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看不见的结构

小i觉得结构设计是一个很有意思的事情,虽然用到的力学规律是一样的,但针对不同的需求和不同的限制条件,每个设计又都不一样。就像是学武之人,大家学的心法一样,但使出的招式却千变万化。

比如对于结构的表达,就有着不同的思路。有时候我们希望结构外露表达力与美。此时需要结构张扬与锋芒毕露,有着“大江东去,浪淘尽,千古风流人物”的豪情。

还有些时候,我们希望结构隐藏,最好仿若消失一般。此时需要结构含蓄内敛,有着“纤云弄巧,飞星传恨,银汉迢迢暗度”的婉约。

今天小i就为大家介绍这样一个小例子——屋面大字。


小i工作不久,接到一个小任务——屋面大字结构设计。大字的样子已经有了,是某位领导的题字,而我要做的就是把大字支撑在屋面上。刚开始心里是没把这个“小东西“当回事,心想随便搭搭就好了。考虑到以前没做过相关的东西,于是上网查了查别人的大字都是什么样的。

不查不知道,一查发现没那么简单,真是做的千奇百怪,什么样的都有。

以上这些是做了一面“墙”作为字的基面,再通过桁架将“墙”支撑于屋面上。这种做法一看就很牢固,可远远望上去杆件密密麻麻,像给字打了马赛克。


 以上这些让我回想起小时候练字,都将字写在田字格中。这类字牌就是在字后形成一个田字格或井字格来固定大字,而后通过桁架或撑杆支撑于屋面。田字格做法相比前一种简练,对于汉字也有很强的适用性,但格子相对于大字还是很明显。

上图虹桥机场的做法取消了田字格,改为点支撑前面大字,结构更加隐蔽,整体效果相比前面几种改善很多。但与屋面相连的桁架很粗壮,还是无法让结构做到“隐藏”。


通过以上资料,我们归纳了大字结构的特点:大字结构主要由两部分组成,连接字的骨架和与屋面连接的支撑。骨架主要起到支撑大字各个笔划的作用,骨架可采用田字格、井字格、多点支撑,其中多点支撑的观感最好。

支撑体系主要承受骨架传来的侧向风荷载,桁架可采用细而密的构件,也可采用粗而疏的构件。


心里有了方向,就开始具体设计。本次设计的是“南京”两个字,字高约8m,字宽约5m,字整体比较瘦高,连笔也比较多,有利于结构杆件的布置。

首先根据字形布置骨架,骨架就是字的筋骨,既要苍劲有力又不能冒出字的轮廓。其中南字分三个独立部分,京字分两个独立部分。布置时骨架顺着笔划走向,在保证连接的基础上,骨架尽量不外露。

从前面的众多实例可以看出,支撑构件对于观感的影响很大,尤其是支撑杆件数量繁多时,会显得杂乱不堪。因此,我们在设计时以“减法”为原则,试图尽量用少的杆件来完成力的传递。

支撑所承受的主要是大字的自重和风荷载,其中风荷载为控制荷载。首先对支撑桁架的支撑杆件进行精简,将受力较小的杆件去除,用较大的构件截面换取较少的杆件数量。

当减无可减时发现效果仍然不理想,支撑相对于大字还是觉得很突兀。于是开了个脑洞,如果只用一根竖杆替代三榀桁架作为支撑可不可以?

首先想想会有什么问题。如采用一根杆件,骨架部分构件会变为悬挑构件,受力不利。同时支撑竖杆为悬臂构件,会受到大字传来的剪力,以及由于两侧不平衡力产生的扭矩,受力复杂。

这些问题是否能解决呢?

经计算骨架截面由□100增大到□200,可解决由于骨架悬挑带来的不利影响。同时,在竖杆后加添加两根斜撑,一方面将竖杆的剪力转化斜撑的轴力,另一方面将竖杆的扭矩转化为斜撑的弯矩,使得支撑体系的传力路径更加清晰明确。

按照这个思路,一步步确定了大字的方案。而后通过调整斜撑的位置和角度来优化构件截面。最后支架的面漆采用与屋面相近的颜色,通过加深字与支架的对比度,进一步隐藏支架。[在大字建成后发现,如果两根斜撑的支承点再低一些,利用立柱上段的悬挑,可能效果会更好。结构的完善是有不尽可能的。]

实际施工的成果,基本达到了“看不见”的预期效果。


今天和大家分享了小i刚踏入设计院时,在前辈的指导下所作的一个小设计。虽然体量小、构造简单,但是回头想想,相比于现在做的一些套路成熟的大项目,还是有很多设计乐趣在里面。这份追寻设计乐趣的心情,也是小i热衷于这个行业的一个重要原因。


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