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数字设计与建造全过程的控制与优化.rar

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    编号:20181101170527254    类型:共享资源    大小:24.30MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-02
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    金币
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    数字 设计 建造 全过程 控制 优化
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    数字设计与建造全过程的控制与优化——以上海世博会博物馆为例刘海洋 1 郭睿 2李智 31,2,3 华东建筑设计研究总院1lhy11064ym0912@ecadi.com2 grh9562ym0912@ecadi.com 3lz18816ym0912@ecadi.com摘要:本文以上海世博会博物馆云单体为例,讲解数字化技术和悬浮钢结构外壳体建筑综合设计技术在实际工程的运用。本文共分为设计概念、设计深化、施工配合三大阶段,探讨对于异形空间、参数化设计以及信息化建造的全过程控制和协调,希望形成建筑师实现普遍性异形空间的流程导则。(本文受华东建筑设计研究院有限公司《悬浮钢结构外壳体建筑综合设计技术研究》 (14-1 类-0061-综)课题资助)关键词: 数字化技术;悬浮钢结构外壳;设计深化;施工配合Control and Optimization in Digital Design and Fabrication——Take Shanghai Expo Museum as an exampleLiu haiyang1Guo Rui2 Li zhi31,2,3,4 East China Architectural Design Suspended steel shell; design optimization; project coordination1 概述近些年,随着计算机参数化设计、加工技术的普及应用,在全球范围出现了越来越多有别于传统的大型钢结构自由空间曲面悬浮外壳结构形式。本课题结合上海市世博会博物馆新建工程所涉及到的同类空间,从自由曲面的参数化找形方法、风荷载特性数值模拟、钢结构整体稳定与抗震性能分析、多向钢结构节点设计、异形悬浮结构热负荷计算方法、全金属结构对室内热环境的影响、悬浮钢结构空间的消防体系、异形空间的外围护防排水和耐候保洁手段、异形空间构件加工提资方法等建筑、结构、机电、建造、维护各方面进行研究总结,探索专项规范的适用性,最终形成具有综合、平衡特点的设计指导原则,希望填补针对此类建筑形式的设计方法空白。2 项目背景世博会博物馆是国际展览局在全球唯一授权的永久性世博会专题博物馆,具有国际性、唯一性、专题性的特征,是极少兼具博物馆与文献中心功能的展馆。项目分为“历史河谷”和“欢庆之云”两部分,本文以其中的“欢庆之云”为例探讨数字技术及加工技术在项目中的运用。图 1 世博会博物馆鸟瞰效果图2.1 设计概念的确立在项目开始我们围绕永恒、瞬间着两个关键词进行设计,即承载了每届世博会的闪亮“瞬间“和世博会 150 年记忆的“永恒“ 。每一届世博会从举办到落幕,都犹如绚烂的烟花。设计者希望世博会博物馆将是一个收纳这些美好回忆的“时间容器“,能永恒的锁住历史长河中每个动人的瞬间。2.2 建筑体形和空间特征云单体跨度大,体形复杂,在建筑底部以三条云柱扭转收分,形成逐级上升的动势,最终汇集在一起形成云状的形体。在 24 米-26 米标高包含 840 平方米的云厅平台,此部分功能灵活切换,既可以作为观景平台,又可以作为 T 台时尚秀场、特展等。