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ETFE--柔性結構之結構革新

日期:2021-09-15

    兼具拉壓兩種結構特點(diǎn)的ETFE氣枕式膜結構體系已經(jīng)催生出一系列結構領(lǐng)域的創(chuàng )新。1995年在英國伊斯特利竣工的漢普郡網(wǎng)球俱樂(lè )B(Hampshire Tennis and Health Club atEastleigh),采用的便是以索網(wǎng)支撐ETFE氣枕構成的單向索網(wǎng)結構。這座造型優(yōu)美的健身俱樂(lè )部建筑面積為6000m2,可容納10座網(wǎng)球場(chǎng)。其正脊由一系列受懸索固定的成對鋼桅桿組成,兩側是圍護結構。預應力鋼索兩端分別固定在正脊和地面上,以此承載由3層膜構成的半透明ETFE氣枕。該氣枕寬約3m,長(cháng)18m,通過(guò)鉗制方式與鋼索連接,風(fēng)沿氣枕表面流動(dòng),具有良好的散熱作用。作為平行鋼索間的連接構件,ETFE膜面上發(fā)生的阻尼振動(dòng)將對穩定整個(gè)結構起到關(guān)鍵性作用,受到張拉應力的氣枕就像是垂直分布在鋼索間的一組“彈簧”,起穩定
作用的同時(shí)也在垂直于鋼索的方向上起傳遞荷載的作用。最終使整個(gè)單向索能像雙向索結構一樣工作。
    位于馬格納的航空展覽館( The AirPavilion at Magna)于2000年竣工,它將ETFE氣枕和索網(wǎng)結構相互依存的共生關(guān)系充分展現出來(lái)。設計的挑戰在于基地位于羅塞藍廢棄的鋼鐵廠(chǎng)內,博物館是以工業(yè)時(shí)期的概況和鋼材生產(chǎn)的基本原料作為展示重點(diǎn)。在400m長(cháng)、35m高的工業(yè)廠(chǎng)房?jì)确謩e設置了主題為泥土火焰、空氣和水的四座展廳。航空館外殼被設計成類(lèi)似飛艇形狀懸置在頂棚的下方。早期設想是利用傳統鋼架支撐ETFE氣枕,但為了滿(mǎn)足預應力的要求,鋼架最終被更為輕巧的懸索取代。整個(gè)展館長(cháng)44m,截面直徑由中部最大的16.7m逐漸降低至端頭的5m。兩個(gè)由114mm直徑鋼管?chē)系臋E圓形支撐環(huán)通過(guò)斜向支撐固定在展館兩端。在兩個(gè)支撐環(huán)之間,是11個(gè)縱向排列的ETFE充氣氣枕,其最大寬度為4.8m,長(cháng)度覆蓋整個(gè)結構體。氣枕間的銜接體
每隔6.1m便設置一處連接點(diǎn)與外部索網(wǎng)相連,再通過(guò)索網(wǎng)與原有鋼結構連接。漢普郡網(wǎng)球俱樂(lè )部采用的懸索結構是通過(guò)鋼桅桿提供預應力,氣枕形狀的改變不會(huì )對懸索產(chǎn)生影響。與網(wǎng)球俱樂(lè )部不同,當展館上的氣枕充氣后,氣枕將呈現出圓柱形空間形態(tài)。氣枕在受制于外部索網(wǎng)限定的同時(shí),也反作用于外部索網(wǎng)。通過(guò)力的直接傳遞,索網(wǎng)與氣枕間形成了共生般的協(xié)作關(guān)系。
    展館利用輕質(zhì)結構與置于地面上的重型鋼結構并置的方式詮釋展覽內容,外觀(guān)在與主題契合的同時(shí),也將空氣作為結構體的潛能展現出來(lái)。同樣強烈的對比也曾出現在1901年飛艇與埃菲爾鐵塔的標志性照片中。近一個(gè)世紀之后,伊塔洛·卡爾維諾( Italo Calvino)仍然對此評論道:“如果讓我為新千年選擇一個(gè)吉祥的代表,我會(huì )選擇……那些帶領(lǐng)我們遨游天空的飛行器,因為他們保有如何突破地心引力的秘密??