本文转载自公众号胡正宇结构视点（id:AlexHU2020)

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。现为加拿大国家转自：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。

前言

谈到这两年北美超大型商业地产开发项目，哈德逊广场Hudson Yards无疑是最为耀眼的一个明星项目。Hudson Yards是位于纽约市曼哈顿切尔西区和Hudson Yards区的28英亩（11公顷）的一个超大型的房地产开发项目。项目分两期实施，其中一期（Eastern RailYard）于去年（2019年）开放，包括一个公共绿地和八栋体态各异的建筑，其中包括住宅，酒店，办公楼，购物中心和文化设施。二期（Western RailYard）将包括住宅空间，办公楼和学校。目前尚未开始建设。整体完成后，位于中城南部西侧的16个规划单体建筑中的13个将坐在西侧长岛铁路列车的存放场围场上方的新建的平台上。

▼ Hudson Yards 分期示意图(图片来自网络，版权归原作者所有)

▼ Hudson Yards 分期示意图(图片来自网络，版权归原作者所有)

▼ Hudson Yards 一期单体建筑群(图片来自网络，版权归原作者所有)

而在已建成的哈德逊广场Hudson Yards一期（Eastern RailYard）工程中，于去年4月初盛大开业的The Shed艺术文化中心(The Shed art and culture centre)无疑是这超大型明星开发项目中的一颗“明珠”。鉴于The Shed在哈德逊广场中所处的特殊位置，每个纽约人都可以以负担得起的价格在其中参与或举行文化活动的并同时可饱览周边云集的各具特色的豪华物业，这无疑是该项目的一个显著的特色之一。但是，The Shed这栋建筑物自身也极具特色，今天我们就来聊一聊它的结构设计。

The Shed – 结构简介

The Shed是一栋与相邻新建的高层建筑在结构上相连的八层的主体钢结构大楼（ 包括一个展览和活动空间，几个画廊，一个带排练室的剧院和一个创意实验室）和一个巨大的倒“U”形可水平沿东西向滚动移进移出的机动钢结构罩壳（The Shed，建筑即以此命名）组成。紧邻大楼东侧是一个1860平方米的大型开放空间广场，可用于音乐会，活动和表演等集会活动。当这个支承于 16个可滚动的淬火锻钢轮之上的钢结构罩壳在12个电动马达的驱动下沿轨道向东完全移出时（总滚动距离可达35m），这个原本作为广场的开放空间则可以完全由钢结构罩壳所封闭。

▼ The Shed – 闭合状态(图片来自网络，版权归原作者所有)

▼ The Shed – 开启状态(图片来自网络，版权归原作者所有)

钢结构结构罩壳开合动画如下所示:

当可滚动的机动结构罩壳完全移出时，这个具有9 m高升降门的结构罩壳所围合的内部创建了可容纳2700人的全封闭且保温隔热的视听空间（McCourt），该空间的创造使得固定结构首层楼面的实用功能空间得以加倍，并且该空间光线控制可使得空间内部完全变暗，与传统的室内空间光效果一致。Shed大楼东侧的立面区域可以大面积开放，使得大楼内部得固定空间同当结构罩壳打开后其笼罩的空间直接联通。例如，当结构罩壳打开后室内进行观影或展览活动时，可使得一部分的展品或观众布置于室内固定空间，另一部分灵活布置于室外结构罩壳所围合的空间。当不举行活动时，则倒U形的钢罩壳结构连同其上所附着的148片银色有光泽的ETFE充气膜腔体将滚动收回到其主体钢结构大楼的外围，紧贴着主体钢结构大楼的屋顶和侧面。

The Shed的倒U形可滚动的钢结构罩壳的结构设计由为此专门开发的钢型材制成的对角格子形态的巨型栅格结构。这些巨型栅格都是在车间分段预制，最后在现场焊接安装在一起。这个巨大的倒“U”形钢结构罩壳支承于总共16个淬火锻钢轮之上，依靠十二个协调工作的电动马达在设定的轨道上来回移动。每个锻钢轮与两个轨道的接触面大约承受250吨的重量。因此，The Shed由两个完全独立的结构组成：固定的中心支撑体系的钢结构主体建筑和可沿轨道滚动的倒“U”形机动钢结构外罩壳组成，如下图所示。

