鱼腹式桁架应用案例——美国旧金山国际机场赏析
旧金山国际机场作为建筑与结构完美结合的典范,备受好评。建筑面积16.7万平米,总高44米,共5层,于1996年开建,2000年完工。主屋面由5榀桁架支承,间隔12米。每榀桁架由三部分构成,包括两组平衡悬臂的平面鱼腹式桁架和跨中的倒三角形空间鱼腹式桁架,跨中桁架与两端桁架铰接,三部分形成翼状的连续结构。连续桁架中间部分的跨度为116米,两端悬挑49米,总长262米。桁架高8.2米,宽10.7米,由直径305~508mm的钢管组成,每榀重140吨。桁架采用相贯焊节点,通过球形支座坐落在20根箱型钢管混凝土柱。为了获得美观性和经济性的最佳结合,设计师在整个设计过程中,一直在对桁架的美感、外形、比例进行持续的优化。整体结构采用基础隔震技术,在柱底采用摩擦摆隔震支座,确保能抵御1000年一遇的地震。
(a)
图2 旧金山国际机场内部
如图1所示,支承屋面的每榀连续桁架结构由4根柱支承,桁架外形与均布荷载作用下结构的弯矩图基本相似。跨中的倒三角形空间鱼腹式桁架的支点对应结构弯矩图的零点,其外形与弯矩图的外形完全吻合,因此桁架的交叉斜腹杆(采用索)仅用于保证桁架在非均布荷载作用下的稳定。两端的平衡悬臂桁架为平面结构,外形与弯矩图稍有差异,桁架斜腹杆将承担部分轴力,压杆采用刚性杆,拉杆采用索;由于桁架下弦受压,因此在每个节间的节点处均设置了与屋面相连的拉索,保证下弦杆在轴心压力作用下的稳定,如图2。
通常,对于单向受力体系,平面桁架更加节省材料,尤其是用于建筑内部,且楼面系统能在桁架侧向提供有效的约束;对于二维受力体系或孤立的桁架(上弦自由,没有侧向支承),三维桁架更为有效[1]。因此,个人认为,结构跨中部分之所以采用三维桁架或者说空间桁架,是为了结合空间桁架的造型,设置采光带,从图中可见,鱼腹形的采光带非常漂亮。桁架空腔内设置的膜一方面可以使阳光散射入室内,避免直射,另一方面,也遮挡了两道桁架上弦杆之间的联系杆,具有良好的视觉效果,这也是最初吸引我的地方。我们试着生成本项目中应用的空间鱼腹式桁架:①利用AutoCAD软件绘制平面鱼腹式桁架,要求桁架长度116米,高度8.2米;②将平面桁架导入Rhino软件,沿平面桁架上弦生成曲面(相当于建筑屋面),如图(a);③过平面桁架的两个端点,根据所需空间桁架的角度,生成斜平面,进一步生成斜平面与曲面的交线,如图(b),此即空间桁架的一条上弦,通过镜像可以得到另外一条上弦;④连接相应节点,生成桁架的腹杆,得到完整的空间桁架。
(c)桁架空间视图
(d)右视图
(e)前视图
(f)俯视图
图3
空间鱼腹式桁架的生成过程
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参考文献:
[1] Schodek D L. Structures[M]. Englewood Cliffs, NJ:
Prentice-Hall, 2013.
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