第十屆中國花卉博覽會主入口大門仿生結構設計與研究

劉桂然, 張西辰, 王月茹

(上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概況

本工程是2021年第十屆花卉博覽會的入口建筑,位于上海市崇明區(qū)東平鎮(zhèn)花博園東入口處。整體造型為兩棵枝繁葉茂的大樹(圖1),高度約20m,平面尺寸約為40m×100m。

圖1 建筑實景圖

結構形式采用仿生鋼結構+柔性幕墻;其中主體結構為仿生鋼結構,采用復雜空間異形鋼結構體系,承擔建筑的豎向及水平荷載,提供整體豎向及抗側剛度,同時考慮柔性幕墻找形后對主體結構產(chǎn)生的附加應力;柔性幕墻采用膜結構體系,張拉成型,為不承擔主體結構荷載的裝飾性結構。

本工程屬于臨時建筑,設計使用年限為5年,建筑結構的安全等級為三級,抗震設防烈度為7度(0.1g),抗震設防類別為丙類, 場地類別為上海Ⅲ類[1],基本風壓為0.40kN/m2,基本雪壓為0.10kN/m2,溫度荷載按±30℃考慮[2]。

2 仿生結構特點

建筑仿生是目前建筑設計手法中的一股新潮流,體現(xiàn)了現(xiàn)今社會對可持續(xù)發(fā)展意識的增強以及對人類生存環(huán)境的一種關懷。從建筑仿生學的表現(xiàn)及應用上,可分為組織結構仿生、建筑形式仿生及使用功能仿生[3]。與單純把自然界生物或肌理的特征運用在建筑上的形式形象仿生不同,結構功能仿生需要從力學特性、結構關系、材料性能出發(fā),研究自然界物相與建筑結構形態(tài)設計的關系,隨之產(chǎn)生的結構形態(tài)便稱為仿生結構。

仿生結構是自然界演化精髓與先進現(xiàn)代工程技術結合的產(chǎn)物,往往能夠同時具備精巧生動的建筑造型以及高效合理的結構形態(tài)。本工程中大門的結構布置形態(tài)便是借鑒樹葉葉脈的交叉網(wǎng)狀支撐結構,同時從拓撲優(yōu)化的結果也能發(fā)現(xiàn)葉脈型布置形式的力學合理性。

3 結構方案研究

3.1 基于擬吊法的整體結構找形

本工程中建筑的造型初始約束條件為頂部對稱半橄欖形及底部落地圓形柱腳,對大門曲面整體弧度無明確要求,這給予了結構設計足夠的調整空間。結構設計中,使用Grasshopper中的Kangaroo插件利用逆吊法對初始曲面進行找形分析[4-5]。找形前后的曲面造型見圖2,可見找形后的曲面相對于找形前有內收弧度更高的趨勢,且更接近于旋轉拋物線曲面。對比找形前后曲面在自重工況下的彎矩(圖3和表1)可知,找形后曲面最大面外彎矩減少了80%左右,曲面整體面外彎矩下降明顯?？梢哉J為找形后的曲面在自重工況下,整體受力以面內軸力為主,對于單層曲面空間結構為較為合理的曲面形態(tài)。

表1 結構找形前后殼面外彎矩對比

圖2 結構找形示意圖

圖3 結構找形前后殼面外彎矩/(kN·m/m)

3.2 基于拓撲優(yōu)化的桿件布置

在結構整體形狀確定的基礎上,使用ABAQUS軟件的拓撲優(yōu)化分析模塊,利用變密度法對找形后的曲面進行拓撲優(yōu)化,旨在找出在給定約束條件下結構桿件的最優(yōu)分布[6]。有限元分析初始模型見圖4。

圖4 主入口大門結構找形后的有限元分析模型

結合建筑造型需求,以應變能最小為優(yōu)化目標,設定50%的體積優(yōu)化量,鎖定頂部及底部為不優(yōu)化區(qū)域進行優(yōu)化分析。同時,分別使用豎向單位力和Y向給定水平力條件,來模擬自重及風荷載工況的影響,并最終形成了兩種不同的拓撲優(yōu)化布置方案,分別為圖5所示的優(yōu)化方案A和圖6所示的優(yōu)化方案B。可見,自重荷載下的結構拓撲優(yōu)化方案,其結構布置類似于垂直于地面的多個斜柱組合;而風荷載下的結構拓撲優(yōu)化方案,其結構布置接近于斜交網(wǎng)格結構。

圖5 優(yōu)化方案A:自重荷載下結構拓撲優(yōu)化結果/MPa

圖6 優(yōu)化方案B:風荷載下結構拓撲優(yōu)化結果/MPa

分析結果顯示,迭代40次以后,結構形態(tài)基本穩(wěn)定,豎向單位力和Y向給定水平力條件下,最終結構總應變能優(yōu)化為初始模型的約30%,結構效率大幅提高[7]。

