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原型塔02

DRX 2013 - 结果

圆锥派生结构

Daniel da Rocha, 建筑学硕士,Isabella Thiesen, 数学专业硕士  

圆锥塔:结构刚度-设计灵活度

圆锥塔是一个从研究简单方法开始的设计过程的结果,这种简单方法目的是发明轻型结构,之后发展至高层设计的领域。它的原理为任何类型的结构设计背后隐藏的基本想法的改编:力量流或者力量流在一个建筑结构内的重新定向。

力锥法

最初的灵感来自对力锥法的研究,它由卡尔斯鲁厄研究中心的生物力学教授Klaus Mattheck发明。他对基于树形结构的形状优化方面的探索产生一组有助于创作均衡二维轻型结构的图形规则

它背后的思想很简单:在给定一个点集的情况下,每一个负载施加点沿外加负载方向“推”一个锥形压力带,并且沿相反方向“拉”一个张性带。结果是每一个支撑点通过沿与力相反的方向“推”一个压缩带并且拉一个在其后的张性锥以作出反应。当人们起草这些圆锥时,一个系列或交叉会出现,随后这些系列或交叉将被当作结构内的新节点。通过将这些节点以及原始的给定点互相连接起来,一个轻型结构就产生了。这一结构被认为是平衡的并且应该代表由负载施加点和反应支撑点构成的最初给定情形的最优解决方案。

这一假设之后通过所谓的软杀选项方法来测试。这一方法通过分析在给定搜索空间的一个相似的负载支撑情况并且从此空间中移除“材料”来起作用,这些“材料”被认为是系统中力的平衡所不需要的。在所有比较试验中,软杀选项方法证实了力锥法有能力生成平衡结构。

从二维到三维

一个简单的二维工具被开发以在不同的情形下试验力锥法。下一步是三维工具的产生,这个三维工具将在Mattheck 方法的基础上试图生成三维平衡轻型结构。

这个第二次尝试的成功引导我们探索力锥法可以被应用于高层设计的不同的方法这些揭示了力锥法内在的局限,这种局限使它只是低层轻型结构最初设计的工具。然而,一些使力锥法如此成功的原理可以被提取出来并且被进一步推动,如其结构与和力之间角度的关系、节点间的距离或者新结构成员元素之间的交叉。这些都是相对基础的原理,它们被证明对以下研究中的结构组的设计十分有用。

重新解释圆锥

作为面对象的圆锥被当作进一步探索的基础。通过将它当作一个建立结构成员的搜索空间,即通过离散它的表面,它能够实现一个结构组成内的角度和成员的精确控制。在整个建筑内重新定向力流以及控制结果负载路径的基本原理产生了改变顶点和底座的堆锥面的想法。这些生成了基本的“锥形柱”,它的顶点聚集在一起的弱点,将通过一个次要柱来解决,在这个次要柱中相同的高度,底对底连接将被呈现。

当这两个基本锥形柱被置于共享轴上时将产生额外的交叉。这些新的交叉被证明对结构的整体稳定性很重要。通过进一步沿轴拉伸组合锥的顶点,一连串的次要交叉提供了额外的稳定性,并且最重要的是,提供了建筑内通风的垂直空间。

圆锥的一个常见三角底座离散化产生组成塔的巨型结构主框架的四面体元。作为次要结构,连接不同水平的节点的对角线成员被引入。这样不仅产生额外的硬度而且产生结构层次并且指导立面的设计流程。

载荷路径

垂直力流可以沿清晰定义的载荷路径在整个建筑中追踪。绑定所有的结构并且回到核心可以提升结构效率,并且产生整个建筑未预料的内部空间。

清晰结构

圆锥的简单形状和它们离散化方面的实质上的无限可能性可以产生复杂结构方案,这种方案独立于组成成员的数量而保持它们的清晰度。它生成探索不同载荷情形以及编程要求的不同解决方案的宽广空间。

简单性

就离散圆锥而言,塔的简单定义可以通过圆锥开口角度、离散化程度以及作为锥形柱的主要载荷路径的数量等参数描述被轻易地操纵。得到的结构之后可以被送入优化环路以获得其结构效率的直接反馈。

力锥在建筑领域的可能应用

理解作为力重新定向原理的结构设计是复杂结构设计的一个基础的思考工具。原生态的三维力锥方法对设计小的轻型结构来说是一个十分实用的方法,可能适合应用于较小规模的建筑。对于具有复杂载荷的高层结构,人们仍然可以利用力锥工具来定义独特的载荷路径并且在较大范围内控制力流。而且,圆锥可以作为一个简单而高效的设计工具来生成一系列具有有趣内部空间和外观的建筑形式,它总是与结构智能相结合。