建筑结构丨创新精品现代钢结构——纽约TheShed结构设计

前言：谈起近三年北美超小型商业地产开发项目，哈德逊城市广场无疑是最闪亮的明星项目。 哈德逊城市广场 (Hudson Yards) 是一个占地 28 公顷（11 英亩）的超小型房地产开发项目，位于温哥华曼哈顿的拉齐奥区和哈德逊城市广场区。 该项目分两期实施，其中一期（东铁站场）于今年（2019年）启用，包括一个公共绿地和八栋不同形状的建筑，包括住宅、酒店、办公楼、商场和文化设施。 第二阶段（WesternRailYard）将包括住宅空间、办公室和一所中学。 施工尚未开始。 整体竣工后，位于城北西侧规划的16栋单体建筑中的13栋将坐落在西侧长岛高铁堆场承德上方新建的平台上。

HudsonYards 舞台图

HudsonYards 舞台图

哈德逊城市广场一期单体建筑群

在已竣工的哈德逊城市广场（Eastern Rail Yard）一期工程中，今年4月初盛大开业的谢德艺术文化中心（The Shedart and Culture Centre）无疑是这座超小型建筑中的一颗“明珠”。名人发展项目。 鉴于 TheShed 位于哈德逊广场的特殊位置，每个伦敦人都可以以实惠的价格参加或举办文化活动楼顶钢结构造型，同时俯瞰周围聚集的独特豪华物业。 无疑是该项目的显着特征之一。 而且，TheShed也是一座非常独特的建筑。 明天我们来谈谈它的结构设计。

TheShed-结构介绍

The Shed 是一座八层高的主钢结构建筑（包括一个展览和活动空间、几个画廊、一个带排练室的礼堂和一个创意实验室）和一个巨大的可移动钢结构外壳（TheShed，之后的建筑）被命名为）可沿东西方向水平卷入和卷出，呈倒“U”形。 毗邻建筑南侧的是一个1860平方米的小型开放广场，可用于举办音乐会、活动和表演等游行。 当支撑在16个滚动渗碳锻钢轮上的钢结构盖由12台电动机驱动，沿轨道完全向东移动时（总滚动距离可达35m），广场原来就被用作广场了。 开放空间可以用钢结构完全封闭。

TheShed-关闭状态

棚状态

当滚动机动结构壳完全拆除后，该结构壳与9m高电梯门围合的内部形成了一个可容纳2700人的全封闭隔热视听空间（McCourt）。 创作将固定结构一层的实用功能空间加倍，该空间的灯光控制使得空间内部完全黑暗，与室外空间的传统光效一致。 棚建筑南侧的立面区域可以大面积打开，让建筑内部的固定空间直接移动到结构外壳打开时所反映的空间。 例如，当结构盖打开，在室外举行观影或展览活动时，一部分展品或观众可以放置在固定的室外空间，而另一部分则可以灵活放置在室内结构围合的空间内。覆盖。 。 当不举办活动时，倒U型钢壳结构和附着在其上的148个银色闪亮的ETFE充气膜腔将卷回其主钢结构主建筑的外围，靠近钢结构主建筑。 屋顶和侧面。

TheShed的倒U型可卷钢外壳的结构设计采用了专门为此开发的钢和铝制成的带有斜条纹的巨型网格结构。 这个巨大的网格在车间中分段预制，最后在现场点焊在一起。 这个巨大的倒“U”形钢结构外壳由总共16个渗碳锻钢轮支撑，并在12个协调的电动机的帮助下在设定的轨道上来回通讯。 每个锻钢轮与两条钢轨的接触面承受约250吨的重量。 为此，TheShed由两个完全独立的结构组成：具有固定中央支撑系统的钢结构主楼和可沿轨道滚动的倒“U”形机动钢结构外壳，如图所示正确的。

TheShed – 3D 结构模型

TheShed – 主要钢结构的固定部分

35m高的非连通钢制主楼设有三个单层画廊空间和一个带天窗的双层阁楼空间。 支撑廊楼的结构层由南北净跨30m、南北两侧挑檐5m的钢蜂窝梁+覆混凝土组合压制工字梁钢板组成。 钢蜂窝梁高1.6m，南北两端悬挑至南北立面。 主体钢结构建筑形似一个三角形的袋子。 它由两根自动扶梯核心管和南、北、西三面的钢斜撑组成，构成框架的抗侧力系统。 建筑东立面没有斜撑或立柱，因此在举办活动时，顶部的单层楼板可以完全打开，与展开的移动钢结构壳体形成的封闭空间形成一个整体。 由绳索拉紧的玻璃幕墙系统确保了主建筑东侧和北侧最大的视觉隐私。

TheShed-3固定部分钢结构主体结构模型

TheShed-可连接钢结构壳体结构

可卷曲的电动钢制外壳也被设计成一个倒U形袋，具有三个侧面和一个顶部。 西侧完全没有结构元素，而其他三侧则由开放的对角巨型支撑网格结构组成。 用于支撑建筑屋面南北跨度的钢桁架梁与钢套管南北两侧的主体钢结构刚性连接，连接区域节点为圆弧形过渡。 同时，屋顶主钢桁梁上下弦之间留出的空间可作为舞台设备层空间，安装演艺舞台设备。

