预张拉索网结构观景塔设计分析

1、建筑设计与结构材料选型基乐斯山观景塔 斯图加特，德国，2001，sbp小组成员：苏章娜 郭焕金 方素 林逸风 胡沁欢 Killesberg Tower in Stuttgart, Germany，2001 sbpPART I 项目基本概况PART I 项目基本概况结构师 Jrg Schlaich（1934）约格施莱希德国斯图加特学派结构工程师。在桥梁、大跨结构和复杂结构方面有开创性工作。是Schlaich Bergermann & Partner.事务所的联合创始人事务所 Schlaich Bergermann & Partner1980年由Jrg Schlaich 和 Rud

2、olf Bergermann成立。参与了1972年慕尼黑奥运会场馆的设计.结构师简介PART I 项目基本概况结构师 Jrg Schlaich（1934）约格施莱希 1953-1955 Stuttgart University 1959 Technical University of Berlin 1959-1960 Case Western Reserve University inCleveland 1963 Leonhardt & Andr事务所 1980 成立Schlaich Bergermann & Partner事务所结构师简介PART I 项目基本概况代表作品桥

3、Vidyasagar Setu or Second Hooghly Bridge Hoern Bridge in Kiel , Germany塔Schlaich Tower in Weil am Rhein, Germany Killesberg Tower in Stuttgart, Germany, 2001体育场馆 Nelson-Mandela-Bay-Stadium in Port Elizabeth , South Africa, Mai结构师简介PART I 项目基本概况建筑 卢斯事务所结构 sbp事务所建筑所在地 德国，斯图加特，基乐斯山建造年份 2001基本规模 总高43m，结

4、构高度40m， 底直径21m， 4层平台， 48根交叉绳索 348级台阶 中央桅杆直径508mm结构类型 预张拉索网结构建筑造价 约118万欧元PART I 项目基本概况设计概念 原计划为1993年的世界园艺博览会建立，为游客提供一个纵览公园的观景点 在这里，塔完整了斯图加特的U形绿化系统，并将之从斯图加特的心脏地带，延伸到基乐斯山山顶，观景塔成为城市型的花园景观地带和城外郁郁森林大地的过渡点U形绿化系统/Grne U 由景观设计师汉斯卢斯规划设计的斯图加特城市绿化系统，连接各个公园和城市花园，Killesberg塔从一开始就作为U形绿化系统的重要标志点。PART I 项目基本概况设计概念 原

5、计划为1993年的世界园艺博览会建立，为游客提供一个纵览公园的观景点 在这里，塔完整了斯图加特的U形绿化系统，并将之从斯图加特的心脏地带，延伸到基乐斯山山顶，观景塔成为城市型的花园景观地带和城外郁郁森林大地的过渡点U形绿化系统/Grne U 由景观设计师汉斯卢斯规划设计的斯图加特城市绿化系统，连接各个公园和城市花园，Killesberg塔从一开始就作为U形绿化系统的重要标志点。旧草图PART I 项目基本概况设计概念 从外观上看，观景塔的结构原型来自于施梅豪森的冷凝塔。基乐斯山观景塔施梅豪森冷凝塔PART II 建筑设计特点PART II 建筑设计特点区位分析ROSENSTEINPAKKLEI

6、BFRIEDSCHER GARTENWARTBERGKILLESBERGKillesberg Tower位于Killesberg Park,Killesberg Park是斯图加特市的景点之一，也是平时市民休闲活动的场所。其可分为KILLESBERG,LEIBFRIEDSCHER GARTEN,WARTBERG,ROSENSTEINPARK 四个部分。 Killesberg Tower位于其中的KILLESBERG部分。PART II 建筑设计特点区位分析Killesberg Park 公园历史上是一个 工业用地采石场。这里的砂岩被集中开采了很长一段时间，留下了参差不齐的人工地形，就像是未愈合

7、的伤口。之后经过新一轮的公园设计，Killesberg Park 重新焕发生机，巧妙地地形改造和增加的众多小径成为了公园主要景观。而Killesberg tower 便是这个时间段建造起来的。如图红线区域为塔所在的区域PART II 建筑设计特点总平面分析奶吧塔咖啡馆玫瑰谷亲水花园春秋花甸园公园餐厅Killesberg Tower (图中红点区域）周围地势较为平坦，分布着奶吧，亲水平台，公园餐厅，春秋花甸园，玫瑰谷，咖啡馆的景点和设施。塔四周树木繁盛，景观视线良好。建筑对环境的呼应PART II 建筑设计特点亲水花园平台观赏林玫瑰谷春秋花甸园Killesberg Tower 在其周围形成了四个