此外,通往云 12 个洞口作为进出云的流线,其中包含西侧的云柱内的螺旋向上的楼梯,南侧的云柱的观光电梯及多处进出云的空中连廊。 图 2 世博会博物馆 “欢庆之云 ”1图 3 世博会博物馆 BIM 模型3 设计过程整个过程可以分为三个阶段—设计概念阶段、设计深化阶段和施工配合阶段。3.1 概念阶段设计初期, “欢庆之云”以拼贴的方式抽取历届世博会曲面的形态片段,钢与玻璃组合的自由形体又暗含向第一届世博会主展馆“水晶宫”的致敬,暗示博物馆“一切始于世博会”的展陈主题。设计后期,我们强化云的功能,希望它能带来空间上一种全新的体验,一般博物馆出于保护展品等因素,大部分都是封闭的体量,但事实上并不是所有的展品都要避开光线,博物馆中的公共空间也应该有更灵活的布置方式,我们以云作为切入点,将它作为公共空间的一部分灵活使用。形体的不确定性又让功能布置更加灵活,我们追求一种真实意义上的像浮云一样变化莫测的建筑。在云的空间里,可以见证天空以及光线的无穷变化,也契合了永恒和瞬间的设计原则。有了模糊的形体概念,我们将形体进一步具象化。考虑到结构支撑,云形体需要支撑点,我们希望建筑形体尽可能的悬浮于地面上,这样可以带来两个结果。其一,在视觉上建筑的漂浮感会更加强烈;其二,建筑的具体功能让位于建筑的城市功能属性,地面被极大地贡献给城市生活,形成城市客厅。为实现这一效果,我们选择三个云柱作为地面的支撑,在几何上,三点的稳定性最好,三个云柱互相抵消侧向力,受力上有一定合理性。另外,建筑形体在广场内有三块大的功能布局,在东侧的大厅里布置云柱能形成极强的戏剧性,给参观者视觉上的震撼;在西侧的展厅外布置云柱能强化竖向交通,并使得各展厅之前的公共空间更加灵活;在南侧公共服务空间布置云柱可以提供参观者进入云厅的快速通道。有了粗略的建筑轮廓,我们将形体细化,使其具有施工的条件。我们首先依据功能确定三个云柱的位置,由下至上扭转收分形成与主体建筑相协调边界清晰的轮廓;同时,依据云柱的位置,屋盖由三块拱形的曲面交汇在一起,形成如三滴水珠融合在一起的自然柔和的效果;最终,由屋盖往下云柱往上过渡形成云厅。图 4 室内效果有了具有施工前提的云形体,我们布置功能用房。我们将云形体拆分成四部分进行深化,由上至下,依次分为云屋盖、云厅、云底及云柱四个区域。在 24-26 米的云厅区域,设置 840 平方米展示步道,与室内展区衔接,同时也与屋顶的室外展场环通,形成独特的空中特展区。在 0-24 米的云柱区域,有 9 个通道与另外一个体量相连,功能互相穿插,提供丰富的公共空间。3.2 设计深化阶段我们在概念阶段的基础上将建筑细化,使其更具有建筑、结构等层面上的条件。此阶段针对不同专业展开深化。3.2.1 建筑对象原型重新找形优化目前建成项目中,常见的有三种针对异形界面的幕墙做法:曲面板材,三角板材,平面板材。曲面板材是指建筑整体板材划分为矩形或梯形(如图 4) ,对建材要求高,造价较高,生产周期时间较长。平面板材是指单元板块是二维平面,通过平面板材拟合三维曲面,造价低但拟合度差,不适用于曲率较大的曲面(如图 4) 。三角板材是指建筑整体板材划分为三角形,通过三角形平面建材拟合三维曲面,三角形划分的形式能够成为建筑的特殊肌理(如图 4) 。根据欢庆之云的形式特征确定了三角板材的幕墙系统。图 5 左一 ) Heydar Aliyev Cultural Center, Zaha Hadid(左二) Smithsonian Institution, Foster+Partners (右一)世博演艺中心, Ecadi一般的形体一般为直线或接近平滑效果的多段线,再或者就是曲线,很少两者之间的组合,云的形体则是有直线到接近平滑效果多段线的一个过渡,难度非常大,与此同时还要兼顾结构的稳定性及板块划分,难度可想而知。所以在得到比较成熟的几何体量后,我们又对其进行了优化。首先是屋盖的优化, 屋盖优化分六个步骤:图 6 屋盖形成分解图第一步,屋盖由三个拱形的曲面组成,我们把屋盖拆解成三部分,每部分尽量做到几何规整,因此我们将三部分的轮廓设置成圆弧的一部分,圆心则落在轴网上,这样可以简化后期结构受力、施工等方面的麻烦;第二步,自然的曲线其实并不是严谨的几何形态,也不是随意的曲线。