前言：談到這兩年北美超大型商業(yè)地產(chǎn)開發(fā)項目，哈德遜廣場Hudson Yards無疑是最為耀眼的一個明星項目。Hudson Yards是位于紐約市曼哈頓切爾西區(qū)和Hudson Yards區(qū)的28英畝（11公頃）的一個超大型的房地產(chǎn)開發(fā)項目。項目分兩期實施，其中一期（Eastern RailYard）于去年（2019年）開放，包括一個公共綠地和八棟體態(tài)各異的建筑，其中包括住宅，酒店，辦公樓，購物中心和文化設(shè)施。二期（Western RailYard）將包括住宅空間，辦公樓和學(xué)校。目前尚未開始建設(shè)。整體完成后，位于中城南部西側(cè)的16個規(guī)劃單體建筑中的13個將坐在西側(cè)長島鐵路列車的存放場圍場上方的新建的平臺上。

 Hudson Yards 一期單體建筑群

而在已建成的哈德遜廣場Hudson Yards一期（Eastern RailYard）工程中，于去年4月初盛大開業(yè)的The Shed藝術(shù)文化中心(The Shed art and culture centre)無疑是這超大型明星開發(fā)項目中的一顆“明珠”。鑒于The Shed在哈德遜廣場中所處的特殊位置，每個紐約人都可以以負擔得起的價格在其中參與或舉行文化活動的并同時可飽覽周邊云集的各具特色的豪華物業(yè)，這無疑是該項目的一個顯著的特色之一。但是，The Shed這棟建筑物自身也極具特色，今天我們就來聊一聊它的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

The Shed - 結(jié)構(gòu)簡介

The Shed是一棟與相鄰新建的高層建筑在結(jié)構(gòu)上相連的八層的主體鋼結(jié)構(gòu)大樓（ 包括一個展覽和活動空間，幾個畫廊，一個帶排練室的劇院和一個創(chuàng)意實驗室）和一個巨大的倒“U”形可水平沿東西向滾動移進移出的機動鋼結(jié)構(gòu)罩殼（The Shed，建筑即以此命名）組成。緊鄰大樓東側(cè)是一個1860平方米的大型開放空間廣場，可用于音樂會，活動和表演等集會活動。當這個支承于 16個可滾動的淬火鍛鋼輪之上的鋼結(jié)構(gòu)罩殼在12個電動馬達的驅(qū)動下沿軌道向東完全移出時（總滾動距離可達35m），這個原本作為廣場的開放空間則可以完全由鋼結(jié)構(gòu)罩殼所封閉。

The Shed - 閉合狀態(tài)

The Shed - 開啟狀態(tài)

當可滾動的機動結(jié)構(gòu)罩殼完全移出時，這個具有9 m高升降門的結(jié)構(gòu)罩殼所圍合的內(nèi)部創(chuàng)建了可容納2700人的全封閉且保溫隔熱的視聽空間（McCourt），該空間的創(chuàng)造使得固定結(jié)構(gòu)首層樓面的實用功能空間得以加倍，并且該空間光線控制可使得空間內(nèi)部完全變暗，與傳統(tǒng)的室內(nèi)空間光效果一致。Shed大樓東側(cè)的立面區(qū)域可以大面積開放，使得大樓內(nèi)部得固定空間同當結(jié)構(gòu)罩殼打開后其籠罩的空間直接聯(lián)通。例如，當結(jié)構(gòu)罩殼打開后室內(nèi)進行觀影或展覽活動時，可使得一部分的展品或觀眾布置于室內(nèi)固定空間，另一部分靈活布置于室外結(jié)構(gòu)罩殼所圍合的空間。當不舉行活動時，則倒U形的鋼罩殼結(jié)構(gòu)連同其上所附著的148片銀色有光澤的ETFE充氣膜腔體將滾動收回到其主體鋼結(jié)構(gòu)大樓的外圍，緊貼著主體鋼結(jié)構(gòu)大樓的屋頂和側(cè)面。

The Shed的倒U形可滾動的鋼結(jié)構(gòu)罩殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計由為此專門開發(fā)的鋼型材制成的對角格子形態(tài)的巨型柵格結(jié)構(gòu)。這些巨型柵格都是在車間分段預(yù)制，最后在現(xiàn)場焊接安裝在一起。這個巨大的倒“U”形鋼結(jié)構(gòu)罩殼支承于總共16個淬火鍛鋼輪之上，依靠十二個協(xié)調(diào)工作的電動馬達在設(shè)定的軌道上來回移動。每個鍛鋼輪與兩個軌道的接觸面大約承受250噸的重量。因此，The Shed由兩個完全獨立的結(jié)構(gòu)組成：固定的中心支撐體系的鋼結(jié)構(gòu)主體建筑和可沿軌道滾動的倒“U”形機動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼組成，如下圖所示。

