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  • CAUP思享 | 有限元結構+光/風環境“組合技”,我院大四學子這樣重塑明成樓

     以下文章來源于TransAxis設計坐標 ,作者本校建筑系本科生閆一飛。


    【項目介紹】

      

    在折騰了一圈上海的各個地塊之后,本次課題終于折騰到了建院自己的頭上。所謂三天不打,上房揭瓦,這次要下手的是學院B樓的屋頂及連帶的鐘庭。

    課題起名為“基于有限元結構分析的建筑設計”,這門大四下的自選題,相比大三的豪華綜合體與大四上橫跨幾個地塊的大手筆,這么小的基地,還只是對屋頂動動手腳,不由得透露出一股精致(貧窮)的氣息。

      

    帶隊的C老師自有深意:以往同學們的課題設計,對結構的概念比較模糊,對其合理性與可行性的判斷也多半是來自老師的一句“這個應該可以”,而老師們也大抵是憑借多年的經驗來下一個不那么負責任的結論。而本課題意圖讓學生臨時扮演結構工程師的角色,從而更好地理解建筑空間、功能、結構、環境控制技術之間的關系,鍛煉批判性、綜合性的思維方式(該處摘抄于教案)。

    因此,C老師引進了有限元分析,請來了結構方面的專家J老師,意圖讓同學們在設計初期就將結構選型考慮在內,并經過軟件計算讓結構的荷載與變形得以量化,進而通過結構優化進而實現方案推進。

    但根據去年反饋,整體的工作量好像偏少(認識的某同學說他提前一兩周就畫完圖了)。這怎么能行?不通宵簡直是建筑狗的恥辱!于是C老師痛定思痛,加大力度,增加了熱工方面的比重,請來對此研究頗深的Y老師。運用相關建筑熱工軟件,對自然采光和自然通風進行模擬,根據計算結果修改建筑設計(再次抄自教案)。

    三位老師分工合作,多個角度的推進讓設計更加豐富完整。


    【前期分析】

    除了睡覺的宿舍,B樓可能是建院學子們待的最多的地方。該樓由戴復東院長操刀,建成于1987年,擴建于1997年,外墻面通體使用鐵屑與陶土燒制成的紅色面磚,因此又稱紅樓。要改造的屋頂部分起初采用V形截面的空間桁架,屋面使用有夾絲的U形玻璃;后保留桁架,將玻璃屋面改為如今類似張拉膜的屋頂。

      

    ▲有半年多沒見到它了,睹物思樓

      

    ▲屋頂2000——2020

    作為無所不能(啥都不精)的建筑師,當然不止改個屋頂就完事了,下方的鐘庭(為何叫鐘庭,因為中庭有口鐘)也納入了設計范圍。其功能由我們重新規劃,意圖為建院師生打造一個船新的交流場所。

    由于疫情,只能居家進行前期調研,好在改造的對象是朝夕相處了四年的教學樓。于是對著照片回憶B樓的點點滴滴,例行的講座與評圖、與小伙伴們日復一日的推敲方案、抱著筆記本一坐一天、交圖前的爆肝、與期末的公開處刑,鐘庭與屋頂的形象逐漸清晰起來。

    屋頂像被遺忘的小透明,張拉膜的透光性不佳,室內氛圍常常較為昏暗??臻g桁架與張拉膜拉索的線條糾纏在一起,較為雜亂的形象與兩側簡潔嚴整的教室部分并不協調;鐘庭的大臺階則是卑微的工具人,同學們B樓后都是直奔教室或報告廳,只有在每學期數次的年級展評與偶爾舉辦的晚會時它才可以享受片刻的喧囂。平日里會進行持續數天乃至數周的優秀圖紙展覽,把可能是從美術教室順手搬來的畫架當作展板,萬一趕上妖風大作,展區頓時七零八落,一片狼藉。要是沒有展覽,那大臺階基本就是無人區,畢竟地面光禿禿,坐也沒地兒坐,總不能和partner一起罰站。

