《建筑意象与结构合理性——日本网津小学连续拱屋盖结构设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建筑意象与结构合理性——日本网津小学连续拱屋盖结构设计（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、建筑意象与结构合理性日本网津小学连续拱屋盖结构设计 金箱温春 陈素文 日本工学院大学土木工程学院 同济大学土木工程学院 摘 要： 以日本熊本网津小学连续拱屋盖结构设计为例, 阐述了结构工程师通过对建筑模型中存在的问题进行分析, 适当调整建筑模型, 利用结构概念、有限元分析与计算, 对结构体系进行优化, 并对施工过程进行模拟, 确保施工的可靠性, 最终设计出既满足建筑功能及美观需求, 又具有良好安全性能的结构。关键词： 建筑意象; 结构合理性; 拱屋盖; 有限元; 收稿日期：2017-09-20Architectural Image and Structural Rationality Stru
2、ctural Design of an Elementary School with Continuous Vaulted RoofYoshiharu Kanebako Chen Suwe Abstract： This paper studies the structural design of an elementary school with continuous vaulted roof to explicate the way how structural engineers analyzed the problems of architectural modeling with mo
3、dif ication of architectural design accordingly. Structural system was hence improved based on the conceptual design of structure and numerical analysis, and a physical simulation of the building process was used to ensure the reliability of construction, which altogether met the requirements of arc
4、hitectural function and structural performance.Keyword： architectural image; structural rationality; continuous vaulted roof; finite element analysis; Received： 2017-09-20网津小学扩建工程 (图 13) 是日本熊本县宇土市的一项文化艺术项目。建筑师坂本一成的设计方案在竞赛中获胜并被实施。建筑师希望将其设计成一个开放的校园空间, 因此结构选型为支撑在细柱上的拱壳形屋顶, 采用两种形式的拱自然划分整体空间, 并通过拱与拱之间的竖向
5、间隔获得良好的采光和通风, 拱形屋顶和周边景观完美结合。建筑平面为 64m15m 的矩形, 布置 3 排教室和2 列走廊。建筑中部区域为 2 层, 四周均为 1 层。1 层及 2 层的屋盖均为连续拱顶, 拱屋顶外侧悬挑 3.3m, 从首层教室沿建筑长轴方向, 可见相互交错的拱屋盖 (图 4) 。1 结构设计中的问题该建筑的特点是由柱支撑的连续拱壳形屋盖在教室内相互交织。柱在长轴方向的间距为 8m 或 4m, 其曲率半径分别为 5.3m 和 2.7m。尽管建筑师希望整个建筑空间更加开放, 但由于抗震要求, 在教室之间仍设置了具有抗震作用的墙体, 抗震墙仅布置于建筑短轴方向。该建筑的结构设计中主要
6、有 3 个问题。第一个是如何合理布置结构支承点, 使拱壳内以轴向应力为主。支承在柱上的拱壳不仅受到曲率方向的拱作用, 同时还受到横向深梁的作用;壳顶的薄膜应力集中在柱顶, 并对柱产生水平推力 (图 5) 。当拱壳连续布置时, 可减小或相互抵消中柱所受的水平力, 但不会减小边柱所受的水平推力 (图 6) 。若在柱顶布置联系梁可以较好地抵抗水平推力, 但联系梁不适用于建筑意象。第二个问题, 建筑长轴方向未设抗震墙。为抵抗水平推力和纵向地震力, 沿建筑长轴方向应布置由梁-柱组成的刚性框架, 但在建筑设计图中没有梁, 而且这一结构也不适用于该建筑造型。第三个问题, 拱壳屋盖的平面刚度。由于拱顶的相互交