The Shed – 3D 結(jié)構(gòu)模型

The Shed – 固定部分鋼結(jié)構(gòu)主體

高35 m的不可移動的鋼結(jié)構(gòu)主體建筑有三個雙層樓高的畫廊空間和一個帶天窗的單層樓高的頂層空間。支承畫廊樓層的結(jié)構(gòu)層的是由南北向凈跨度為30 m并在南北邊跨各懸挑5m的鋼蜂窩梁+上覆混凝土的組合壓型鋼板組成。鋼蜂窩梁梁高1.6m，其南北兩端的末端懸臂延伸到南北立面。鋼結(jié)構(gòu)主體建筑形似一個三邊形的盒子，由兩個電梯核心筒和南、北以及西側(cè)的鋼斜撐形成框架的抗側(cè)力體系。而在結(jié)構(gòu)的東立面沒有任何斜撐及柱，因此底部雙層層高的樓層在舉辦活動時可完全打開，與伸出的機動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼所形成的圍合空間形成一個整體。而由鋼索張拉的玻璃幕墻體系可確保主體建筑北側(cè)和南側(cè)最大限度的視覺通透性。 

The Shed – 3固定部分鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)模型

The Shed - 可移動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼結(jié)構(gòu)

而可滾動的機動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼圍護結(jié)構(gòu)也設(shè)計成具有三個側(cè)面和一個頂面的倒U形盒子。西側(cè)完全沒有結(jié)構(gòu)元素，而另外的三個側(cè)面均由開放的斜交巨型支撐柵格結(jié)構(gòu)組成。用于支承屋頂?shù)哪媳笨缦虻匿撹旒芰号c鋼罩殼南北兩個側(cè)面的主鋼構(gòu)剛性連結(jié)，連結(jié)區(qū)域節(jié)點圓弧過渡。同時在屋頂主鋼桁架梁的上下弦之間所形成的空間可作為舞臺設(shè)備層空間用以安裝供演藝用的舞臺設(shè)備。

The Shed - 可移動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼結(jié)構(gòu)內(nèi)景

The Shed - 可移動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼結(jié)構(gòu) 3D模型

The Shed - 可移動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼結(jié)構(gòu)load Path

鋼罩殼外立面和屋頂均覆蓋著由ETFE制成的充氣膜泡模塊，ETFE是一種半透明的輕質(zhì)材料，比玻璃更節(jié)能，更具成本效益。選擇充氣的三層或四層ETFE鋁箔緩沖墊不僅因為其重量輕，具有良好的隔熱性能，而且當鋼罩殼在滾動移進移出時對由運動引起的磨損公差有較高的容忍性。

The Shed - 可移動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼結(jié)構(gòu) – ETFE 充氣膜單元

定制的軋制外殼型鋼

在鋼罩殼的南北外立面，由垂直和對角形態(tài)的鋼支撐斜交構(gòu)件定義了可滾動鋼罩殼結(jié)構(gòu)南北外立面的主要受力結(jié)構(gòu)體系。垂直的構(gòu)件具有沿高度方向等截面的梯形橫截面形式，而當這些梯形截面構(gòu)件在向上延伸至屋頂?shù)那€中合并為坡形過渡輪廓。而對角形態(tài)的構(gòu)件設(shè)計為漸變的四邊形橫截面，在節(jié)點區(qū)域達到其最大寬度并向中心逐漸變細，而當構(gòu)件在節(jié)點區(qū)域變寬時，其側(cè)面也相應(yīng)的在形態(tài)上發(fā)生翹曲狀變化。

The Shed - 可移動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼構(gòu)件單元

The Shed - 可移動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼構(gòu)件單元現(xiàn)場安裝

The Shed - 可移動鋼結(jié)構(gòu)外罩殼構(gòu)件單元現(xiàn)場安裝

對于這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計時，構(gòu)成構(gòu)件各側(cè)面的鋼板不但要滿足強度和剛度要求，而且要滿足其幾何形態(tài)及外觀的要求。為了降低加工制造的復(fù)雜度，它們被設(shè)計得較厚，以避免在構(gòu)件腹腔內(nèi)設(shè)置內(nèi)部加勁肋，同時將撓曲變形限值到最低。此外，還必須要限制鋼板不能太厚，以確保在構(gòu)件轉(zhuǎn)角過渡區(qū)域得翹曲變形形態(tài)在生產(chǎn)加工安裝時得以順利實施。因此在設(shè)計時，主要采用板厚在10到50毫米之間,強度為S355和 S460的鋼板以確保在加工制作時易于成型。