    總之,庭肩負著展覽功能與交流功能,但兩種屬性由于目前整體環境不佳并沒有得到很好地體現,而且互相之間存在著使用時間及空間上的矛盾。

    ▲現狀問題吐槽


    【概念生成】

    一個空間如何承載兩種功能?建筑師沒有奧特曼和小魔仙的華麗變身,但卻有靈活的頭腦。畫架展板搬運困難且占據空間,怎樣可以讓其移動靈活且呼之即來揮之即去呢?藏到地里不大行得通,不如把它吊在天上!于是懸吊展板華麗地誕生了,空間的活動屬性隨著展板的升降發生著改變,可根據實際需要一天中多次變換。

    鐘庭成為一個展覽空間與交流空間的復合體,“舞臺”的整體概念也應運而生。展板的升降正像舞臺帷幕的起落,鐘庭里發生的事件,包括展覽、晚會,甚至同學們的日常生活,都可以視為正在發生的劇目,在一次次轉場中,在鐘庭這個靜默的舞臺上,不斷地進行下去。

      

    ▲懸吊展板系統

      

    ▲和大師的合影,還有點小激動呢~

    (左,羅馬斗獸場拱門;中,效果圖提前放送;右,不用介紹了哈哈)


    【屋頂設計】

      

    懸吊展板系統與屋頂設計緊密相連。前期結構選型時,因為希望和B樓原本的樓梯間與入口處的弧線呼應(次要原因),而且當時正沉迷于路易斯·康的秩序之美(主要原因),就選擇了連拱作為屋頂的雛形。

    B樓本身南北兩側的柱列對稱,為連拱提供了合適的條件,其偏古典莊重的風格也與學院的氣質相符。

    ▲與主體分離作為裝飾件的1/4圓形樓梯間&入口的弧形墻

    ▲大師の疑問


    首先為了承載上文的懸吊展板,在3.6m跨度的原柱網上架起橫跨鐘庭的大梁,再把拱以兩個柱距為一跨放在梁上,兩端為兩個懸挑的半拱。對于拱的形狀,在CAD里隨便畫個弧線不符合我們嚴謹的性格,于是采用了和金貝爾一樣的擺線拱形(在受力上拋物線拱是更合理的,但是因為放上去有點丑所以沒用,如果從力學角度來優化拱建議同學們嘗試Kangaroo或Rhinovault)

      

    1.一開始隨便畫的圓弧

    2.拋物線(拱頂較高)

    3.擺線(精準而優雅~)

    ▲擺線方程x=a(φ-sinφ),y=a(1-cosφ)


    這時每個拱中心處會有一條孤零零的梁,其上端并不承重,只是為了承接下端懸吊展板的荷載,而且整體的連拱只能通過高側窗采光,氣氛較為壓抑。

      


    于是將拱從拱心處打破,相鄰的兩個半拱就變成了一個海鷗形構件;

    同時將拱心處的梁升高,截面變為T形,上端可以為半拱的弧面反光。

      

    接著為了連通南北兩側屋面,以及為在舉辦晚會時可以人工打追光燈,將最中間的一道T形梁變為進人通道,這樣屋頂就已大體完成了。原有的柱網尺寸規定了屋頂的模數,形成了類似“ABACABA”的秩序,某種程度上也是對康的服侍與被服飾空間的演繹。

      

    接著為了連通南北兩側屋面,以及為在舉辦晚會時可以人工打追光燈,將最中間的一道T形梁變為進人通道,這樣屋頂就已大體完成了。原有的柱網尺寸規定了屋頂的模數,形成了類似“ABACABA”的秩序,某種程度上也是對康的服侍與被服飾空間的演繹。

      

    ▲再來回顧一下全過程~


    鐘庭上空的屋頂完工后,南北兩側的平屋頂就是下一步考慮的對象。

      


    在自己擬定的任務書里,我將它作為一個展出優秀作品的永久展區,相當于一個在課題發布后可以前來觀摩和找靈感的建院“名人堂”。經過多次嘗試,在臨近期末才確定了最終的形式——海鷗梁延伸到屋面,兩側用鼎足狀的構件支撐,從端頭看去有振翅欲飛之勢。下部騰出的空間安裝玻璃柜,用于擺放模型,海鷗梁的兩翼也為觀展師生遮風擋雨。

      

    ▲蕪湖,起飛!