确定圆弧基本轮廓后,我们根据贝塞尔曲线得到一个完整的曲线轮廓,通过控制曲线上的四个点(起始点、终止点以及两个相互分离的中间点)来编辑曲线。利用贝塞尔曲线我们在保证曲线流畅性的同时又有足够的调整余地;第三步,在轮廓确定后,在确定拱形顶的范围;第四步,确定拱形顶的高度;第五步,有了拱形顶的高度和范围,我们再将其细化;为了保证檐口幕墙划分的均匀性,我们对檐口一圈的划分进行了调试。图 7 调试前(作者自绘) 图 8 调试后(作者自绘)调试前,在檐口划分非常不均匀,常常出现难以加工的小板块三角面和四边形,这样既影响屋面的美观,同时对屋面、墙身一体化处理带来难度。调试后,我们将檐口一圈的划分均匀处理,将形成的误差吸收到整个网面,这样我们又得到两种效果的幕墙划分。图 9 方案一(作者自绘) 图 10 方案二(作者自绘)对比两个方案,方案一将误差消化到屋面中心,这样檐口一圈较为平整;方案二采用相反思路,屋盖中间较为平整,误差集中在檐口一圈。最终,保证室内效果,我们采用了方案二。与此同时,云柱以另外一套逻辑进行找形。对于云柱的外轮廓,我们采用了形体较为规整且相对饱满的六边形,高度每隔6 米轮廓收缩旋转,最后顶点相连,在横竖方向平分 3 次再相连。图 11(左一) 每隔 6 米高度旋转收缩,(右一) 横竖方向平分 3 次再相连 (作者自绘)整个云柱形成后,我们通过控制六边形的中心,边长,角度等使之尽可能的过渡自然,再通过整点取数,简化形体,方便后期施工。图 12 边长、角度取整前(作者自绘) 图 13 边长、角度取整后(作者自绘)3.2.2 结构优化形体重新找形后,我们在综合考虑建筑、结构、机电、幕墙等各专业的设计要求的基础上,寻求一种平衡相互之道,一种严谨的秩序,即以最终服务于空间氛围塑造为目的,探索系统性的解决思路。秩序(order) ,意指物质有序的组构方式和清晰的内在系统。建筑学漫长的发展过程中,对秩序性的探索构成了重要的自上而下的思想武器,冲破混沌无序或夸大演绎的壁障,摆脱无病呻吟或天真浪漫的虚妄,使建筑学自主的成为一部自律性的科学自传。秩序,使建筑能够被系统性的描述;秩序,就像生物遗传基因的双螺旋结构或由最小到最大的分形算法,也构成我们感知空间最原始的感动。对于结构而言,结构被作为限定空间秩序和表现空间氛围最重要的手段之一,为实现整合的初衷,结构采用自由空间曲线外壳体悬浮钢结构形式。结构杆件的定位结合建筑形体特点,对自由曲面结构的受力特点进行研究,结构构件截面与杆件内力分布规律一致。为保证视觉上的连续性,结构退幕墙距离仅150mm,杆件的尺寸宽度方向大部分统一为 80mm,这样就满足了形体最大的通透性。图 14 云形体结构模型此外,杆件的截面最终选定为矩形杆件。常见的杆件截面通常有圆管和方管。圆形截面的优势在于没有方向的限制,受力不均可以通过壁厚解决,但是圆管相对不精细且节点区一般很大,所以我们选择了方管,矩形截面钢管杆件显得比较精细且节点区可以做的比较小。图 15 圆管截面(作者自绘) 图 16 矩形管截面(作者自绘)和其他类似的建筑不同的是,云形体在 24 米高度有面积近 1000 平方米的平台,对于云平台的支撑结构设计旨在强化钢结构建筑的工业美学。结构放弃普通的横向布梁方式,采用斜撑的方式布置梁,实现类似 Eiffel Tower 的工业美学,同时也是对历届世博会的致敬。云厅平台结构支撑分为三类:第一类是南侧云柱上方的云厅平台,结构杆件支撑在中心的电梯筒上,形成类似伞状的结构形式;第二类是西侧和东侧云柱上方的云厅平台,结构杆件支撑在 18m 标高外轮廓网格上,形成类似穹顶状的结构形式;第三类是云平台中段,结构杆件以云底外轮廓网格作为桁架下弦杆,形成纵向和端部桁架。图 17 24m 标高平台(作者自绘) 图 18 26m 标高平台(作者自绘)图 19 平台中段(作者自绘)此外,云与主体结构连接处分别位于云支座和洞口连桥处。云与主体结构连接的原则是保证云自身结构的独立性。