Tag: 結構系統

目前世界上越來越多的結構採用消能減震或基礎隔震技術進行耐震抗風設計，採用這些技術的大樓也經歷了不同颱風考驗和大地震考驗，本篇主要介紹高層建築中採用阻尼器抗風應用實例。

桁架的英文truss源自約1200年前的古法文trousse，意思是「許多連結在一起東西的集合」。現今，桁架結構已經發展起多種多樣的形式，不僅侷限於屋架，在一些大跨度結構、高層建築、橋樑中都有非常廣泛的應用。

2019年3月31日正式對外開放丹麥的營地探險是一個無障礙的45m高的樹梢觀景塔，由丹麥建築工作室EFFEKT設計，ARUP奧雅納提供結構、岩土、高科技分析、數位化、BIM等專業設計和服務。

一、前言 鋼結構在鋼材開始成為重要建築材料以來，就在湧現出來不少經典外露鋼結構案例，包括建築、橋樑，最典型有埃菲爾鐵塔。而埃菲爾設計另一地標性項目紐約自由女神像，雖然也採用鋼結構，卻不是外露結構。70年代興起的建築「高技派」強調結構與建築的融合，以及對結構表達更多的關注，出現一批高技派建築大師及其代表作，例如倫佐‧皮亞諾（Renzo Piano）和英國的理查德‧羅傑斯（Richard Rogers）設計的喬治‧蓬皮杜國家藝術文化中心；有些高技建築代表作具有很強的結構美學外露特徵，如Santiago Calatrava設計。   ©matteobenedetti 此外外立面幕牆、天幕等通透建築大量採用，一些新穎支撐體系也促進外露鋼結構發展。這些建築進一步探索和發揮鋼結構連接件作為細部裝飾美學要求。 二、什麼是建築外露鋼結構？ 1、建築上暴露的結構鋼（AESS）是必須滿足兩個要求： 1）必須設計成在結構上足以滿足建築物，頂篷或輔助結構的主要需求， 2）同時又要暴露在外，構成了建築物建築語言的重要組成部分。 建築外露的結構鋼（AESS）將美學重點放在建築物的結構完整性上。 這些標誌性結構可能產生驚人的視覺衝擊，因為鋼的形狀，錐形形狀，曲線，顏色和表面處理幾乎是無限的。 當結構細節作為建築美學重要一環時，無論設計還是製造商都需要為之付出巨大的努力，可是很多時候，最終交付的產品事與願違。當掀起她的蓋頭來，為什麼會是這個效果： © Photo courtesy of AISC © Ron Blunt   很多情況下，我們可能會埋怨鋼構加工單位、安裝單位的不用心或者低價或者因為工期緊，其實不盡然! 今天這篇文章我們就談一談如何實現外露鋼結構的美學效果。            三、協調、協調、協調——多專業協調是關鍵  如果追根朔源，最主要的原因是建築師、結構工程師、製造商之間協調嚴重脫機，建築師對這些外露鋼結構美學意圖，在圖紙/合同上沒有明確要求！只要在建築師，工程師和製造商之間保持清晰的意圖溝通，交付一個成功的AESS結構並不困難。與常規結構鋼結構相比，AESS對節點形式、製造，安裝和塗層的形狀，配合和表面處理有更高的要求。在整個開發過程中必須考慮這些因素。因此，建築師在與工程師和製造商之間的相互溝通就變得至關重要，同時也影響了製作安裝的成本。這種溝通已經不是傳統由建築師—結構工程師—承包商線性漸進方式，而是必須採用交互式設計協調方式,也就是設計—建造一體化設計。 從線性協調到交互式設計—建造一體化設計協調 這些協調主要包括如下內容以及建築可接受外觀要求： 構件可見程度 可視距離 位置 燈光效果 塗料 風格 鄰接 上述考慮AESS協調的要點該從哪裡開始呢？從規範開始吧 四、規範和設計的要求 1、規範/設計標準 目前國內有關鋼結構設計、施工規範尚無具體建築外露鋼結構的具體規定，國際上美國、澳洲有相應的規定和技術要求。 美標AISC-303-2016 Codeof Standard Practice for Steel Buildings and Bridges第10章規範規定了外露建築鋼結構的一般規定、加工、材料的提交、安裝具體要求。   2、AESS分類 AESS通常根據視覺呈現距離以及對外觀效果的「苛刻」程度，分為如下5個級別： AESS 1: Basic...