    關于新屋頂與老建筑的關系,本想讓海鷗梁像四雙翅膀在紅墻之上自由飛翔,C老師又及時抑制了我的表現欲。最終屋頂以一種較為低調的方式隱于立面后,只有在東西方向可窺得其懸挑的一角,留下更多的想象空間。

    ▲我還是從前那個立面,沒有一絲絲改變~


    【室內設計】

    在新屋頂設計完成后,建筑師的魔爪便伸向了鐘庭,主要對其三個節點進行了更新。盡管可能有“為設計而設計”之嫌,但一方面想統一整體的氛圍,另一方面也把其當作一次在設計中實驗康的理念及手法的機會,也就“為添新磚強說理”了。

      

    ▲鐘庭現狀

    首先是鐘庭兩側的室內立面及環廊,等距均質的柱列表情較為呆板,需要將屋頂的秩序延伸至立面。單純推敲形式是沒有意義的,于是從功能方面著手。目前兩側走廊外側擺放著儲物柜,兼做攔板。雖然功能上一石二鳥,但阻隔了走廊與鐘庭的視線交流,既然后者是“舞臺”,那前者就扮演著“看臺”的角色,“看”的動作值得被強調。于是通過分解功能來劃分空間,將一個橫向面向鐘庭的3.6m的柱距分為1.6m的儲物區與2m的看臺區,用一面形似空心柱的混凝土墻將儲物柜與柱子隱藏起來,其中的間隙安置雨水管。墻體之間用一道羅西式的過梁連接,看臺區安裝柚木欄板,使立面呈現出古典的面孔。


      

      

    ▲一次“立面構成”練習

    對于這面外包墻體與屋頂的關系,中期時有老師曾建議應體現屋頂向下的力流的傳遞,但最終還是將兩者清晰地分離開來。這就涉及到了結構上的“真”與“假”的問題,屋頂的荷載只傳遞到柱子上,非承重墻就沒有責任去表現不屬于它的功能。

      

    ▲室內大剖面

    ▲請忽略前幾個丑的像外星人的方案...


    這一點在東側廊道的設計上也有體現,經過多輪深化后,最終確定了廊道墻體簡潔的拱形(圖9)。在推進過程中,曾想用磚塊來搭起拱(圖6),因為拱是磚面對大跨度時的砌筑邏輯的表現,而混凝土是“很好說話”的,它成為拱的動機并沒有磚來的那么強烈。

    但最終在C老師的建議下選擇混凝土澆筑加上面磚貼面,為什么這里反而放棄“真”的磚而選擇“假”的面磚呢?一是因為這道墻與屋頂脫開,并不承重,對天生有受壓屬性的磚拱來說反而是一種“假”,二來沒有側向固定的單層砌體墻放在室內較為危險。而面磚雖然“假”,但它與砌筑迥異的拼貼方式直白地告訴觀者“我就是裝飾”,棲身在并不承重的片墻上,讓人仿佛可以透過它看到里面作為主體的混凝土。“假”得光明正大,某種程度上也是一種“真”。

    第三個節點是西側報告廳屋頂的更新,沿南北向立起一道隔斷,一方面意圖阻擋冬季的西北風,一方面將報告廳屋頂分為室外平臺和室內過廊,這樣就將四層的交通連通為一個環路,加強了南北樓的聯系。在隔斷的設計上,窗的部分模仿了費舍爾住宅的開啟扇與固定扇,門則致敬特靈頓浴室的空心柱(這就是忠實粉絲吧~),意圖遮擋與調節冷風。

    ▲13:30,一束圣光照耀著柯布~

      

    到目前為止,依然是建筑師的手在擺弄著屋頂與鐘庭,而接下來需要我們扮演結構及熱工工程師的角色。早在幾個世紀前,建筑好像還是由無所不能的文藝復興大師們一手包辦。但現代社會的行業細分化,一座房子的搭建需要多個專業分工協作。雖然專業性的不斷加強看似讓行業壁壘越來越高,但信息技術的發展某種意義上卻降低了跨專業的門檻。以往復雜的力學計算,現在可以封存在軟件的“黑盒子”里,用戶不需要知道背后的代碼與公式,只需要花很少的時間學會操作。這讓對結構與熱工一知半解的我們,可以跳過其原理,用直觀的結果來輔助推進設計。


    【結構】

      

    如果是第一次聽說有限元分析,同學們可能不明覺厲。實際上,有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成,對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解,然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件),從而得到問題的解(以上摘自度娘)

    而單就軟件操作來說的話,主要分為三個步驟:

    第一步是建模,其邏輯有些類似revit,用帶有材料屬性的梁、柱、板搭建起簡模;

    第二步是根據實際情況附加活荷載、風荷載、雪荷載等;

    第三步輸入荷載組合(ULS、SLS),然后軟件就會自動劃分網格,計算出構件的變形,總的來說還是較為友好的。

      

    ▲友好是友好,就是有點費時間...

