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[分享]现代精品钢结构设计鉴赏-The Vessel
【案例赏析】现代精品钢结构设计鉴赏-The Vessel at Hudson Yards
本文转载自公众号胡正宇结构视点
作者：胡正宇，英国皇家结构工程师学会(IStructE)资深会士(Fellow)，加拿大安省分会主席(Chairman of IStructE Ontario Division)，现持有英国皇家注册结构工程师、加拿大ON/AB/BC省注册工程师 Professional Engineer (P.Eng.)、BC省特别指定结构工程师 Designated Structural Engineer (Struct.Eng.) 以及中国一级注册结构工程师等诸多国家和地区的顶级结构工程设计从业资质。胡正宇先生目前还是美国土木工程师协会正式会员(M.ASCE)，并兼任英国皇家结构工程师学会皇家注册结构工程师考试阅卷考官（Marking Examiner of IStructE Chartered Membership Exam）。胡先生拥有超过二十年国际工程设计经验，精通从超高层到大跨度等各种结构类型的设计及项目管理。现为加拿大国家钢结构设计规范(CSA-S16)技术委员会委员，也是中国现行构筑物抗震规范GB50191-2012主要起草人之一。
【编者按】有朋友后台留言问可否介绍一下Shed 旁边的Vessel结构设计。今天我们就简单聊一聊它。需要特别说明的是：以下文中所涉及的所有相关图片除注明收集整理自互联网其版权归相关机构及作者所有外，其它均为Thornton Tomasetti所有。另外，本文仅为项目介绍性的一般技术综述文章，错漏之处，敬请各位见谅。
前言
于去年3月底盛大开业的“The Vessel”是位于纽约市曼哈顿的哈德逊广场（Hudson Yards）改建项目的一部分。【编者：关于哈德逊广场改建项目我在《现代钢结构创新精品 -The Shed》一文中做了简单的介绍，有兴趣的朋友可前往阅读。】而在已开发完成的哈德逊广场一期（Eastern RailYard）工程中，“The Vessel”无疑是与“The Shed”齐名的另一颗璀璨的“明珠”。
▼ Vessel (图片来自网络，版权归原作者所有)
这座精致的形同倒置蜂窝状结构是根据英国著名建筑师Thomas Heatherwick的创意设计建造而成。其总高度（最高的观景平台高度）约46m，共计16层 ，由154个楼梯段，共约2,500步台阶和80个观景平台而构成。Vessel因其另类的外观和特别的结构设计而闻名。其本身不仅仅作为一个巨型的雕塑向公众传递出哈德逊广场项目所试图传递给公众的现代和创新的形象和概念，同时也可为公众提供一个特别的观景空间，使得人们在经由不同方向的楼梯达到不同位置及高度的观景平台，360度无死角地去观赏周围各具特色的建筑。“The Vessel”由Hudson Yards开发商Related Companies资助，其最终造价约为2亿美元【编者：尽管其单体造价并不便宜，但相对于耗资总计约250亿美金的Hudson Yards一期各建筑单体总造价来说，The Vessel的造价只占项目总开发造价的极小的份额】。
▼ Vessel (图片来自网络，版权归原作者所有)
▼ Vessel (图片来自网络，版权归原作者所有)
▼ Vessel (图片来自网络，版权归原作者所有)
几何和形态
从远处看，The Vessel的镂空状结构给人一种似乎由多重水平带状结构弯折而组成空间结构；近观你就会发现，这些水平带状弯折的结构其实是一段一段的多层楼梯梯段和水平平台相互连结层层叠加围合而成的一个平面投影近似钝角环状五边形的一个镂空容器状的整体【注：此即为项目名称”The Vessel“的由来】，结构平面空间尺寸由低至高逐渐增加。游客可以通过层层相连的楼梯从Vessel的底部登上各观景休息平台游览；对于不愿意步行台阶的的游客可进入结构底部平台的中心，通过精心设计的倾斜式电梯爬升装置通向各层的平台。如下所示。
▼ Vessel (图片来自网络，版权归原作者所有)
▼ Vessel (图片来自网络，版权归原作者所有)
▼ Vessel (图片来自网络，版权归原作者所有)
结构组成
从结构体系的角度来看，毫无疑问，Vessel更加接近于雕塑而不是建筑。它没有所谓传统意义上的梁柱支撑等构件。整体结构为许多的梯段和水平平台段组成，空间相连。3D结构模型立面如下所示。
其主要的结构组件可分为基托底板、基座、底部肢单元、典型肢单元、脊骨单元和顶部TMD减震阻尼器组成。如下组图所示。
参数化建模及结构分析
对于这样一个几何形状极其复杂不规则的空间结构，其结构分析模型建立的精确性和效率直接影响到结构设计进度及设计效率。因此本项目采用了以下分析流程对结构进行建模及分析设计：首先将建筑Rhino 模型通过Excel进行参数化处理导出到Inventor 中，然后在Inventor 中对结构板件几何形状及尺寸进行整理和定义后通过Femap软件将结构模型导入至SAP2000中生成如下的结构分析模型进行结构分析。
结构分析主要荷载如下所示：
相应的整体结构位移如下所示。对应1.2D+1.6L荷载组合时最大的竖向位移约为100mm，而在相同的荷载组合下最大的水平位移达到110mm，在风荷载作用下最大水平侧向位移约为50mm.
