• 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的ETFE氣枕式膜結構體系已經催生出一系列結構領域的創新。1995年在英國伊斯特利竣工的漢普郡網球俱樂B(Hampshire Tennis and Health Club atEastleigh),采用的便是以索網支撐ETFE氣枕構成的單向索網結構。這座造型優美的健身俱樂部建筑面積為6000m2,可容納10座網球場。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18m,通過鉗制方式與鋼索連接,風沿氣枕表面流動,具有良好的散熱作用。作為平行鋼索間的連接構件,ETFE膜面上發生的阻尼振動將對穩定整個結構起到關鍵性作用,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
    作用的同時也在垂直于鋼索的方向上起傳遞荷載的作用。最終使整個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氣枕和索網結構相互依存的共生關系充分展現出來。設計的挑戰在于基地位于羅塞藍廢棄的鋼鐵廠內,博物館是以工業時期的概況和鋼材生產的基本原料作為展示重點。在400m長、35m高的工業廠房內分別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,但為了滿足預應力的要求,鋼架最終被更為輕巧的懸索取代。整個展館長44m,截面直徑由中部最大的16.7m逐漸降低至端頭的5m。兩個由114mm直徑鋼管圍合的橢圓形支撐環通過斜向支撐固定在展館兩端。在兩個支撐環之間,是11個縱向排列的ETFE充氣氣枕,其最大寬度為4.8m,長度覆蓋整個結構體。氣枕間的銜接體
    每隔6.1m便設置一處連接點與外部索網相連,再通過索網與原有鋼結構連接。漢普郡網球俱樂部采用的懸索結構是通過鋼桅桿提供預應力,氣枕形狀的改變不會對懸索產生影響。與網球俱樂部不同,當展館上的氣枕充氣后,氣枕將呈現出圓柱形空間形態。氣枕在受制于外部索網限定的同時,也反作用于外部索網。通過力的直接傳遞,索網與氣枕間形成了共生般的協作關系。
        展館利用輕質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,外觀在與主題契合的同時,也將空氣作為結構體的潛能展現出來。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吉祥的代表,我會選擇……那些帶領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多人會認為,充滿活力的時代應該到處充斥著侵略性的噪聲與轟鳴聲,可在我看來,那就像一輛生銹的破車在駛向墓地,已經到了垂死的邊緣在法蘭克福巴塞爾人廣場上的卵形建筑+(Oval at Baseler Platz in Frankfurt)拉壓桿件和ETFE氣枕被用來建造庭院頂棚。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及辦公區提供了可供休閑的中央庭院,同時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,平緩的坡面并非是出于外觀的考慮,而是為了避免氣枕在泄氣后產生積水。通過下弦桿件的張拉,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。來自上弦的水平荷載通過索網與鉸節點傳遞到環梁上,以保證在風、雪荷載的作用下,頂棚仍能持平。環形鋼梁將荷載最終傳遞至下部支撐結構體中。當產生使頂棚向上隆起的風吸力時,上弦桿件將受拉,受力角色由壓桿轉變為鋼索受拉。在雪荷載作用下,它又將進入受壓狀態同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,經空間找形過程而呈現形態各異的幾何體。
        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行。通過在倉筒上部加建ETFE氣枕頂棚,整個谷倉中部被改造成巨大的入口門廳,垂直交通與服務設施被安置其中。每個中庭頂棚形狀都是取自球面體的一個橫切面,支撐桁架并非平行排布,而是以球心為中點向外發散。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,充氣氣枕取代垂直于桁架的索網的作用,防止上弦桿件發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( Meiderich Theater in Duisburg),在該項目中創造性地引入大型可伸縮結構。該項目于2003年竣工,坐落于200hm2的公園場地內,同馬格納工程一樣,它將一座廢棄的煉鐵廠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,頂棚同時也兼顧以下三方面的考慮:冬季,通過關閉頂棚,觀眾座席及由鍛造車間庫房改造而成的演職員房均可變為室內;為了適應原煉鐵廠遺留的管道布局,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,另外,氣枕還對改善空間聲學具有良好效能。由于頂棚高度透明,人們坐在劇場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設施的歷史價值。



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