案的时候,校方对这个初出茅庐的建筑师充满了质疑:
“这么薄的结构,真得能做到吗?”
“如果真得像你说得简单,为什么没有人做到过呢?”
“空间不实用,有些空间要更大些,有些空间要更小一点......”

建筑设计人员在草图上把空间可能性画出来,然后放入家具,探讨柱子与家具的关系。最终,空间因柱子的分布而生成,建筑被主要分为14个开放的区块,相互独立又融为一体。
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▲  放入办公桌椅的空间
 
结构如何实现?
这一直是人们对KAIT工坊最感兴趣的话题。305根柱子当中只有42根是承受竖向荷载的受压柱(钢板62x90mm);其余的263根钢板柱,是施加了预拉力的吊柱(钢板厚度16~45mm,宽度96~160mm),用抵抗水平力。
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吊柱的扁钢板朝向都不一样,既可以抵抗来自不同方向的水平力(风和地震),又使人们身在其中看到不同宽窄的柱子变化。
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上图显示的为吊柱施加预应力原理,对钢梁预变形、在吊柱内施加预拉力,并控制结构承载后的最终形态。
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▲  吊柱与立柱大样图
吊柱上下两端均为刚接,以最大程度地提供刚度;立柱下端与基础刚接,上端与钢梁铰接,以释放节点的弯矩作用。

2009年KAIT工坊项目获得日本建筑学会奖。那一年,石上纯也34岁,成为史上摘得该奖项最年轻的独立设计师。现在搜索神奈川工科大学或是这座大学所在的厚木市,映入眼帘的都是KAIT工坊,可见建筑的魅力非同寻常。
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 工程师的创新 
除了以上介绍的几种常规方法,工程师也探索出新的方法,例如,利用预应力技术提高柱子的稳定承载力、利用结构体系大变形的非线性刚度等。
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▲  重庆龙兴景观大门
建筑:纬图景观、结构:袁鑫
上图的景观大门结构中,柱高最大约10米,最细柱仅60mm。屋面的曲面造型使得钢柱高度不同,结构师正是利用了柱子长度不一的特点,依靠结构大变形后的非线性抗侧刚度抵抗水平力。
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▲  曲面造型屋面的钢梁
加大屋面钢梁的抗弯刚度
有利于发挥长短柱的非线性刚度(大变形)

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限于篇幅,还有一些有意思的细柱建筑,仅附上图片了建筑名称,供大家欣赏。 
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▲  HouseNA, 藤本壮介

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▲  LayeredS-house, Saitama
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楼梯作为结构承载的主要构件
建筑四角为极细的钢柱

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▲  Artinstitute of chicago,2009
建筑设计:Renzo Piano;结构设计:Arup

参考资料:
1. 结构.空间.界面的整合设计及表现,戴航,张冰著
2. 建筑结构创新工学,日本建筑学会著,郭屹民等译
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相关延伸阅读(链接)
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 发表于2018-12-24   |  只看该作者      

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yuanyuan996

山东 潍坊 | 结构设计

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