在最不利荷载组合下，整个结构体系中各钢结构构件的应力分布如下所示
对于典型的构件单元的复杂连结节点还采用了精细有限元细分分析以确保节点区域的DCR满足弹性设计要求。
阻尼器的设置和调节
通过前述结构分析，并结合结构的整体几何形状，我们可以很容易地看出Vesse在竖向力和侧向力作用下，其结构就如同一个巨大的垂直开口弹簧那样工作，弹簧的刚度由底部往上逐渐减弱。越接近顶部，开口越大，刚度越弱，结构在行人荷载的作用下的变形及动力反应（加速度）越加明显。为此，设计团队经过大量分析，确定将10组12,000千克调谐质量阻尼器(TMD)添加到顶部的三个平台层中。这些TMD是隐藏在结构腔体内的被动弹簧型阻尼器。Vessel结构由75个典型的狗骨状肢单元组成，每个肢单元包括一个平台以及与该平台相连的4个“半楼梯段”组成（因此很像一个狗骨）。每个狗骨状肢单元的骨架主要由一个大型的内置六角形箱形截面BOX构件组成，该箱形截面BOX构件的中间腔体可以很方便地根据需要将TMD隐藏在它们所需要设置的位置。根据设计要求，TMD不仅需要满足设计所需的频率要求，同时要具备幅度为1.0Hz的频率调谐范围（以便施工完成后在现场对TMD进行微调）并能够满足构件腔体的尺寸要求。从以下TMD图片中，我们可以很清晰地看到该项目所应用的TMD具有5x2的调谐弹簧组。通过锁定或移除这些弹簧，可以降低并调整TMD的固有频率。漆成黄色的大螺纹杆是锁定机构。拧紧这些螺母后，TMD在运输或安装过程中不会摇晃。需要说明的是，TMD在钢结构构件的制作过程中在加工厂就已经被安装在相应位置的狗骨状肢单元的骨架中，然后和相应的钢结构组件一起运至现场安装。
在结构整体安装完成后，结构设计团队在现场对Vessel的结构进行了结构固有自振频率的测试，并相应地对TMD进行了激活和频率的调节。在TMD激活前后现场人致振动加速度测试的结果表明，TMD使得结构的人致振动加速度响应降低了90%！激活TMD后的现场人致振动加速度响应仅仅为激活前的约1/10，如下图所示。此表明TMD在减少结构人致振动加速度响应，提高行人舒适度方面卓有成效。
钢结构制作和安装
由于该项目结构几何形状极不规则，其主体钢结构单元的制作和安装是一个很大的挑战。尽管如此本项目的钢结构制作承包商还是出色地完成了任务。并通过工厂预拼装(Pre-erection)和样品预制作（Mockup），所有钢构件模块均在顺利通过工厂预拼装后再发往现场安装。这样在保证结构外观满足设计要求的前提下确保了现场安装的顺利进行。
结论与启示
The Vessel 以其另类惊艳的造型，巧妙的设计，精湛的制造与施工，将必然同Shed一样成为哈德逊广场的又一亮点，吸引着世界的目光。从结构设计本身来讲，由于其是按弹性设计的原则进行设计，所以分析并不是非常复杂。但由于其几何形态的特点，结构建模极其复杂。因此在设计方案发展阶段如何有效地提高结构建模及分析效率是该项目结构设计的一个重点。参数化建模和合理的模型转化流程是解决这一问题的有效手段。另一方面，由于其几何形状复杂，对钢结构加工制作的要求极高。因此The Vessel项目的成功建成又一次提升了现代钢结构设计加工制作复杂性的天花板。另一个就我个人而言令人印象深刻的是TMD在该项目中的应用在减缓结构的人致振动加速度响应方面卓有成效，尤其通过现场对阻尼器固有频率的调节所达到的完美效果令人叹为观止。
项目设计团队：
Architects:
Heatherwick Studio, London, GB (Lead Architect)
Kohn Pedersen Fox, New York, US (Executive Architect)
Structural engineers:
AKT II, London, GB
Structural Engineer of record：
Thornton Tomasetti, New York, US
Landscape Architects:
Nelson Byrd Woltz,, New York, US
Client:
Related, Oxford Properties Group,, New York, US
Steel contractor:
Cimolai, Porcia, IT
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