1、基于结构约束 探索 不规则网状钢和玻璃外壳形式 Sigrid Adriaenssens, M.ASCE1； Laurent Ney2； Eric Bodarwe3； and Chris Williams4 摘要 :在对 荷兰阿姆斯特丹荷兰海事博物馆 顶部覆盖的 一种高效的结构 形式进行探究的文章中，作者 简要讨论 了作用力对 最早的玻璃屋顶覆盖物 的 影响。在 20世纪末到 21 世纪初 ，外露的 钢骨架玻璃壳设计 慢慢出现。 这些设计 形式在 从雕塑到几何 再向 结构 转变 。 通过 荷兰海事博物馆钢玻璃壳屋顶 的发展，对它的挑战性 设计的 讨论得出了设计者在 基 于一个诗意的几何 思想的基
2、础上，对 寻求有效 的结构链形式 的探索 。 本文提出了一种建筑结构设计方法。这种方法稍微适和用数值模拟方法探索目的是在所有的的三角化、四面性和五面性的网面中实现平面化的结构链模形。 然而， 如何通过分析玻璃面的途径将其很好的解决并呈现给人们为实现平面化向人们提出了挑战 。 对照此 种方法 得到 麦克斯韦 互惠 网络图 。最后，雕琢出的平面 向人们展示了典雅、 耐用。 DOI:10.1061 /(土木 )ae.1943 - 5568.0000074。 2012 美国土木工程师学会。 CE 数据库主题词 :设计 ；钢材 ；玻璃 ；古 迹 ；屋顶 ；荷兰。 关键词 :形状 ；概念设计 ；模型探究
3、；钢玻璃 壳体结构 ；历史 意义的庭院 ；平面化 感官 ；结构 约束 ；麦克斯韦互惠网络。 正文 ： 随着工业革命的兴起 ,玻璃金属结构出现 受 两个因素 支配 : 其一、 在人口过多的城市 , 社会 对 绿色 和 安静的空间的渴望 ；其二、 新的建筑材料 (玻璃和铁 ) 的 出现。 在十 八 世纪初 ,第一温室 装以 玻璃的 屋顶出现 在人们 生活 的 中 。 它 们的 高昂的建设和维护成本 (由于 玻璃和 必 需的 供暖 系统 )让 它 们 成为 精英 阶层的标志 。他们的弯曲形状 (1) 嵴沟连跨 型 例如 , 查特斯沃思庄园 , 英国 (建于 1834 年 ), 与 (2) 拱形 ,
4、例如 , 裘园（伦敦市郊著名植物园） , 英国 (建于 1844 年 ) (Kohlmaier and Von Sartory 1991)允许稀疏的阳光进入 室内并照在 柑橘和柠檬树 上 (因此 ,名称橘园 )。 其他品种的 温室 植物、灌木和奇异的植物也被安置在橘园。 其中 棕榈树 , 扮演着大量的 宗教 色彩 ,是尤其 令人印象深刻的 和有 名的植物 ,从而也 把温室 的形象 进一步 提 升。 十九世纪中期 ， 温室类型学已全面发展，由此便产生了文化室、暖房以及冬景花园 例如 , 皇家温室、拉肯 ,比利时 (建于 1876 年 )现于 Fig. 1 (Woods and Swartz 19
5、88).冬季花园 是本文特别感兴趣的 ,因为它 是 一个社交场合 ，与 一 栋私人豪宅或公共建筑 及其接近 。在十九世纪下半叶 ， 大规模生产的负担得起的铁进一步鼓励 了高层 和大跨度 由钢材 和玻璃 建成的展 厅 的 设计和施工 。大量光线 进入展 览 区 的建筑物 ， 如水晶宫、英国 (建于 1851 年 )(如图所示在 Fig. 1)。其 如网状的钢 结构骨架是预制 的，后来被 拆除 ,从 海德公园 搬运至 伦敦南部 的 西登哈姆。不幸的是 ,它在 1936 年毁于火灾。 19 世纪后半期和 20 世纪早期， 公共建筑物屋顶的设计和施工又经历了一个很大的提升，冬景 花园不再种植植物，而是