桃園停車場崩塌案，在此複習一下無梁板構造的結構行為（詳細內容可參考拙著「建築結構系統」一書） 1、一般構架(f...

司化成工業築波技術中心（TSUKUBA TECHNICAL CENTER）位於市郊，是進行包裝材料等製造和銷售公司的單層木構造辦公建築。 建築主體平面是18.4公尺×18.4公尺的正方形，高度約為4公尺，考慮到貨運卡車頻繁出入的因素，將鋼結構柱從地面整體抬升1.2公尺，而地板以下則是留給設備的開放式空間。 建築內部中央 10.4公尺×10.4公尺的辦公區域，在其外圈是寬度為4m的獨立空間，外立面的開口和牆壁交錯排布，在欣賞建築周邊風景的同時，有效保護了辦公區域的隱秘性。屋頂的木結構材料，既不是原木也不是膠合木，而是採用以構造用合板（層壓板）為主材的互承結構格子梁，以實現最大跨度10.4公尺×10.4公尺的無柱空間，同時，自然光可以通過屋頂互承結構之間的空隙直接照進室內。     圖 2　建築剖面圖 圖 3　建築平面圖 圖 4　開口與牆壁交錯分佈的建築外立面（攝影：井上玄） 構造用合板的特徵和研究 日本的木結構建築一般是用原木材或者膠合木材等作為主要承重結構，而「構造用合板」（層壓板）主要是作為屋頂貼面、地板、牆壁等具有力學特性的 面板結構部件來使用。也就是說，承重結構是主角，面板材料是輔助材料。近年來，新型木材製成的面板材料CLT的應用已經比較成熟，但還沒有達到全國性的普及。那麼，如果不用傳統的木材，能否以面板材料作為主要的承重結構，如用「構造用合板」來支撐起整個屋頂呢？本案的設計工作就是由建築師和結構工程師一同從這個問題開始進行的。 此建築運用的構造用合板（以下簡稱合板）是由較薄的單板（Venner）在纖維方向上正交、交疊後擠壓定型而成，因此成品具有薄、板面較寬且較短的幾何特徵，同時屈曲強度較低，但抗剪性較高。因此，如果垂直佈置合板將其設置為梁構件，可以充分發揮其力學性能並滿足設計要求，但是材料的長度不足（每塊板長約1.8～3m）以及平面外穩定性成為了新的問題。 互承結構的使用 類似本案的正方形建築的設計過程中，通常會把屋頂的豎向荷載均勻地分佈在X、Y軸兩個方向上，使整個結構體系都參與進來，荷載會同時向兩個方向傳遞，同時兩個方向的梁也會相互輔助降低屈曲長度。但是，木結構的互承式格子梁很難像鋼結構和混凝土結構那樣，在同一個節點上交叉、連續，而往往要將X、Y兩個方向的梁水平錯開，因此垂直放置的合板所組成的互承結構需要在高度上滿足合板的尺寸需求。另外，如果X、Y方向的梁級有很大區別的話，就無法有效地滿足平面外穩定性，因此需要設計與X、Y方向梁級相同的互承格子梁。 為瞭解決上述合板材料特性和格子梁的問題，提出了互承結構的初步設想。本案中的互承結構非常適用於長度有限的合板，也適合將荷載均勻傳遞至多個不同的方向，因此合板組成的互承式格子梁結構成為本案的最佳結構體系。另外，還可以通過縮小互承結構格子單元的間距來有效抑制屈曲。 雖然合板有很多種不同的尺寸和規格，但是最常見、流通最廣泛的合板厚度通常為12mm，考慮到梁結構的分佈和跨度等因素，因此將5塊尺寸為1 200mm×2 400mm的合板用粘合劑膠合成厚度為60mm的板材，作為一個結構單元來使用。本案互承結構梁的位置是不規則的，通過將T形結構單元網狀相連，最終構成互承結構的格子梁。 對整體互承結構格子梁進行應力分析，由於局部的應力差異較大，設計根據各梁單元的應力情況對梁截面進行優化調整，旨在控制成本和減弱室內空間的變化（圖7~9）。 圖 7　互承結構格子梁計算模型 圖 8　格子梁剪力應力圖 圖 9　按實際應力設計的梁截面 節點細部的探討 互承結構直接使用合板，通過格子梁的間隙可以直接看到整個屋頂結構，而這也成為接下來設計中最艱難的課題：梁單元之間的接合方法。