前言：談到這兩年北美超大型商業(yè)地產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，哈德遜廣場(chǎng)Hudson Yards無(wú)疑是最為耀眼的一個(gè)明星項(xiàng)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(gè)超大型的房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。項(xiàng)目分兩期實(shí)施，其中一期（Eastern RailYard）于去年（2019年）開(kāi)放，包括一個(gè)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(gòu)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(kāi)始建設(shè)。整體完成后，位于中城南部西側(cè)的16個(gè)規(guī)劃單體建筑中的13個(gè)將坐在西側(cè)長(zhǎng)島鐵路列車的存放場(chǎng)圍場(chǎng)上方的新建的平臺(tái)上。

 Hudson Yards 一期單體建筑群

而在已建成的哈德遜廣場(chǎng)Hudson Yards一期（Eastern RailYard）工程中，于去年4月初盛大開(kāi)業(yè)的The Shed藝術(shù)文化中心(The Shed art and culture centre)無(wú)疑是這超大型明星開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中的一顆“明珠”。鑒于The Shed在哈德遜廣場(chǎng)中所處的特殊位置，每個(gè)紐約人都可以以負(fù)擔(dān)得起的價(jià)格在其中參與或舉行文化活動(dòng)的并同時(shí)可飽覽周邊云集的各具特色的豪華物業(yè)，這無(wú)疑是該項(xiàng)目的一個(gè)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(lái)聊一聊它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

The Shed - 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)展覽和活動(dòng)空間，幾個(gè)畫(huà)廊，一個(gè)帶排練室的劇院和一個(gè)創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室）和一個(gè)巨大的倒“U”形可水平沿東西向滾動(dòng)移進(jìn)移出的機(jī)動(dòng)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(gè)1860平方米的大型開(kāi)放空間廣場(chǎng)，可用于音樂(lè)會(huì)，活動(dòng)和表演等集會(huì)活動(dòng)。當(dāng)這個(gè)支承于 16個(gè)可滾動(dòng)的淬火鍛鋼輪之上的鋼結(jié)構(gòu)罩殼在12個(gè)電動(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下沿軌道向東完全移出時(shí)（總滾動(dòng)距離可達(dá)35m），這個(gè)原本作為廣場(chǎng)的開(kāi)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(kāi)啟狀態(tài)

當(dāng)可滾動(dòng)的機(jī)動(dòng)結(jié)構(gòu)罩殼完全移出時(shí)，這個(gè)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(tīng)空間（McCourt），該空間的創(chuàng)造使得固定結(jié)構(gòu)首層樓面的實(shí)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(kāi)放，使得大樓內(nèi)部得固定空間同當(dāng)結(jié)構(gòu)罩殼打開(kāi)后其籠罩的空間直接聯(lián)通。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)罩殼打開(kāi)后室內(nèi)進(jìn)行觀影或展覽活動(dòng)時(shí)，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(dāng)不舉行活動(dòng)時(shí)，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(dòng)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(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)罩殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由為此專門開(kāi)發(fā)的鋼型材制成的對(duì)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(chǎng)焊接安裝在一起。這個(gè)巨大的倒“U”形鋼結(jié)構(gòu)罩殼支承于總共16個(gè)淬火鍛鋼輪之上，依靠十二個(gè)協(xié)調(diào)工作的電動(dòng)馬達(dá)在設(shè)定的軌道上來(lái)回移動(dòng)。每個(gè)鍛鋼輪與兩個(gè)軌道的接觸面大約承受250噸的重量。因此，The Shed由兩個(gè)完全獨(dú)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(dòng)的倒“U”形機(jī)動(dòng)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(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)主體建筑有三個(gè)雙層樓高的畫(huà)廊空間和一個(gè)帶天窗的單層樓高的頂層空間。支承畫(huà)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(gè)三邊形的盒子，由兩個(gè)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(méi)有任何斜撐及柱，因此底部雙層層高的樓層在舉辦活動(dòng)時(shí)可完全打開(kāi)，與伸出的機(jī)動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)外罩殼所形成的圍合空間形成一個(gè)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(jué)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(dòng)鋼結(jié)構(gòu)外罩殼結(jié)構(gòu)

而可滾動(dòng)的機(jī)動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)外罩殼圍護(hù)結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)成具有三個(gè)側(cè)面和一個(gè)頂面的倒U形盒子。西側(cè)完全沒(méi)有結(jié)構(gòu)元素，而另外的三個(gè)側(cè)面均由開(kāi)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(gè)側(cè)面的主鋼構(gòu)剛性連結(jié)，連結(jié)區(qū)域節(jié)點(diǎn)圓弧過(guò)渡。同時(shí)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(tái)設(shè)備層空間用以安裝供演藝用的舞臺(tái)設(shè)備。