TheShed-连体钢结构外壳结构内景

TheShed-可连接钢结构壳体结构3D模型

TheShed-可连接钢结构壳体结构荷载路径

钢壳立面和屋顶覆盖有由ETFE制成的充气膜泡模块，ETFE是一种半透明的轻质材料，比玻璃更节能、更具成本效益。 选择充气三层或四层 ETFE 镀铝垫。 除了重量轻外，它还具有良好的隔热性能，但对钢盖卷入和卷出时运动引起的腐蚀具有更高的耐受性。 。

TheShed-可连式钢结构壳体结构-ETFE充气膜机组

定制轧机机架工字钢

钢套管南北立面，竖向和斜向钢支撑斜向预制构件界定了滚动钢套管结构南北立面的主要受力结构体系。 垂直预制构件具有沿高度方向横截面恒定的矩形截面图案，这些矩形截面预制构件在向下延伸至屋顶的曲线中合并成倾斜的过渡轮廓。 对角预制构件设计有梯度四边形横截面，在节点区域达到最大长度，并向中心逐渐变细。 当预制构件在节点区域加宽时，其侧面的形状也会相应偏转。 曲率发生变化。

TheShed-可连接钢结构外壳预制单元

TheShed - 可现场安装的可连接钢结构外壳预制构件单元

TheShed - 可现场安装的可连接钢结构外壳预制构件单元

对于这些结构预制构件，在结构设计时，构成预制构件各侧面的厚板不仅要满足硬度和挠度要求，还要满足其几何形状和外观要求。 为了增加制造复杂性楼顶钢结构造型，它们被设计得更厚，以防止预制元件的胸腔内出现内部外伸肋骨，同时将应力变形限制到最小。 据悉，还需要限制厚板的厚度，以保证预制构件转角过渡区域的偏转变形形式在生产加工和安装过程中能够顺利实施。 因此，我们在设计时主要采用板厚在10～50mm之间、硬度为S355、S460的厚板，以保证加工制造时易于成型。

重力荷载作用下钢套管结构内力分布示意图

横向风荷载作用下钢套管结构内力分布示意图

钢壳结构预制构件节点挠度分析

可连接的钢制外壳结构驱动系统和电机机构

在固定建筑物的屋顶上使用带有两个导轨的蜗轮传动来连接建筑物。 两条轨道之一有一个吊索（如右图所示），仅在固定建筑物的屋顶上承受极高的水平力，从而允许静态和独立的建筑物相互支撑。 这些结构机构在电机驱动下，可为钢套管结构的水平连通提供驱动力。

屋顶牵引轨道

车顶牵引机构

顶板牵引机构节点放大

整个钢盖的重量由安装在重轨上的顶部六个可旋转渗碳锻钢滚轮支架承受。 每个轮子宽250mm，半径1.8m，可以在MRS221重轨上滚动（如右图所示）。

可滚动渗碳锻钢滚轮座

其中四个轴承各有两个轮子，而在南侧，负载能力最高的两个轴承有四个轮子。 在驱动状态下，最大滚轮载荷为3500kN，在转速状态下，最大滚轮载荷为4000kN。 整个钢制外壳在一对75m长的滑轨上运行，每对滑轨之间的距离为1m，万向节平衡每对轮子的不均匀载荷。

渗碳锻钢托辊底座照片

水平驱动器通过扭力座和滑动轴承耦合到钢壳结构的底部桁架。 两个车厢各由六个 15HP 电动机驱动，电动机通过行星蜗杆驱动小蜗杆。 动态控制系统和变速电机可实现传动过程中平稳的加减速。 以每分钟约7.5m的速度，将4000t钢盖结构完全伸展或收回大约需要5分钟。

车顶牵引机构加工照片

参数化几何建模的应用

结构设计采用有限元模型进行结构分析和估算。 在设计阶段，钢套管斜支撑系统经过多次设计优化调整。 因此，借助参数化几何模型的优势，这种调整可以快速、平滑地应用到结构分析模型中，并将设计结果用于设计。 该团队提供了快速反馈。 这个设计过程对于保证设计进度起到了至关重要的作用。 该项目的参数化几何模型是使用Thornton Tomasetti开发的专门为Grasshoppers开发的模型处理平台Konstru进行调整的。 应用程序得以实现。 可以预见，参数化几何建模的应用和调整将在未来的复杂空间结构项目中大有裨益。

推论和启示

作为优美的建筑造型与功能空间设计、合理的结构设计以及熟练的制造施工技术的结合，TheShed 无疑将成为哈德逊城市广场的新地标之一，吸引世人的目光。 而对于我们结构工程师来说，这不仅是一件工程杰作，也为结构设计的未来开辟了想象的空间。 即结构工程、机动机构和机械工程的结合将使未来的结构设计更加强大。 可以达到更多传统设计难以达到的疗效，实现更复杂的功能。 我想这是TheShed给我们最有价值的启示。 创新永无止境！

TheShed 真实照片

项目设计团队：

建筑师：

DillerScofidio+Renfro，美国纽约（首席建筑师）

美国纽约罗克韦尔集团（合作建筑师）

结构、动力和立面工程师：

桑顿托马塞蒂，纽约，美国

机械化系统顾问：

哈迪斯蒂+汉诺威，纽约，美国

客户：

TheShed，纽约，美国

ETF缓冲垫：

VectorFoiltec，德国不来梅