梁單元的節點為T形，由於梁材厚度為60mm，如果使用傳統木結構建築中常用的榫卯節點，會使梁的缺損比例變大。由於互承結構本身就是荷載循環式傳遞的結構體系，所以儘量不要採用將一個構件插入另一個構件之中的組裝方式，只能將構件滑動到垂直方向並依次組裝。我們也討論過將構件滑動到T形位置後從節點的背面用螺釘或者楔子等打進去的方法，但是由於其強度無法預估而放棄了在合板的多層木板之間打入螺釘的想法。 圖 10　T 形結構單元節點細部 通過以上的思考討論，最終採用釘子和螺釘把合板正交固定的有效方法：在梁構件板材的兩端留出固定一條小截面木材的空間，在5片膠合合板中，只延長最邊緣兩片合板至T形互承結構單元的另一構件表面（圖10）。在T形互承結構的另一構件側面，固定一條小截面木材，其大小正好可以且完全置於另一合板一端事先預留的卡槽空中，T形單元節點的接合方式則使用傳統木結構牆壁（耐力壁）的接合方法。安裝時可以將一塊合板構件滑動至預定安裝位的正上方，垂直落下並連接，所以施工方法也變得簡單，因此確定將這種接合方法作為最終的連接細部做法（圖11，12）。 圖 11　互承結構格子梁施工現場 圖 12　施工時，需將構件移動至預定安裝位的正上方垂直落下 牆壁和立柱的結構 設計中，對互承結構傳遞豎直和水平荷載的支撐結構也進行了分析討論。立柱和牆壁的設置需要適應辦公空間，辦公室內的剪力牆長度很短，而基礎比主體結構整體向內縮進600mm， 地板以下的空間為開放空間，幾乎沒有預設剪力牆。同時建築外牆與玻璃交叉分佈，開口較多，很難設置剪力牆。因此，與建築師商討後，在室內辦公空間的外圈設置米字旗狀（卍）的木結構剪力牆來承載大部分垂直方向和水平方向的荷載。 決定外牆部分結構的主要因素並非來自屋頂的垂直荷載，而是建築外牆所受的水平荷載。外牆玻璃與實牆部分的排列類似於國際象棋的黑白格分佈（市松狀），上方開口，下方是牆壁的部分，立柱通高，截面為60mm×150mm，間距800mm。而在上方牆壁、下方開口的部分，因開口是過道而不能設置立柱。因此，在開口和牆壁的邊緣部分高度為2m處設置橫樑，將120mm×240mm截面木材橫向放置，端部設置與橫樑同一截面尺寸的木結構立柱。立柱通高，側面與互承結構的梁構件單元相連。 圖 13　合板梁與外側立柱節點（攝影：井上玄） 如上所述，根據辦公空間的設置，在其外圈的獨立房間區域設置「卍」狀的木結構剪力牆，建築最外側則設置了較為纖細的獨立立柱的結構體系，實現了內部空間的靈活自由以及外部空間的開放通透。 圖 14　整體結構爆炸圖 地板下的結構 整體抬高架空的基礎結構，支撐豎向荷載以及前文提到的「卍」狀剪力牆和外圈立柱，最理想的狀態是與上部結構一樣使用木結構。但是一般情況下，木結構基礎是設置在混凝土基礎之上的，但本案需要把一層架空作為設備預留空間使用，需要儘可能預留地板下空間，因此放棄了混凝土基礎的設計思路，轉而使用鋼結構來完成「懸浮盒子」的設計。 結語 整個建築考慮到扭轉等不利工況，按照豎直和水平力最不利工況佈置剪力牆，在剪力牆下方佈置「口」字形基礎，同於預埋方鋼管150mm×150mm×6mm作為柱腳固定的基礎結構。外圈的支撐結構本來是考慮直接佈置在外牆立柱正下方，但是如前所述，基礎結構從上部建築外牆起整體向內縮進600mm，在相應位置設置圓形鋼管（101.6mm×5mm），同時設置混凝土獨立基礎支撐（圖15）。 作品資訊 建築名稱：司化成技術中心 建設地點：日本茨城縣築波市 建築設計：吉松秀樹＋ Archipro 結構設計：山田憲明構造設計事務所 Yamada Noriaki...