7、错, 使整个屋盖并非是一个整体, 可能影响结构的抗震能力, 因此需要考虑屋盖交错处的连接。2 屋盖结构的设计流程为了建造一个造型美观的拱壳屋顶, 我们将结构体系整合并考虑消除曲梁, 具体实现流程如图 7 所示。第 1 步, 改变大跨拱壳和短跨拱壳位置, 从而减少边柱水平推力。两种壳的跨度分别为 8m 和 4m, 其中 4m 跨拱壳的位置固定。第 2 步, 将 4m 跨拱壳改成平屋顶。调整后, 直梁可以用来抵抗推力和地震作用。图 8 为阶段调整后的建筑模型。但其仍不是一个理想的结构体系。1 外景 下载原图主创建筑师:Kazunari Sakamoto 设计团队建筑:Yasuhiro Kuno 结
8、构:Yoshiharu Kanebako, Keiko Tamura 机电:Eiji Sato 建设地点:Uto city, Kumamoto Prf.Japan 设计时间:2008 年 3 月-2009 年 6 月建造时间:2009 年 11 月-2011 年3 月建筑面积:2811m2 结构形式:拱壳结构2 一层平面 下载原图3 二层平面 下载原图4 建筑室内空间 下载原图6 连续拱的水平推力 下载原图7 拱壳屋拱结构设计过程 下载原图8 第 2 步模型 下载原图9 跨拱壳改平屋顶模型 下载原图1 1 屋顶应力分布分析 下载原图1 0 采用有限元方法进行结构分析 下载原图1 2 两种壳体的
9、应力分布 下载原图第 3 步, 尝试去除曲梁。通过增大 4m 跨的矩形框架刚度, 取消曲梁, 从而使拱壳中部的柱类似于悬臂柱。在该体系中, 柱尺寸比常规梁柱框架中的柱尺寸大。这是出于抗震设计的考虑, 边框架柱需要抵抗水平推力, 应尽量避免边框架柱在地震的作用下进入塑性, 所以, 中间的刚性矩形框架应比边框架的刚度大, 使得在地震作用下, 地震力主要由中间框架承担。因此, 中间框架的柱子尺寸是 450mm800mm, 边框架柱为 450mm600mm, 均符合建筑师的要求。第 4 步, 重新调整了拱壳的厚度, 中部拱壳的板厚调整为 90mm, 端部拱壳的板厚调整为 200mm。图 9 是此阶段的
10、建筑模型, 调整后的结构是一个理想的结构体系。3 屋顶的应力分布结构分析采用有限元法进行。模型如图 10 所示, 屋盖的板和梁采用平面单元建模, 第 2 层的柱、梁和基础梁采用轴向单元建模。竖向荷载作用下的屋顶应力分布如图 11 所示。图中的颜色显示了弯矩的大小, 其中红色区域表示较大的应力, 而黄色和绿色区域则表示较小的应力。平屋顶的弯矩较大, 而拱壳弯矩较小, 白色箭头指明了主应力方向及大小。屋盖各个部位的形状一致, 但应力流随位置变化而变化。因为在教室交界处有墙存在, 所以墙附近屋顶的应力流就像短壳一样, 没有墙体支撑的壳的应力流分布如同长壳 (图 12) 。4 2 层楼板与 1 层拱顶
11、的连接如何使交错的屋盖成为整体以及如何连接 2 层楼板与 1 层壳顶, 以减少地震作用下的应力, 是另一个需要考虑的问题。图 13 为 2 层楼板和 1 层壳顶的结构平面。该平面图由 5 个区域构成, 分别命名为 A、B、C、D、E 区。图 14 则显示了交界处的结构框架。区域 A、B、D 和 E 为 1 层壳顶, 区域 C 是 2 层楼板。在B、C 两区和 C、D 两区的交界处, 由于各楼板位于不同的水平面上, 因此需要大梁将二楼楼板和一层壳顶连接起来。在 A、B 两区以及 D、E 两区的交界处, 边缘的平板虽然处于同一个水平面上, 但各区中间的拱顶板却不在一个高度上。因此, 适当调整了 A
12、、B、D 和 E 四个区的结构水平刚度和建筑重量的比值, 从而使区域之间需传递的应力小于区域连接的抗力。最后, 通过有限元计算连接处所传递的应力大小, 对连接板的强度进行了校核。1 3 2 层楼板与 1 层壳顶结构平面 下载原图1 4 交界区结构框架 下载原图1 5 钢筋布置详图 下载原图1 7 拱壳施工过程 下载原图1 6 拱壳的实体模型 下载原图1 8 拱壳建成状况 下载原图5 钢筋的布置与施工拱壳屋盖的板厚在中部为 90mm, 端部为 200mm。如图 15 所示, 钢筋在中间区域单层布置, 端部区域双层布置。钢筋间距均为 200mm。屋盖的施工过程也十分特别, 且相对困难, 因此, 在
13、施工前, 通过制作屋盖的实体模型来测试施工步骤, 确定屋盖成形、钢筋布置以及混凝土的浇筑方法 (图 1618) 。6 结论如何在结构合理的情况下使建筑造型得以实现是一个非常基础, 却又十分重要的问题。为实现交错壳顶支承的轻量化, 结构设计中需要考虑结构的水平推力和抗震设计。网津小学的结构体系看似形状简单, 由两种壳组合, 实际上却是由长壳和短壳构成的复杂体系。最终建成的建筑与原始的建筑草图并非完全一致, 但能很好地体现建筑意图。建筑设计是一个意象的领域, 结构设计是一个真实的领域。在建筑设计的过程中, 建筑师与结构工程师保持紧密的联系至关重要。图片来源图 1, 4, 8, 9, 17 右:Atelier and I 其余图片均为作者摄影、提供