      

    本次使用的有限元軟件是德國Dlubal公司開發的RFEM

    為了熟悉操作,并對結構模擬有一個初步的概念,J老師首先讓我們進行案例模擬。我選擇了構件形式有相似之處的龍美術館,根據軟件的建模規則,將原方案的空腔傘形構件簡化為兩片剪力墻支撐起一塊板。經過計算,板的邊緣變形非常嚴重。向老師請教后,猜想一方面可能是簡化方式導致的誤差,另一方面是構件之間的搭接可能會減小單個構件翼緣的變形。針對第二點進行了多種搭接方式的模擬,發現變形顯著減小,證實了前面的猜想。

      

    ▲團結就是力量~


    相比于有些同學的天馬行空,我的結構體系較為常規,就是預制混凝土構件相互連接,放置在原有的柱網上。經過模擬后,各部件的變形均在合理范圍內,且與案例模擬的結論相似,變形最大處發生在海鷗梁懸挑的的翼緣,該處的合理性也作為下一步優化的指標。

    ▲一遍就算過,這是穩穩的幸福~(變形最大為14.5,<21)


    預制構件之間通過桿連接,增加整體側向剛度,起到抗震作用。對于桿的連接方式,進行了兩種形式的模擬,結果均在允許范圍內,但從美學角度選擇了變形較大的一種。在權衡建筑的美與結構的優時,建筑師“強詞奪理”的小任性是可以得到理解的。


    ▲為什么不喜歡第一種呢,因為有種翅膀被拴住的感JIO


    針對變形最大處的翼緣,進行海鷗梁的截面優化。根據軟件建模規則,將其分成上下兩部分分別測試截面尺寸,最終得到了滿足要求且較為省料的合理結果。

      

    ▲實際算了六七種組合,為了節約空間就不放了

      

    ▲構造做戲做全套~配筋都建出來了


    因為方案在結構上較為常規,所以并沒有遇到太多阻礙與挑戰;相對的,有限元分析也沒有起決定性的作用。但正如C老師上課時所說,確定一個形式是很快的,而大部分時間會花在不斷的調整與推敲。以往常常粗淺地止步于前者,而這次的計算,讓方案從形而上的結構體系精確到了每一塊混凝土的厚度。用堅實的數據來雕刻自己浪漫的想象,這就是亦文亦理的建筑學的魅膩吧!


    【室內環境】

    (1)光環境

    因為體型小巧好上手的優勢,我們選擇了搭載在SU平臺上的sefaira插件

    該軟件的指標有四項,我們主要根據其中的日光自治(DA)和全年陽光照射率(ASE)這兩項進行優化。前者是空間某一點,日光超越目標照度(300lux)的百分比,用于評估光照是否充足,對于教室、辦公室等需要日照的空間,以達到75%為佳;后者是某空間中陽光直射時間超過250小時的百分比,即眩光率,以控制在10%以下為佳。

    進行初步模擬后,發現鐘庭主要區域的日光自治率在75%以上,但是眩光率較高。經過對南北高窗,屋頂側窗等進行控制變量模擬后,發現引起眩光的罪魁禍首是東側的大開口,而且直射的時間正值上午的展覽評圖,這會使得同學們在刺眼陽光與大神方案的雙重夾擊下睜不開眼睛。首先想到的解決方案是增加屋頂東側的懸挑,但嘗試后發現其不僅遮陽方面收效甚微,而且會增加結構的負擔(雙目標優化,結構與光照協同考慮)。隨后便增加廊道外墻的高度,在頂部形成一個與屋頂形式對應的傘形構件。最終,眩光率被控制到了9%,用較小的動作解決了問題。