提到「梁」，人們的第一印象就是一條直線，A到B的過程，從祖先的一根過河獨木，到現在的跨海大橋，AB之間的距離越來越大，工程師的一生，或許就是與「跨越」糾纏的一生。 總的而言，跨越有兩種方法，第一種就是依靠結構的形態去承載，上凸形成壓力結構，下凹形成拉力結構，好比人們做伏地挺身時，你的身體就是一根簡支梁，當你懷疑人生時不妨弓弓背或者索性肚皮貼地，此時你便輕鬆許多。 但很多時候，空間、支撐條件的限制以及教練的眼神讓人們只能平直的死撐，這時候，對於一根梁而言，下部拉伸、上部壓縮，中部不怎麼拉壓偷懶的材料，只會增加結構的負擔，不要也罷。 所以跨度越大，越需要把材料集中在外側，中間掏空形成桁架、張弦梁等拉壓組合結構。 對於中小尺度，為實現跨越，一般採用增加剖面深度，改變剖面形式的方法，其操作空間相對更大，同時帶來不同的空間體驗。下面嘗試按照不同材料的邏輯和大家簡單聊聊中小尺度（約20m以內）下樑形式的一些可能變化。 混凝土梁 對於平面比較規整的建築，可採用預鑄混凝土梁，細部的處理也會讓人眼前一亮，東京工業大學生命科學研究院就是一個不錯的例子，整個樓為清水混凝土構造。 小梁採用預鑄T型簡支梁，兩肋組成一個單元，端部局部放坡增加截面的抗剪能力，與主框架樑脫開營造了一種天然吊頂的既視感。 學校內圖書館地下為書庫和閱覽室，採用預鑄組裝式混凝土梁板，梁深800mm，實現了閱覽室的大空間。 預鑄梁截面呈特殊的S形狀，開槽與設備管線、燈光照明相互結合，實現室內無天花板的簡潔效果。 所以在人工薪資較高的地方，又想追求一些建築效果，預鑄次結構是個不錯的選擇，但有時候業主有錢任性，怎麼貴怎麼酷炫怎麼來，比如下面這個豪宅。 Hemeroscopium House座落於馬德里，住宅總樓地板面積400平方公尺，於2008年完工，工期僅有7天，主要構件均工廠預鑄、現場組裝。 作為住宅，Hemeroscopium House構件尺度相當大（高度約2.5m~3m），進而將層高消化在梁高範圍內，除V型柱和部分桁架為鋼結構外，其餘均為預鑄混凝土構件，截面為工字型以及槽型。 此時這些預鑄構件既是梁又是柱，最終竣工時候頂部壓了一個20噸重的花崗岩作為配重，難以想像地震或遭受橫向載重時的場景，可能結構技師已經模擬過這些場景才會如此進行。 對於現場澆置混凝土梁而言，常見形態有矩形、倒梯形，梁的高度通常為跨度的1/8~1/12左右，在一些展覽館等高層高空間中，有秩序的大梁結合側窗和天窗，帶來漫反射的光影變化。 矩形梁底凹槽可內嵌一些燈帶，同時視覺上也會感覺梁比較纖細，亦可作為吊頂。 對於變截面梁，結合彎矩的變化，有時候可以嘗試「卡拉特拉瓦式」的風格，整個結構的動感呼之慾出，但這種做法比較適合規則的平面，否則模板工程的量也是巨大的。 當梁從單向過渡到交叉網格形成格子梁（華夫板），可以得到菱格紋或者井字的平面，梁的傳力也從單向到雙向， 梁的尺寸也可以適當的減小。 Sheats House - John Lautner     鋼梁 相較於混凝土梁，鋼結構梁的尺寸可以說小一圈，常規截面高度為跨度的1/15~1/20左右。 由於鋼材加工以及成型工藝比較方便，截面形式的選擇也多種多樣，單一的多邊形，組合截面，立面上也可依據彎矩需求改變截面高度。 對於一些雨棚等承受輕質荷載的結構，鋼片梁是個不錯的選擇。 對原有鋼梁進行幾何切割，錯位銲接後便形成了蜂窩梁，不同的切割方法帶來不一樣的韻律，還是原來的材料，局部掏空中部效率低的材料，轉化為截面高度，既提高了抗彎能力又方便了機電管線的穿過。但由於削弱了腹板，其穩定性值得關注。 Renzo Piano 設計的金貝爾美術增建，將鋼梁一分二，中間採用繫桿連接，與柱子的關係也不同於常規的平接，格構化的構建思路使整個建築看上去十分的輕質。 