云支座采用钢球铰节点,连桥处采用钢结构滑动支座。云与主体结构的连接均采用滑动连接,不产生相互作用力,避免不同结构体系相连对整体结构稳定性的干扰。图 20 保证云结构与旁边建筑独立的滑移支座构造图由于结构为复杂曲面形状的单层网格结构,跨度大,因此结构的整体稳定性是整个设计中必须考虑的关键问题,为保证稳定性,结构稳定性增加了多项措施:图 21 恒载 +活载标准值作用下屋盖变形图 (绘制时变形放大 100 倍 )第一是云柱独立支撑筒体在 24m 以上连为整体,形成 3 个类似拱形的结构,并在平面上构成稳定的三角形,互相抵消推力;第二是云平台在 24.000m 标高连接三个云柱,起到横向联系的作用,避免向外倾覆;第三是增加檐口拉索,改善屋盖边界条件,减小屋盖竖向挠度至规范容许范围。第四是在形体受力较大地方相应增加杆件的尺寸。图 22 檐口拉索3.2.3 幕墙划分优化在运用 Grasshopper 等软件将云的三维曲面体量拟合为一系列三角形板块的组合,在此基础上根据玻璃幕墙的材料特征和建造技术进一步调整板块划分,优化的原则基于以下两点:1. 幕墙厂家原件 2400x3600,云幕墙部分所有板块尺寸控制在此范围内,并保证一块原件的最大利用率,降低造价; 2. 根据 JGJ 255-2012 幕墙相关规范,采光顶部分玻璃幕墙面板不宜大于 2.5平方米,长边边长不宜大于 2m。3.2.4 机电专业优化欢庆之云的机电设计中,考虑到复杂的机电设备要求和纯净的建筑形体以及灵活的使用空间之间的矛盾,采用服伺空间的概念,整合设备空间,保证云厅使用空间视觉空间效果。 (服伺空间的概念首先由路易斯·康提出, 服伺空间旨在将用于服务性功能的设备机房、管道、交通空间、辅助空间集中布置,以获得使用空间最大限度的灵活性和纯粹性。 )3.2.5 暖通专业整合设计出回风口设计推敲:根据云厅内部空间特征,出回风设置分为两类:在三个云柱上方出风口在四周,回风口在中间;在云厅平台中段,出风口和回风口各位于一侧。理想状态中,出回风口均暗藏于楼板两侧,不影响室内视觉效果。但代价是云厅平台的楼板需要向内收缩至少 500mm,保证出回风口高效工作。鉴于缩小云厅平台楼板面积带来的一系列使用上和造价上的问题,最终只能接受在楼板上直接开洞口的方式。常规的出回风口盖板形式是利用金属网或金属格栅作为洞口的覆盖物,考虑到欢庆之云整体造型特征,尝试盖板结合幕墙划分造型,形成渐变的三角形网格。 3.2.6 水电专业整合设计屋面排水设计:在檐口端头增加工字钢梁,排水沟藏在工字钢梁上方,焊接三角形钢板作为幕墙结构,端头幕墙支撑结构直接焊接在工字钢梁上,考虑可开启的检修孔和防虫防鸟设计。图 23 檐口排水节点详图3.2.7 强弱电管线综合布置电气专业中,电力、照明所有线路均位于设备夹层内;弱电专业中,安防、综合布线广播所有点位均由下层桥架引来。机电设计的秩序性主要体现在服伺空间——机电设备夹层方案的落实。将暖通、给水、排水、电气、弱电专业需求的设备和检修空间均集中布置在云厅 24.0m平台下的设备夹层中,以服伺空间的概念整合设备空间,保证云厅和云柱等被服伺空间的纯粹性和完整性。5 施工配合阶段经过一年左右的深化过程,尽管前期做了大量优化的工作,但在后期根据实际情况,还是要做大量的调整甚至颠覆性的修改,直至今日施工配合只经过了三分之一的时间,在上一轮深化的基础上,配合阶段的调整主要有结构优化、幕墙细化等部分。5.1 结构优化由于工期较短,在与钢结构单位配合的过程中,我们从下至上依次深化结构。第一个结构优化的地方就在 0-18m 的云柱部分,在设计深化阶段,为保证幕墙划分不改变,我们保证幕墙定位不动,沿公法线方向反推结构线,但是由于云柱区段不是自由曲面,反推出的结构线高低错落,这样结构的秩序混乱而且节点施工难度高。最终,以原结构模型提供计算模型轴线为依据,根据环梁坐标点(x,y 值不动,z 值取转折处标高误差的平均值), 构成控制环梁角点, 角点相连
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