鋼罩殼結(jié)構(gòu)在重力荷載作用時的內(nèi)力分布示意

鋼罩殼結(jié)構(gòu)在側(cè)向風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力分布示意

鋼罩殼結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點的應(yīng)力分析

可移動鋼罩殼結(jié)構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)和機動機制

在固定建筑物的屋頂上使用帶有兩個滑軌的齒條齒輪傳動裝置來移動建筑物。這兩個滑軌之一帶有吊桿（如下圖所示），該吊桿僅以極高的水平力支撐在固定建筑物的屋頂上，因此可以使原本靜態(tài)獨立的建筑物相互支撐。在電機的驅(qū)動下這種結(jié)構(gòu)機制可為鋼罩殼結(jié)構(gòu)的水平移動提供驅(qū)動力。

屋頂牽引軌道

屋頂牽引機構(gòu)

屋頂牽引機構(gòu)節(jié)點放大

而整個鋼罩殼的重量由底部六個安裝于鋼軌上的可滾動的淬火鍛鋼滾輪支座來承擔。每個輪子寬250毫米，直徑1.8 m，可以在MRS 221鋼軌道上滾動（由下圖所示）。

可滾動的淬火鍛鋼滾輪底座

 這些支座中有四個分別由兩個輪子組成，而在東側(cè)，兩個載重量最大的支座有四個輪子。在行駛狀態(tài)下，最大滾輪負載為3500kN，在怠速狀態(tài)下，滾輪最大負載為4000kN。整個鋼罩殼在一對75m長的導(dǎo)軌上運行，每對導(dǎo)軌之間的距離為1m，通過萬向節(jié)來平衡了每對車輪中的不均勻載荷。

淬火鍛鋼滾輪底座照片

水平驅(qū)動器通過扭矩座和滑動軸承連接到鋼罩殼結(jié)構(gòu)的頂部桁架。兩個滑架分別由六個15 HP電動機驅(qū)動，這些電動機通過行星齒輪驅(qū)動小齒輪。動態(tài)控制系統(tǒng)和變速電動機可實現(xiàn)傳動過程中的平穩(wěn)加速和減速。以大約每分鐘7.5 m的速度，大約需要五分鐘才能完全伸展或歸位4000t的鋼罩殼結(jié)構(gòu)。

屋頂牽引機構(gòu)加工照片

參數(shù)化幾何建模的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計采用有限元模型進行結(jié)構(gòu)分析計算。在設(shè)計階段，為鋼罩殼的斜撐體系歷經(jīng)了多次的設(shè)計優(yōu)化調(diào)整，因此利用參數(shù)化幾何模型的優(yōu)勢，這些調(diào)整得以快速而順利地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析模型中并將設(shè)計結(jié)果對設(shè)計團隊進行了快速的反饋，這一設(shè)計流程在確保設(shè)計進度中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，本項目的參數(shù)化幾何模型的調(diào)整時采用由Thornton Tomasetti所開發(fā)的模型處理平臺Konstru并專為Grasshoppers所開發(fā)的應(yīng)用得以實現(xiàn)?？梢灶A(yù)見，參數(shù)化幾何建模的應(yīng)用及調(diào)整勢必會在未來復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)項目中大有用武之地。

結(jié)論與啟示

作為集優(yōu)美的建筑造型和功能空間的設(shè)計，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，精湛的制造與施工技藝于一體的 The Shed 將毫無爭議地成為哈德遜廣場Hudson Yards的新地標之一，吸引著世界的目光。但是對我們結(jié)構(gòu)工程師來說，這不僅是一個工程杰作，更為我們打開了結(jié)構(gòu)設(shè)計未來的一個想象空間，即結(jié)構(gòu)工程與機動機構(gòu)及機械工程的結(jié)合將使得未來的結(jié)構(gòu)設(shè)計更為強大，能夠?qū)崿F(xiàn)更多地傳統(tǒng)設(shè)計無法達到的效果，實現(xiàn)更復(fù)雜的功能。我想這才是 The Shed 所給我們最為可貴的啟示吧。創(chuàng)新永無止境！

The Shed 實景照片