結合結構的受力特性，鋼梁截面高度的變化以及外露的接點，一般人看到都會感受到結構之美。 木樑 梁起源於木，古時候人們採用原木，現在大多都是集成木材，原木乾燥後的收縮率約為3%，現代木結構大多採用現代工藝加工的規格材和工程木材料，比如膠合木，CLT交錯層積材等。這些材料的強度、耐久性、穩定性、環保性、經濟性都要遠遠好於一般木材。 木樑的形式大多為單梁或者雙梁並聯的組合形式，可在雙梁之間設置一些燈槽等裝置，平面上也可採用不同形式的編織提案。 妹島和世設計的鬼石多目演藝廳採用當地的杉木，吊頂包平，只露出270的高度，看上去木樑只是裝飾，其實截面由端部到跨中不斷加大，符合簡支梁的彎矩變化。 由於木材不能像鋼構那樣銲接或者混凝土那樣整體澆置在一起，所以接頭基本都為鉸接，令人心動的一個當代木構必屬蘇黎世的Tamedia辦公大樓（Tamedia Office Building, Zurich /2013），由日本建築師阪茂（Shigeru Ban）設計，接頭不依靠金屬部件，而完全用木栓來銜接木樑和其他木結構。 為了建造Tamedia大樓，結構工程師首先對房屋架構中所要使用的木材進行了必要厚度的計算。然後在此基礎之上又多加了4公分，以備萬一發生火災時，來保護木材內層。 現在大部分木結構接合部多採用鋼構接頭，利用鋼的可塑性與強度，在木結構的接點處發揮點睛之筆。 木構造特性 由於木材無明顯之降伏點，伸長量亦小，意謂著木材至破壞為止能吸收之能量較少，有可能發生脆性破壞；木構造有接合部存在，此接合部除利用膠合者外，以其他接合扣件接合者，或多或少均會變形（變位或滑動）。 使用此類非韌性材料所建造之結構體，係利用接合部之變形以獲得一些韌性；若接合部能選用初期剛性高，且會發生降伏變形之接合方法時，構造體變成可吸收非常大能量（能量在接合部被吸收）之韌性構造體。     玻璃梁 一說到玻璃，人們第一反應就是「脆」，沒有延性，對邊界條件比較敏感。先看一組玻璃和鋼材的數據比較，基本的力學性能都打了三折。所以目前而言玻璃這種材料是不大適合做結構的，但，誰讓他好看呢，所以用到玻璃都是靜定結構，設計也增大安全冗餘度。 為了追求極致的通透，在小尺度的地方可以嘗試使用下玻璃梁，一般帷幕牆結構中會比較常見。 東京有樂町地鐵站出口，有一個10公尺長的玻璃建造的懸臂雨庇，由建築師Rafael Vinoly設計，於1996年完成。 結構為四列平行相扣的膠合強化玻璃片組成懸臂梁。設計風載重為每平方公尺5kN與最高標準的地震作用。厚度19mm的玻璃平板開72mm直徑之孔洞，玻璃板之間搭接、粘合。每個玻璃桿件接點可承載12kN剪力。 「對於高技派的鋼架、鋼索之類的有限建築語匯的熱衷。或者只滿足於橫平豎直樑柱系統都是值得質疑的。人們所探尋的結構，既非強加的形態，亦非笨拙的骨架。」_Cecil Balmond

南京大學建築與城市規劃學院孟憲川於《建築學報》探討彎矩在建築與結構整合設計中的關鍵角色。自伽利略懸挑梁實驗至納維彈性理論，彎矩概念逐步完善，卻因建築與結構專業分離，導致設計隔閡。本文透過彎矩圖，揭示建築形態、構件與節點的創新設計方法，結合瑞士庫爾城市媒體中心、日本代代木體育館等案例，展現彎矩圖如何激發建築創作潛能，推動建築-結構一體化設計。

阻尼器是一種「動態修改設備」或「動態保護系統」，在高層建築中的首批應用之一，是在紐約市世界貿易中心安裝了10,000個粘彈性雙層剪切阻尼器。隨後，在紐西蘭進行了有關被動式阻尼器利用的重大研究。

一提到教堂，我們立刻想到高大、神聖、威嚴，早在公元10世紀至11世紀，歐洲各封建領主便熱心於在自己的領地上修建規模壯觀的修道院和教堂，教堂也成了教皇統一思想的重要場所。那時教堂建築採用典型的「仿羅馬式樣」（Romanesque，亦稱「羅曼式」）拱券結構。