第十届中国花卉博览会主入口大门仿生结构设计与研究

刘桂然, 张西辰, 王月茹

(上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概况

本工程是2021年第十届花卉博览会的入口建筑,位于上海市崇明区东平镇花博园东入口处。整体造型为两棵枝繁叶茂的大树(图1),高度约20m,平面尺寸约为40m×100m。

图1 建筑实景图

结构形式采用仿生钢结构+柔性幕墙;其中主体结构为仿生钢结构,采用复杂空间异形钢结构体系,承担建筑的竖向及水平荷载,提供整体竖向及抗侧刚度,同时考虑柔性幕墙找形后对主体结构产生的附加应力;柔性幕墙采用膜结构体系,张拉成型,为不承担主体结构荷载的装饰性结构。

本工程属于临时建筑,设计使用年限为5年,建筑结构的安全等级为三级,抗震设防烈度为7度(0.1g),抗震设防类别为丙类, 场地类别为上海Ⅲ类[1],基本风压为0.40kN/m2,基本雪压为0.10kN/m2,温度荷载按±30℃考虑[2]。

2 仿生结构特点

建筑仿生是目前建筑设计手法中的一股新潮流,体现了现今社会对可持续发展意识的增强以及对人类生存环境的一种关怀。从建筑仿生学的表现及应用上,可分为组织结构仿生、建筑形式仿生及使用功能仿生[3]。与单纯把自然界生物或肌理的特征运用在建筑上的形式形象仿生不同,结构功能仿生需要从力学特性、结构关系、材料性能出发,研究自然界物相与建筑结构形态设计的关系,随之产生的结构形态便称为仿生结构。

仿生结构是自然界演化精髓与先进现代工程技术结合的产物,往往能够同时具备精巧生动的建筑造型以及高效合理的结构形态。本工程中大门的结构布置形态便是借鉴树叶叶脉的交叉网状支撑结构,同时从拓扑优化的结果也能发现叶脉型布置形式的力学合理性。

3 结构方案研究

3.1 基于拟吊法的整体结构找形

本工程中建筑的造型初始约束条件为顶部对称半橄榄形及底部落地圆形柱脚,对大门曲面整体弧度无明确要求,这给予了结构设计足够的调整空间。结构设计中,使用Grasshopper中的Kangaroo插件利用逆吊法对初始曲面进行找形分析[4-5]。找形前后的曲面造型见图2,可见找形后的曲面相对于找形前有内收弧度更高的趋势,且更接近于旋转抛物线曲面。对比找形前后曲面在自重工况下的弯矩(图3和表1)可知,找形后曲面最大面外弯矩减少了80%左右,曲面整体面外弯矩下降明显。可以认为找形后的曲面在自重工况下,整体受力以面内轴力为主,对于单层曲面空间结构为较为合理的曲面形态。

表1 结构找形前后壳面外弯矩对比

图2 结构找形示意图

图3 结构找形前后壳面外弯矩/(kN·m/m)

3.2 基于拓扑优化的杆件布置

在结构整体形状确定的基础上,使用ABAQUS软件的拓扑优化分析模块,利用变密度法对找形后的曲面进行拓扑优化,旨在找出在给定约束条件下结构杆件的最优分布[6]。有限元分析初始模型见图4。

图4 主入口大门结构找形后的有限元分析模型

结合建筑造型需求,以应变能最小为优化目标,设定50%的体积优化量,锁定顶部及底部为不优化区域进行优化分析。同时,分别使用竖向单位力和Y向给定水平力条件,来模拟自重及风荷载工况的影响,并最终形成了两种不同的拓扑优化布置方案,分别为图5所示的优化方案A和图6所示的优化方案B。可见,自重荷载下的结构拓扑优化方案,其结构布置类似于垂直于地面的多个斜柱组合;而风荷载下的结构拓扑优化方案,其结构布置接近于斜交网格结构。

图5 优化方案A:自重荷载下结构拓扑优化结果/MPa

图6 优化方案B:风荷载下结构拓扑优化结果/MPa

分析结果显示,迭代40次以后,结构形态基本稳定,竖向单位力和Y向给定水平力条件下,最终结构总应变能优化为初始模型的约30%,结构效率大幅提高[7]。

3.3 结构方案比选

在上述结构杆件布置拓扑优化的基础上,形成了三种结构布置方案,分别是:方案1——基于优化结果B的杆系结构布置、方案2——基于优化结果A的杆系结构布置、方案3——基于优化结果A的板系结构布置,见图7。对结构进行Y向风荷载及竖向荷载作用下的计算分析,三个结构方案的典型杆件截面、两侧悬挑杆件竖向最大挠度、顶部杆件最大水平位移、线性稳定分析结构屈曲因子[8]及整体用钢量结果如表2所示。