    ▲Sefaira光環境模擬

    由于鐘庭的雙重屬性:展覽空間需要相對柔和穩定的光線,(甚至有些館長干脆要求建筑師把展館做成封閉的盒子,完全依靠人工照明采光),而作為交流活動的場所,是可以允許戲劇性的自然光,這讓建筑師強烈的表現欲又有了發揮的空間。

    光像水一樣無孔不入,區別在于直射、反射與折射會讓其呈現出不同的形態與色彩,而實體和實體之間的縫隙就是操縱這場光影魔術的那雙手。

    海鷗梁與T形梁的交錯排列,將屋頂的自然采光分成了三個層次:

    第一個是全天候的漫射光投射到海鷗梁的弧形內壁來照亮室內,與金貝爾有相似之處,當然康是經過了無數次的計算與實驗才確定了最終的弧形鋁制反光板;

    第二個是隨著太陽高度角的變化,在每天上午下午的特定時間,直射光會穿過屋頂構件之間的側窗投射到墻壁上。光斑像時針一樣緩緩轉動,記錄著時間的流淌;

    第三個是南北向的高窗為室內提供充足的光照,南側的直射光如果不經過處理,會造成大面積的暴曬。這時屋頂展區發揮了作用,延伸至兩側屋面的海鷗梁不僅成為了展墻,也為室內擋下了大部分直射光。這樣,漫射在屋頂上的冷色天光與投射在墻壁上的暖色陽光形成了虛實冷暖的對比,為冷冰冰的混凝土染上不同的表情。

    ▲結構是光的賦予者——路易斯·康

    為了在評圖展覽時提供穩定充足的光線,人工照明還是要加滴,于是在屋頂構件的底部預留了凹槽,其中放置燈帶。展板落下,燈帶隨之顯露,為展覽提供照明。

    ▲太陽從不知道自己有多偉大,直到它照到建筑物上——路易斯·康


    (2)風環境

    與其說是建筑內部被挖空的一塊,鐘庭更像是幾個單體建筑圍合成的半室外空間。不像黑盒子那樣密不透風,它的東西向開敞,與外部環境聯通。然而魔都時而妖風大作,大階梯上的展板便遭了殃。風就像一匹傲嬌的小野馬,需要我們悉心調教。

    課程選用了grasshopper平臺上的butterfly插件進行模擬

    在開始之前要確定基地的氣候條件,針對氣候較為極端的夏冬兩季進行模擬,且對其應有不同的應對方式:夏季需要引導風吹進室內增加空氣流通,冬季則應盡量阻冷空氣進入。通過ladybug生成上海夏冬季節的風玫瑰圖,主導風向分別為東南風和西北風:篩選早八點到晚十點特定風向的風速,夏季取規定值3.1m/s,冬季取較大值6m/s,分別對其進行分析。

    ▲嗯右邊那一堆是湊圖利器Weather Tool一鍵生成的...

    經過初步模擬,東側廊道在夏天成為了主要進風口,風速較快處集中在鐘庭中下部,約1~2m/s。烈日炎炎時,這樣的風速對人來說是較為舒適的,但是對懸吊展板系統就不太友好了。過快的風速可能會引起展板晃動,存在安全隱患。那么怎樣在展覽時段降低鐘庭風速呢?調節流體的流速,閥門是最常用的構件。而在建筑學的語言中,門與窗就是與之對應的詞匯。觀察風速分布圖,廊道下方的灰空間是主要進風口,于是在該處安裝木門,通過控制其開合調整進氣量。經過模擬,在木門關閉時,鐘庭底部風速被控制在了0.5m/s以下。這樣,肆虐的妖風經過調教,搖身一變成為了怡人的微風。

    ▲開閘!放風!

    進行冬季西北風的模擬,由于西側隔斷的擋風作用,有效地阻擋了冷風進入室內,但同時也可能帶來換氣量不足的問題。將屋頂天窗開啟再次模擬,依然收效甚微。于是只能根據實際情況,通過增加換氣設備輸送新風。

    在現實世界中,影響室內風環境的因素有很多,在結束上述模擬后,Y老師建議進行無風情況下的夏季室內熱壓通風模擬。根據簡化公式,計算出鐘庭進出風口的壓力差,經過模擬,在壓力差為2.1Pa(實際情況)時,最大風速可達0.7m/s;而增大壓力差至10Pa(理想情況,例如安裝換氣設備)時,風速最快可達1.6m/s左右。屋頂的天窗起到了拔風的作用,在炎炎夏日也能給室內帶去一絲涼意。

    ▲Butterfly點一下算一天你值得擁有!鬼知道一共算了多久...