6、覆盖在重要的历史公共建筑的庭院上方 例如 , 大英博物馆的大院子 , United Kingdom, 英国 ； 见 Fig. 1； the Deutschen Historischen Museum, and Museum fur Hamburgische Geschichte, 德国 (如期分别在 2001 和 2004 年建成的 Schlaich Bergermann and Partners)； 和 the Smithsonian Institute,Washington, DC (Foster and Partners, and Buro Happold in 2001)。 顶部覆盖玻
7、璃 的单层钢骨架的形状由雕塑、几何、物理以及施工条件等因素共同决定。最近这些结构的重新崛起， 伴随着 由 数字化设计演化 出 的工具 ， 使得设计师能够开发和分析出更多大胆和自由的几何设计。 单层玻璃钢骨架结构 今天的设计师 （有过设计和工程背景） 在设计这些非种植植物的冬季花园 时主要 遵循以下四个因素 : 实施现状 ,建筑美学 ,建筑 几何形状和 建筑物 结构效率等 。 现代冬季花园 在过去的二十年里 , 存在着这样与 历史 有关 的公共建筑 ， 它们已 经能够通过扩展建筑物的中部空间适应 室内 或 室外气候。 那些狭小的建筑物通常利用中部空间提供光亮。 钢 结构 玻璃外壳 为 设计的挑战
8、提供了 唯一 的解决方案。 历史 的 显示，设计师在 研发设计 壳 体结构的过程中往往会受到 一系列约束 条件 的 限制 。 其限制条件通常包括高度的限制以及强加于现有建筑物 ,尤其是水平方向，最大负荷的限制。 大英博物馆法院屋顶是滑动轴承支撑 ,这样 就 没有水平推力落在历史博物馆的砌体墙 上 (威廉姆斯 2001)。 回顾最近的设计我们就会意识到，推动钢结构玻璃壳结构设计的因素主要是建筑形态美学而非结构的性能。 建筑美学 利用 可 用几何数字建模工具 ， 更多的建筑师 通过把他们的工作建立在审美(通常是主观的 )条件上来实现结构的布景效果。 它们的 结构 设计 主要取决于 结构形式 的创
9、新 ,而 非结构 的 重力 荷 载 条件 。 因 此， 这 种 特殊的设计方法 可以解决结构 缺乏结构效率 的问题 。 不幸的是 , 这种 结构解决方案 通常 必须 使用一些笨拙的、重要的材料来构造 这 些 建筑 形 态。这些自由延伸的构造会在建筑物产生不利的内力，也会在建筑物的表面造成无法预料的其它不利力的影响。 这些形状依靠弯曲 支撑受力 -最有效的基本负荷的方法。 然而， 设计师往往忽略 这样 一个事实 ,即 建筑物 自由 的结构 形式由传统的 建筑和结构方式 构造产生 。弗兰克盖里 ,普利兹克奖建筑师 , 促进 了 这 种 建筑 设计进 程 , 他传 达 过这种建筑设计 的 想法而没有
10、过这种建筑设计 (Shelden2002)。一个合理 化 的设计， 在初步设计阶段 ，需要超越传统布局经验 而且要以结构的完整性设计为中心 (Leach et al . 2004)。 形成一个 初 步的建筑 结构 形态 需要一个强大的工程师和承包商团队。 例如 , Nuovo Polo Fiera Milano, 意大利 (建于 2004 年 ) (Guillaume et al. 2005) 的屋顶壳体设计概念 是 由建筑师马希米 亚诺 福克萨斯 ,然后交给 结构 工程师和承包商 Mero TSK 集团解决 结构 上 和 构造上的关系后确定的 (见图 2) (Basso et al. 2009)。 几何造型 几何 学 是一 种 工具 , 古代建筑模型的构造就 已经使用。 当然，这也 一直 受到立体 解析几何和设计者想象力 强加的 规则 的 限制。 几个世纪以来 ,建筑学已经能