表2 不同结构方案指标对比

图7 三种结构布置方案图

由表2可知,当水平位移指标接近时,三个方案的用钢量相近,综合屈曲稳定性能、竖向刚度大小和建筑形态,选取了方案1作为主入口大门结构布置的最终方案。

该方案中,结构材料强度为Q355B,其中底部截面为圆管φ600×30,中部截面为圆管φ440×16,顶部截面为圆管φ299×12。

4 结构分析与设计

4.1 风荷载分析

本工程主体结构为复杂异形空间钢结构,对风荷载较为敏感。由于建筑造型为空间自由曲面,规范中无相似风荷载体型系数供参考,同时尚需考虑周边建筑对本建筑的干扰影响。根据上述情况,对主入口大门进行了数值风洞模拟计算,作为主体结构设计时风荷载大小的取值依据[9]。

CFD数值模拟采用大型通用计算流体动力学(CFD)软件Fluent。压力和速度的耦合采用SIMPLE算法,控制方程采用分离式方法(Segregated)求解。湍流模型选用Realizablek-ε模型,CFD模型见图8。通过数值风洞稳态计算,获得了主体结构在12个风向角下(图9)不同高度不同位置的体型系数,并作为主体结构设计时风荷载的取值依据。50年及10年重现期下,主体结构在不同风向角下的平均风荷载合力如图10所示,可以发现,X向平均风荷载合力Fx在0°和180°时最大,Y向平均风荷载合力Fy在60°和240°时最大,Z向平均风荷载合力Fz在270°时最大。

图8 风洞数值模拟 CFD模型

图9 风洞试验角度示意

图10 风洞试验结果

4.2 覆盖膜张力对结构影响分析

与刚性幕墙不同,柔性幕墙需要通过预张拉形成自身刚度。本工程结构设计时,需要考虑膜结构张拉时,在主体结构中产生的初始应力影响。在3D3S软件中建立主体钢结构杆单元及膜单元,膜单元布置见图11,并对膜单元进行张拉找形,得到膜结构预张拉在主体钢构件中产生的附加应力比最大为0.175。在主体结构承载力复核时,将此应力作为初始应力施加到结构中。

图11 覆盖膜沿表皮布置情况

4.3 结构变形与应力

主体结构设计时考虑了恒载、活载、风荷载、温度荷载、施工荷载、雪荷载及地震作用等工况的组合。列举了结构自振特性及主要荷载工况下的结构分析结果。

根据表3所示的结构自振特性结果,本结构Y向刚度较弱,分析中需要重点分析各荷载工况下结构Y向的反应。

表3 结构自振特性

对于承载能力极限状态,按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载(效应)组合时,结构重要性系数可取0.9;根据既有研究成果[10],进行多遇地震作用下的截面抗震验算时,丙类结构地震作用折减系数可取0.65。经分析,本项目中风荷载引起的效应远大于地震作用,因此风荷载起控制作用。

根据图12～14分析结果,正常使用荷载组合下,结构竖向挠度为61mm,结构水平位移为76mm;承载能力极限状态下,考虑膜结构张拉在主体结构中产生的附加应力比,杆件应力比控制在0.8以内。

图12 风荷载作用下的结构水平变形/mm

图13 风荷载作用下的结构竖向变形/mm

图14 风荷载组合工况下的结构应力比

5 结语

仿生结构不但建筑造型新颖,在结构效率上亦有一定优势。本工程通过找形分析、拓扑优化等手段试图得到一定约束条件下最优的结构布置。最终的结构方案亦与叶脉结构形态相呼应,体现了仿生结构的合理性。本工程从结构仿生概念为起点,对主入口大门进行设计时,研究了异形曲面下风荷载的体型系数分布,膜结构张拉对主体结构的影响,最终得到了比较合理的结构布置。本工程设计过程中,试图探索仿生结构的典型设计方法,希望对后续仿生结构的应用有一点借鉴价值。

目前第十届中国花卉博览会主入口大门已经向游客开放,成为上海市花博会的标志性形象之一。