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

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

The Shed - 可移動(dòng)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?yàn)槠渲亓枯p，具有良好的隔熱性能，而且當(dāng)鋼罩殼在滾動(dòng)移進(jìn)移出時(shí)對(duì)由運(yùn)動(dòng)引起的磨損公差有較高的容忍性。

The Shed - 可移動(dòng)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(duì)角形態(tài)的鋼支撐斜交構(gòu)件定義了可滾動(dòng)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(dāng)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(guò)渡輪廓。而對(duì)角形態(tài)的構(gòu)件設(shè)計(jì)為漸變的四邊形橫截面，在節(jié)點(diǎn)區(qū)域達(dá)到其最大寬度并向中心逐漸變細(xì)，而當(dāng)構(gòu)件在節(jié)點(diǎn)區(qū)域變寬時(shí)，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(dòng)鋼結(jié)構(gòu)外罩殼構(gòu)件單元

The Shed - 可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)外罩殼構(gòu)件單元現(xiàn)場(chǎng)安裝

The Shed - 可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)外罩殼構(gòu)件單元現(xiàn)場(chǎng)安裝

對(duì)于這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)成構(gòu)件各側(cè)面的鋼板不但要滿足強(qiáng)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(jì)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(shí)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(guò)渡區(qū)域得翹曲變形形態(tài)在生產(chǎn)加工安裝時(shí)得以順利實(shí)施。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用板厚在10到50毫米之間,強(qiáng)度為S355和 S460的鋼板以確保在加工制作時(shí)易于成型。

鋼罩殼結(jié)構(gòu)在重力荷載作用時(shí)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(diǎn)的應(yīng)力分析

可移動(dòng)鋼罩殼結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)動(dòng)機(jī)制

在固定建筑物的屋頂上使用帶有兩個(gè)滑軌的齒條齒輪傳動(dòng)裝置來(lái)移動(dòng)建筑物。這兩個(gè)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(dú)立的建筑物相互支撐。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下這種結(jié)構(gòu)機(jī)制可為鋼罩殼結(jié)構(gòu)的水平移動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力。

屋頂牽引軌道

屋頂牽引機(jī)構(gòu)

屋頂牽引機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)放大

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

可滾動(dòng)的淬火鍛鋼滾輪底座

 這些支座中有四個(gè)分別由兩個(gè)輪子組成，而在東側(cè)，兩個(gè)載重量最大的支座有四個(gè)輪子。在行駛狀態(tài)下，最大滾輪負(fù)載為3500kN，在怠速狀態(tài)下，滾輪最大負(fù)載為4000kN。整個(gè)鋼罩殼在一對(duì)75m長(zhǎng)的導(dǎo)軌上運(yùn)行，每對(duì)導(dǎo)軌之間的距離為1m，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)來(lái)平衡了每對(duì)車輪中的不均勻載荷。

淬火鍛鋼滾輪底座照片

水平驅(qū)動(dòng)器通過(guò)扭矩座和滑動(dòng)軸承連接到鋼罩殼結(jié)構(gòu)的頂部桁架。兩個(gè)滑架分別由六個(gè)15 HP電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這些電動(dòng)機(jī)通過(guò)行星齒輪驅(qū)動(dòng)小齒輪。動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和變速電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)過(guò)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(jī)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(jì)采用有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。在設(shè)計(jì)階段，為鋼罩殼的斜撐體系歷經(jīng)了多次的設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整，因此利用參數(shù)化幾何模型的優(yōu)勢(shì)，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(jì)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了快速的反饋，這一設(shè)計(jì)流程在確保設(shè)計(jì)進(jìn)度中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，本項(xiàng)目的參數(shù)化幾何模型的調(diào)整時(shí)采用由Thornton Tomasetti所開(kāi)發(fā)的模型處理平臺(tái)Konstru并專為Grasshoppers所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，參數(shù)化幾何建模的應(yīng)用及調(diào)整勢(shì)必會(huì)在未來(lái)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)項(xiàng)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(jì)，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，精湛的制造與施工技藝于一體的 The Shed 將毫無(wú)爭(zhēng)議地成為哈德遜廣場(chǎng)Hudson Yards的新地標(biāo)之一，吸引著世界的目光。但是對(duì)我們結(jié)構(gòu)工程師來(lái)說(shuō)，這不僅是一個(gè)工程杰作，更為我們打開(kāi)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未來(lái)的一個(gè)想象空間，即結(jié)構(gòu)工程與機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)及機(jī)械工程的結(jié)合將使得未來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)更多地傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到的效果，實(shí)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(wú)止境！

The Shed 實(shí)景照片