3.3 結構方案比選

在上述結構桿件布置拓撲優(yōu)化的基礎上,形成了三種結構布置方案,分別是:方案1——基于優(yōu)化結果B的桿系結構布置、方案2——基于優(yōu)化結果A的桿系結構布置、方案3——基于優(yōu)化結果A的板系結構布置,見圖7。對結構進行Y向風荷載及豎向荷載作用下的計算分析,三個結構方案的典型桿件截面、兩側懸挑桿件豎向最大撓度、頂部桿件最大水平位移、線性穩(wěn)定分析結構屈曲因子[8]及整體用鋼量結果如表2所示。

表2 不同結構方案指標對比

圖7 三種結構布置方案圖

由表2可知,當水平位移指標接近時,三個方案的用鋼量相近,綜合屈曲穩(wěn)定性能、豎向剛度大小和建筑形態(tài),選取了方案1作為主入口大門結構布置的最終方案。

該方案中,結構材料強度為Q355B,其中底部截面為圓管φ600×30,中部截面為圓管φ440×16,頂部截面為圓管φ299×12。

4 結構分析與設計

4.1 風荷載分析

本工程主體結構為復雜異形空間鋼結構,對風荷載較為敏感。由于建筑造型為空間自由曲面,規(guī)范中無相似風荷載體型系數(shù)供參考,同時尚需考慮周邊建筑對本建筑的干擾影響。根據(jù)上述情況,對主入口大門進行了數(shù)值風洞模擬計算,作為主體結構設計時風荷載大小的取值依據(jù)[9]。

CFD數(shù)值模擬采用大型通用計算流體動力學(CFD)軟件Fluent。壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法,控制方程采用分離式方法(Segregated)求解。湍流模型選用Realizablek-ε模型,CFD模型見圖8。通過數(shù)值風洞穩(wěn)態(tài)計算,獲得了主體結構在12個風向角下(圖9)不同高度不同位置的體型系數(shù),并作為主體結構設計時風荷載的取值依據(jù)。50年及10年重現(xiàn)期下,主體結構在不同風向角下的平均風荷載合力如圖10所示,可以發(fā)現(xiàn),X向平均風荷載合力Fx在0°和180°時最大,Y向平均風荷載合力Fy在60°和240°時最大,Z向平均風荷載合力Fz在270°時最大。

圖8 風洞數(shù)值模擬 CFD模型

圖9 風洞試驗角度示意

圖10 風洞試驗結果

4.2 覆蓋膜張力對結構影響分析

與剛性幕墻不同,柔性幕墻需要通過預張拉形成自身剛度。本工程結構設計時,需要考慮膜結構張拉時,在主體結構中產(chǎn)生的初始應力影響。在3D3S軟件中建立主體鋼結構桿單元及膜單元,膜單元布置見圖11,并對膜單元進行張拉找形,得到膜結構預張拉在主體鋼構件中產(chǎn)生的附加應力比最大為0.175。在主體結構承載力復核時,將此應力作為初始應力施加到結構中。

圖11 覆蓋膜沿表皮布置情況

4.3 結構變形與應力

主體結構設計時考慮了恒載、活載、風荷載、溫度荷載、施工荷載、雪荷載及地震作用等工況的組合。列舉了結構自振特性及主要荷載工況下的結構分析結果。

根據(jù)表3所示的結構自振特性結果,本結構Y向剛度較弱,分析中需要重點分析各荷載工況下結構Y向的反應。

表3 結構自振特性

對于承載能力極限狀態(tài),按荷載效應的基本組合或偶然組合進行荷載(效應)組合時,結構重要性系數(shù)可取0.9;根據(jù)既有研究成果[10],進行多遇地震作用下的截面抗震驗算時,丙類結構地震作用折減系數(shù)可取0.65。經(jīng)分析,本項目中風荷載引起的效應遠大于地震作用,因此風荷載起控制作用。

根據(jù)圖12～14分析結果,正常使用荷載組合下,結構豎向撓度為61mm,結構水平位移為76mm;承載能力極限狀態(tài)下,考慮膜結構張拉在主體結構中產(chǎn)生的附加應力比,桿件應力比控制在0.8以內。

圖12 風荷載作用下的結構水平變形/mm

圖13 風荷載作用下的結構豎向變形/mm

圖14 風荷載組合工況下的結構應力比

5 結語

仿生結構不但建筑造型新穎,在結構效率上亦有一定優(yōu)勢。本工程通過找形分析、拓撲優(yōu)化等手段試圖得到一定約束條件下最優(yōu)的結構布置。最終的結構方案亦與葉脈結構形態(tài)相呼應,體現(xiàn)了仿生結構的合理性。本工程從結構仿生概念為起點,對主入口大門進行設計時,研究了異形曲面下風荷載的體型系數(shù)分布,膜結構張拉對主體結構的影響,最終得到了比較合理的結構布置。本工程設計過程中,試圖探索仿生結構的典型設計方法,希望對后續(xù)仿生結構的應用有一點借鑒價值。

目前第十屆中國花卉博覽會主入口大門已經(jīng)向游客開放,成為上海市花博會的標志性形象之一。