赡茉S多人會(huì )認為,充滿(mǎn)活力的時(shí)代應該到處充斥著(zhù)侵略性的噪聲與轟鳴聲,可在我看來(lái),那就像一輛生銹的破車(chē)在駛向墓地,已經(jīng)到了垂死的邊緣在法蘭克福巴塞爾人廣場(chǎng)上的卵形建筑+(Oval at Baseler Platz in Frankfurt)拉壓桿件和ETFE氣枕被用來(lái)建造庭院頂棚。該項目于2004年竣工,首層用于零售,以上6層用于辦公,頂上3層是居住單元。不規則的頂棚為底層商戶(hù)及辦公區提供了可供休閑的中央庭院,同時(shí)又不影響頂棚外部住宅單元的采光。頂棚造型是受肥皂泡泡的啟發(fā),平緩的坡面并非是出于外觀(guān)的考慮,而是為了避免氣枕在泄氣后產(chǎn)生積水。通過(guò)下弦桿件的張拉,間隔3.5m的支撐肋最終形成向上隆起的曲面。雖然支撐肋的中心高度均為跨度的8%,但由于支撐肋的跨度10~30m不等,因此每條肋的曲率也不盡相同。撐肋由219mm直徑的鋼管構成;V形短柱與之垂直排布;鋼索呈雙向受力狀態(tài)。來(lái)自上弦的水平荷載通過(guò)索網(wǎng)與鉸節點(diǎn)傳遞到環(huán)梁上,以保證在風(fēng)、雪荷載的作用下,頂棚仍能持平。環(huán)形鋼梁將荷載最終傳遞至下部支撐結構體中。當產(chǎn)生使頂棚向上隆起的風(fēng)吸力時(shí),上弦桿件將受拉,受力角色由壓桿轉變?yōu)殇撍魇芾?。在雪荷載作用下,它又將進(jìn)入受壓狀態(tài)同V形短柱與鋼索一同防止結構屈服。鋼索與短柱同樣為上弦桿件與邊框提供側向支撐。由三層ETFE膜組成的氣枕,經(jīng)空間找形過(guò)程而呈現形態(tài)各異的幾何體。
    2005年,在哥本哈根竣工的 Frdsilo Flats住宅樓( Frdsilo Flats in Copenhagen)中庭頂棚采用了相同的工作原理。作為一項廢棄谷倉的改建計劃,原有混凝土墻不能開(kāi)大口,因此設計師決定將改造工作由外部轉入到谷倉筒中進(jìn)行。通過(guò)在倉筒上部加建ETFE氣枕頂棚,整個(gè)谷倉中部被改造成巨大的入口門(mén)廳,垂直交通與服務(wù)設施被安置其中。每個(gè)中庭頂棚形狀都是取自球面體的一個(gè)橫切面,支撐桁架并非平行排布,而是以球心為中點(diǎn)向外發(fā)散。因此支撐桁架的上弦鋼索與下弦鋼索對應保持平行。由于頂棚呈幾何對稱(chēng),充氣氣枕取代垂直于桁架的索網(wǎng)的作用,防止上弦桿件發(fā)生另外一項具有歷史意義的ETFE氣枕式膜側向失穩。結構改擴建工程是位于杜伊斯堡的 Meiderich劇場(chǎng)( Meiderich Theater in Duisburg),在該項目中創(chuàng )造性地引入大型可伸縮結構。該項目于2003年竣工,坐落于200hm2的公園場(chǎng)地內,同馬格納工程一樣,它將一座廢棄的煉鐵廠(chǎng)改造成公共文化設施。伸縮頂棚的采用確保了在惡劣天氣條件下該劇院仍可投入使用,頂棚同時(shí)也兼顧以下三方面的考慮:冬季,通過(guò)關(guān)閉頂棚,觀(guān)眾座席及由鍛造車(chē)間庫房改造而成的演職員房均可變?yōu)槭覂?為了適應原煉鐵廠(chǎng)遺留的管道布局,由T形鋼構成的頂棚滑軌在鋼管支撐下必須成波浪形起伏;采用ETFE膜面頂棚,不但自重輕,而且可緩解結構的變形及運動(dòng),另外,氣枕還對改善空間聲學(xué)具有良好效能。由于頂棚高度透明,人們坐在劇場(chǎng)中仍可清晰看到高大的煅燒爐,該設計的重要意義就在于如何更好的保留原有工業(yè)設施的歷史價(jià)值。



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