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游泳馆结构体系

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    [LV.10]以坛为家III

    发表于 2020-5-18 13:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
    数学本身是没有生命的,也不具备美感。但是,当数学与建筑撞击的时候,数学就为建筑赋予了魔力。

    英国著名数学家罗素(1872-1970)曾说过:“数学,如果正确地看它,不但拥有真理,而且也具有至高的美。正像雕塑的美,是一种冷而严肃的美,这种美不是投合我们天性微弱的方面。这种美虽然没有音乐或绘画的那些华丽的装饰,但它可以纯净到崇高的地步,能够达到严格的、只有最伟大的艺术才能显示的那种完美的境地。”

    建筑师展示建筑的形体及表现力,而作为结构工程师,如何能在实现建筑设计意图的情况下,去获取结构合理的几何逻辑? 如何在建筑设计中,由工程师将数学的元素引入其中,所呈现富于逻辑的美感。

    2018年4月正式竣工的苏州奥林匹克体育中心的游泳馆结构,采用一个曲面形状的结构屋面,与周边结构支承柱共同构成一个皇冠状的结构体系。


    游泳馆结构体系

    游泳馆屋面结构由索网结构连同上部的屋面板构成马鞍型曲面,这个马鞍型曲面的边缘采用一个随曲面起伏的受压环。马鞍型起伏的索网结构体系所构成的游泳馆屋面,平面为圆形。


    游泳馆屋面结构体系

    结构体系的设计思路来源于网球拍的受力原理,外压环是网球拍的外框,而索网则是网球拍的网状结构。10米高差的马鞍型进一步的提高了屋面结构的刚度。




    游泳馆结构体系

    对于游泳馆屋面结构的几何,所采用外压环为107米直径的圆形平面。压环为马鞍型的造型,其标高在22米到32米之间变化。10米高差的马鞍型进一步的提高了屋面结构的刚度。游泳馆坐落在11.92米标高的混凝土结构上,柱和外压环刚性连接并按照V状的造型布置。


    屋盖结构力的传递

    V型柱力的传递

    根据建筑师的要求,为了获得柱脚和屋顶外环间相等的间距。倾斜的屋面结构立柱的倾角沿着整个立面是变化的,柱的倾角在46度和66度之间变化。

    经过反复沟通,结构工程师与建筑师共同确定了游泳馆屋盖结构几何,简而言之的过程如下所述:
    位于标高11.92米的游泳馆柱脚支座均匀布置,在平面上围成一个半径为41.95米的圆形平面;
    在标高27.0米高度处,设置一个直径为53.5米的受压环;
    此时将受压环的z向坐标根据余弦曲线变化而形成所希望产生的马鞍型,余弦曲线公式为z(φ) =-5 x cos(φ)  + 27,0 < φ ≤ 2π。


    由余弦曲线形成的马鞍型屋盖


    选用的余弦曲线图

    最终按此原则确定屋面结构几何,整个游泳馆屋盖结构的投影面积约为一个直径为107米的圆形,在立面上高低起伏,从最低点22米变化到最高点32米。屋面结构既对称于高点之间的连线,也对称于低点之间的连线。周边立柱的长度根据其所处的具体位置而变化,最短的柱长度为15.03米,而最长的柱长度为22.79米。这个轻型屋盖结构体系充分高效地利用了材料的特性,采用较少的用钢量,实现一个安全经济合理而自然流畅结构体系。


    游泳馆建成后照片

    建筑师提出美学上的设想,结构工程师结合理性的思维,让具象的线条以数理逻辑来体现,这是理性思维与感性表达的撞击。

    数学追求的目标在于:从混沌中找出秩序,使经验升华为规律,将复杂还原为基本。
    当抽象的数学与现实的建筑融为一体,它们就成了不可分割的完美组合,互相渗透,交互辉映。建筑,只有数与形结合,才更具有神韵。
    千百年来,数学一直蕴藏于所有的抽象符号、严格语言、演绎体系之中,展现其简洁、和谐、奇异的美感。

    数学,对结构工程师而言,并不是仅仅用于计算分析,而是从抽象中找到与建筑拟合的逻辑,让美学的形与数学的理得以融合。
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