▼ The Shed – 3D 结构模型

The Shed – 固定部分钢结构主体

高35 m的不可移动的钢结构主体建筑有三个双层楼高的画廊空间和一个带天窗的单层楼高的顶层空间。支承画廊楼层的结构层的是由南北向净跨度为30 m并在南北边跨各悬挑5m的钢蜂窝梁+上覆混凝土的组合压型钢板组成。钢蜂窝梁梁高1.6m，其南北两端的末端悬臂延伸到南北立面。钢结构主体建筑形似一个三边形的盒子，由两个电梯核心筒和南、北以及西侧的钢斜撑形成框架的抗侧力体系。而在结构的东立面没有任何斜撑及柱，因此底部双层层高的楼层在举办活动时可完全打开，与伸出的机动钢结构外罩壳所形成的围合空间形成一个整体。而由钢索张拉的玻璃幕墙体系可确保主体建筑北侧和南侧最大限度的视觉通透性。 

▼ The Shed – 3固定部分钢结构主体结构模型

The Shed – 可移动钢结构外罩壳结构

 

而可滚动的机动钢结构外罩壳围护结构也设计成具有三个侧面和一个顶面的倒U形盒子。西侧完全没有结构元素，而另外的三个侧面均由开放的斜交巨型支撑栅格结构组成。用于支承屋顶的南北跨向的钢桁架梁与钢罩壳南北两个侧面的主钢构刚性连结，连结区域节点圆弧过渡。同时在屋顶主钢桁架梁的上下弦之间所形成的空间可作为舞台设备层空间用以安装供演艺用的舞台设备。

▼ The Shed – 可移动钢结构外罩壳结构内景(图片来自网络，版权归原作者所有)

▼ The Shed – 可移动钢结构外罩壳结构 3D模型

▼ The Shed – 可移动钢结构外罩壳结构load Path

 

钢罩壳外立面和屋顶均覆盖着由ETFE制成的充气膜泡模块，ETFE是一种半透明的轻质材料，比玻璃更节能，更具成本效益。选择充气的三层或四层ETFE铝箔缓冲垫不仅因为其重量轻，具有良好的隔热性能，而且当钢罩壳在滚动移进移出时对由运动引起的磨损公差有较高的容忍性。

▼The Shed – 可移动钢结构外罩壳结构 – ETFE 充气膜单元

 

定制的轧制外壳型钢

在钢罩壳的南北外立面，由垂直和对角形态的钢支撑斜交构件定义了可滚动钢罩壳结构南北外立面的主要受力结构体系。垂直的构件具有沿高度方向等截面的梯形横截面形式，而当这些梯形截面构件在向上延伸至屋顶的曲线中合并为坡形过渡轮廓。而对角形态的构件设计为渐变的四边形横截面，在节点区域达到其最大宽度并向中心逐渐变细，而当构件在节点区域变宽时，其侧面也相应的在形态上发生翘曲状变化。

▼The Shed – 可移动钢结构外罩壳构件单元（工厂图片）

▼The Shed – 可移动钢结构外罩壳构件单元现场安装(图片来自网络，版权归原作者所有)

▼The Shed – 可移动钢结构外罩壳构件单元现场安装(图片来自网络，版权归原作者所有)

 

对于这种结构构件，结构设计时，构成构件各侧面的钢板不但要满足强度和刚度要求，而且要满足其几何形态及外观的要求。为了降低加工制造的复杂度，它们被设计得较厚，以避免在构件腹腔内设置内部加劲肋，同时将挠曲变形限值到最低。此外，还必须要限制钢板不能太厚，以确保在构件转角过渡区域得翘曲变形形态在生产加工安装时得以顺利实施。因此在设计时，主要采用板厚在10到50毫米之间,强度为S355和 S460的钢板以确保在加工制作时易于成型。