    【表現】

    因為疫情居家,所以以往要求的大比例實體模型只好取消(又節約了一筆材料費),省下來的時間精力便放在了表現上。之前在網上有看到一些酷炫的建筑表現動畫,于是便萌生了用視頻代替PPT進行最終的成果匯報的想法(而且可以提前錄好音頻,避免了上臺忘詞的尷尬~)

    動畫可以大致分成兩個部分,生成動畫和漫游動畫。因為屋頂方案較早定型,在中期評圖之后,我便開始著手準備前者了。市場上多用3Ds Max和vray制作動畫,但是由于設備(一渲染就可以煎雞蛋的墜機堡壘)、人力(沒有對象的建筑狗只能孤獨出圖)、時間(不想通宵)等因素的限制,顯然這種工作流不太現實。

    條件不夠,科技來湊,我選擇了rhino的動畫插件Bongo。軟件操作并不難,只是K幀是個耐心活,而且插件自帶的物件縮放功能有些坑爹,只好簡單粗暴地通過移動控制點來實現物體變化。再對rhino6的顯示模式進行微調,逐幀導出后在PS里進行合成,最終得到了一個簡單清新的生成動畫。

    ▲看這密密麻麻的操作軸

    雖然平時的日常匯報都是使用更為快捷的Enscape進行表現,但是最終的漫游動畫還是使用Lumion來制作,其優勢主要在于豐富的高質量素材庫與相比于前者更全面的動畫功能。Lumion10的真實天空與雨水沉淀可以營造出非常不錯的室外效果,但由于我的大部分鏡頭都在室內,且場景較為昏暗,Lumion不是很出色的間接光照明讓動畫效果有些拉跨,不過通過PR調色拯救一下,配上大提琴BGM,古典莊重的鐘庭氛圍便渲染出來了(然而被C老師吐槽說像音樂餐廳...)。

    方案效果展示視頻


    方案成果匯報視頻


    【結語】

    再次感謝三位老師的悉心教導,感謝學長的約稿(麻麻我上電視辣?。?/span>

    一般寫到這里,就到了一本正經地總結問題、展望未來的環節。提到GH,提到模擬優化,大家腦海中浮現出的大概都是扎嬸馬工那樣的各種炫酷異形,但這個方案好像用高科技造了個老古董。其實我覺得形式沒有高下,或者風格的區分本就無所謂,它們只是面對問題的不同解決方式推演出的不同結果,而推演的過程是可以評價的。

    在這次課程中,因為是第一次接觸結構熱工模擬,加上它們并沒有在一開始就介入設計,所以看起來只是在方案定型后進行修修補補的工作。由于上限已經固定,而且在過程中很難有必要和決心去推倒重來,故模擬優化起到的作用更像錦上添花而非不可或缺。雖然這次的結果已經較為滿意,但我覺得更有價值的嘗試是在一開始就從結構和熱工角度進行方案比選,這樣可以更好地利用這項工具。設計概念可能難以分出高下,但數據的好壞一眼便知,這樣明晰的指標在很多情況下靠“感覺”判斷的設計領域是多么有說服力!

    這大半年的風云動蕩,對同學們來說是一段難忘的回憶。即將回到闊別已久的校園,會更加珍惜在校學習的時光。希望本文能給大家帶來一點點啟發,無論是認同的還是批判的。也希望暫時沒有找到方向的小伙伴不要懷疑自己,而要去多聽、多看、多想??虏己吞乩崮菢庸饷⑺纳涞奶觳湃f里無一,而康給我鼓勵的一點恰恰是他前半生的默默無聞,苦心悟道五十年后方才一鳴驚人,用有限的生命去探索永恒。

    愿我們都能找到屬于自己的那束光!


    作者:同濟大學建筑與城市規劃學院建筑系本科生閆一飛

    來源:TransAxis設計坐標



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