复杂造型——“生命之树”雕塑钢结构设计计算表

复杂的形状——“生命之树”

“生命之树”大型树状景观结构，模仿自然界树木的几何形态，抽象为根、干、枝、叶等结构元素，见图1、图2。生命之树扎根于开放的地下室并延伸至地面之上。 地下室屋顶有一条钢铁走廊，与生命之树形成鲜明对比。 生命之树位于大型商业综合体的下沉广场，风荷载条件复杂。 另外，树木的结构形式比普通建筑物复杂得多，对风荷载非常敏感，因此需要进行风洞试验研究或风洞数值模拟。

图1 树雕塑平面图

图2 景观树木与商业建筑的空间关系

经过艺术家、景观设计师、业主、结构工程师等反复交换意见，最终选定的叶子方案如图3所示。叶子由穿孔铝板制成，带有脉状图案。 穿孔铝板可以用激光进行数控切割以获得任何图案。 高透气性的穿孔铝板可以减少叶片的风荷载。

图3 景观树叶方案

钢结构设计

图4 树状景观钢结构立体图

树的主干、树枝、叶脉均采用圆管杆制成，给出了精确的三维杆轴线模型，并在三维模型的基础上深化了细部绘图单元。 树状景观钢结构三维示意图如图4所示。在分支节点处，由于钢管的弯曲半径太小，无法通过冷弯实现，因此采用设计自由度更大的铸钢弯头节点被使用。 叶脉由空心铝板制成，平面图如图5所示。

图5 单叶脉铝板结构平面布置图

另外，本项目连廊跨度为18m，而我们设计的结构厚度仅为30cm，极具视觉冲击力，勾勒出轻薄的线条之美。

风洞数值模拟

选择商业有限元程序ANSYS/Fluent进行风洞数值模拟。 流体的计算域取2000 m×1000m×300 m。 湍流模型选择RNG k-ε。 基于流体力学的概念和工程经验，选择了348°、33°和78°三个潜在不利角度进行风洞数值模拟。 分析模型如图6所示。通过风洞数值模拟，对叶片仰角进行优化，达到在保证造型美观的同时，减小风荷载和钢管半径的目的。 图7为348°风向角工况下叶片平均净风压分布系数x云图。 平均净风压作为结构计算模型风荷载的直接依据。 图8为78°风向角条件下考虑主体结构影响的局部空气流线图。

图6 风洞数值模拟模型

图7 叶片x平均净风压系数云图

图8 局部空气流线图

《生命之树》概要

“生命之树”设计的主要难点是：（1）复杂机体结构的风洞数值模拟； （2）结构乃至围护系统等的加工可行性论证。结构工程师不仅要有深厚的力学基础，掌握先进的计算工具，还要熟悉各种建筑材料的加工制造技术，以实现艺术家、建筑师和景观设计师的“无拘无束”的想法。

我公司的结构工程师针对复杂的雕塑造型提出可实现的结构建模计算，尽可能满足设计作品的高度再现性。

复杂造型——“科技树”

我公司继“生命之树”项目之后，又承接了“科技之树”的结构计算。 施工难度也很大，形状需要计算承载力，要求也比较高。

图1 雕塑施工图局部尺寸图

图2 雕塑施工图基本部分

我公司对复杂形状进行了基础计算，经过多轮精密计算，最终顺利通过计算。 计算书长达40多页，对结构和基础部分都有详细的计算。

图3 雕塑钢结构计算书局部视图

图4 雕塑钢结构计算流程图

图5 雕塑钢结构施工图整体源文件格式

图6 雕塑钢结构施工过程现场图

“科技创新树”概要

“科技树”设计的主要难点是：（1）复杂车身结构的风洞数值模拟； （2）结构乃至围护系统等的加工可行性论证。结构工程师不仅要有深厚的力学基础，掌握先进的计算工具，还要熟悉各种建筑材料的加工制造技术，以实现艺术家、建筑师和景观设计师的“无拘无束”的想法。 （3）树上使用钢化玻璃在施工技术上有一定的难度，所以前期计算时必须仔细考虑，以利于后续施工。

我公司在承担许多特殊部件的结构计算过程时，我公司的工程师尽量不将其作为特殊的外部部件进行计算，而是对特殊部件的内部进行分析。 对于连线较少、空间不合理的零件进行全面优化，以满足计算要求。

在钢结构建筑加盖保修方面钢结构课程设计范例，我公司要求在施工符合规范的前提下，计算结构的安全性和保修期长达30至45年。

我们公司设计大型雕塑结构。 在没有地质调查的情况下钢结构课程设计范例，工程师根据当地风荷载和以往地质报告的数据进行结构设计，以满足施工要求。 当有地质调查报告时，我公司会对地质调查报告进行审核，并对报告数据进行分析，制作地图。