▼钢罩壳结构在重力荷载作用时的内力分布示意

▼钢罩壳结构在侧向风荷载作用下的内力分布示意

▼钢罩壳结构构件节点的应力分析

可移动钢罩壳结构的驱动系统和机动机制

在固定建筑物的屋顶上使用带有两个滑轨的齿条齿轮传动装置来移动建筑物。这两个滑轨之一带有吊杆（如下图所示），该吊杆仅以极高的水平力支撑在固定建筑物的屋顶上，因此可以使原本静态独立的建筑物相互支撑。在电机的驱动下这种结构机制可为钢罩壳结构的水平移动提供驱动力。

▼屋顶牵引轨道

▼屋顶牵引机构

▼屋顶牵引机构节点放大

而整个钢罩壳的重量由底部六个安装于钢轨上的可滚动的淬火锻钢滚轮支座来承担。每个轮子宽250毫米，直径1.8 m，可以在MRS 221钢轨道上滚动（由下图所示）。

可滚动的淬火锻钢滚轮底座

 

 这些支座中有四个分别由两个轮子组成，而在东侧，两个载重量最大的支座有四个轮子。在行驶状态下，最大滚轮负载为3500kN，在怠速状态下，滚轮最大负载为4000kN。整个钢罩壳在一对75m长的导轨上运行，每对导轨之间的距离为1m，通过万向节来平衡了每对车轮中的不均匀载荷。

 ▼淬火锻钢滚轮底座照片(图片来自网络，版权归原作者所有)

水平驱动器通过扭矩座和滑动轴承连接到钢罩壳结构的顶部桁架。两个滑架分别由六个15 HP电动机驱动，这些电动机通过行星齿轮驱动小齿轮。动态控制系统和变速电动机可实现传动过程中的平稳加速和减速。以大约每分钟7.5 m的速度，大约需要五分钟才能完全伸展或归位4000t的钢罩壳结构。

 ▼屋顶牵引机构加工照片

参数化几何建模的应用

结构设计采用有限元模型进行结构分析计算。在设计阶段，为钢罩壳的斜撑体系历经了多次的设计优化调整，因此利用参数化几何模型的优势，这些调整得以快速而顺利地应用于结构分析模型中并将设计结果对设计团队进行了快速的反馈，这一设计流程在确保设计进度中发挥了至关重要的作用，本项目的参数化几何模型的调整时采用由Thornton Tomasetti所开发的模型处理平台Konstru并专为Grasshoppers所开发的应用得以实现。可以预见，参数化几何建模的应用及调整势必会在未来复杂空间结构项目中大有用武之地。

结论与启示

作为集优美的建筑造型和功能空间的设计，合理的结构设计，精湛的制造与施工技艺于一体的 The Shed 将毫无争议地成为哈德逊广场Hudson Yards的新地标之一，吸引着世界的目光。但是对我们结构工程师来说，这不仅是一个工程杰作，更为我们打开了结构设计未来的一个想象空间，即结构工程与机动机构及机械工程的结合将使得未来的结构设计更为强大，能够实现更多地传统设计无法达到的效果，实现更复杂的功能。我想这才是 The Shed 所给我们最为可贵的启示吧。创新永无止境！

 ▼ The Shed 实景照片(图片来自网络，版权归原作者所有)

 

项目设计团队：

Architects: 

Diller Scofidio + Renfro, New York, US (Lead Architect)

Rockwell Group, New York, US (Collaborating Architect)

Structural, kinetic and façade engineers:

Thornton Tomasetti, New York, US

Mechanization system consultant:

Hardesty + Hanover, New York, US

Client: 

The Shed, New York, US

ETFE cushion: 

Vector Foiltec, Bremen, DE

【注】文中图片及视频版权除注明来自网络版权归原作者所有外，未注明者均为Thornton Tomasetti所有。