8、景观带，从塔上往四周望去，景观感受互有不同。PART II 建筑设计特点周边环境图片建筑对环境的呼应PART II 建筑设计特点观景可选择在不同高度俯瞰周围，且360度无死角。建筑对环境的呼应PART II 建筑设计特点仿佛空中悬浮着超大的鱼眼相机建筑对环境的呼应PART II 建筑设计特点仿佛空中悬浮着超大的鱼眼相机建筑对环境的呼应PART II 建筑设计特点景观倚靠高度优势，优美纤巧的体态可轻易进入周围环境的画框建筑对环境的呼应PART II 建筑设计特点倚靠高度优势，优美纤巧的体态可轻易进入周围环境的画框建筑对环境的呼应PART II 建筑设计特点塔上安有六个发射器，在夜晚可发出绚丽的光

9、彩各层平台示意图PART II 建筑设计特点PART II 建筑设计特点各层平台示意图PART II 建筑设计特点各层平台示意图PART II 建筑设计特点各层平台示意图立面图PART II 建筑设计特点0.000m8.000m16.000m24.000m31.000m33.500m40.400m竖向关系与视线PART II 建筑设计特点城市近郊远郊庭院花园公园绿化森林通过合适的高度设计，在城市的任何位置都能看见塔。在塔上也可饱览整座城。交通流线PART II 建筑设计特点如DNA双螺旋般上升PART III 结构选型与 构造设计分析建筑结构形式语言与建筑空间特点PART III 结构选型与构

10、造设计分析 基乐斯山景观塔整体使用预应力张拉索网结构，外部没有封闭性围护结构，护栏使用钢索网。整个观景塔除基础外均使用钢结构构件。纯钢结构在带来技术感之余也十分具有雕塑感。 由于外部不具有封闭结构，塔身受到的风荷载很小，观景塔的结构构件尺寸主要由活荷载及自重决定。这使得观景塔的索网、楼板、楼梯、桅杆等结构构件尺寸均比较小。建筑结构形式语言与建筑空间特点PART III 结构选型与构造设计分析 整个塔身向上逐渐收窄的形式十分符合细长比较小的建筑结构受力的要求。 远远望去，钢索消隐在空中，若隐若现，建筑体量十分轻盈。双螺旋楼梯盘旋而上，塔身逐层收窄，步步向上，观景塔的空间序列在最高层平台达到高潮。

11、建筑结构形式语言与建筑空间特点PART III 结构选型与构造设计分析 观景塔一共有四层平台，每层平台并不是完整的圆，而是中间掏空的圆环。作为观景塔，游人（活荷载）主要集中在平台的边缘，便于观景。 由于活荷载主要集中在边缘，平台中心的楼板在功能上作用不大，在结构上，楼板不起主要承重作用，靠近桅杆的地方被掏空可以减轻自重，节省材料。同时减少受风面积。建筑结构形式语言与建筑空间特点PART III 结构选型与构造设计分析 另一方面，楼板中心被掏空使得四层平台在视线上相互贯通，精致的结构能够被清楚地看见，丰富了整个建筑空间的层次。 楼梯只设置踏面不设置梯面的设计既减轻了自重、减少了受风面积，又使得观

12、景塔的空间通透性更强。建筑结构形式语言与建筑空间特点PART III 结构选型与构造设计分析在地面上平视塔从下往上看塔建筑结构形式语言与建筑空间特点PART III 结构选型与构造设计分析从塔上往外看从塔上往外看建筑结构形式语言与建筑空间特点PART III 结构选型与构造设计分析从塔上往下看从最高层平台看花环桅杆交接处建筑结构层级分解与受力分析基础桅杆与花环PART III 结构选型与构造设计分析索网平台梁与平台螺旋楼梯预应力索网结构 结构师 施莱希 建筑结构层级分解与受力分析基础桅杆与花环PART III 结构选型与构造设计分析索网重要结构构件尺寸建筑结构层级分解与受力分析承重体系PART

13、 III 结构选型与构造设计分析受压的塔柱用于在索网内产生预应力力学模型中环向索提供的横向刚度实际上由四个观景平台产生建筑结构层级分解与受力分析承重体系PART III 结构选型与构造设计分析观景平台充当了环向索的角色事实上，横向钢索并不是连续的一个环建筑结构层级分解与受力分析承重体系PART III 结构选型与构造设计分析桅杆对基础的力桅杆内力桅杆对基础的力拉索对压力环的力预应力拉索对基础的拉力预应力拉索受到的拉力拉索交接点受到的力拉索受到的拉力由于风荷载小，水平方向的力不大，主要受力为竖向力。竖向力由塔柱和索网共同承担。在网格上一部分以预张拉的索向向下传递，一部分悬挂在上部花环的压力环上，

14、对塔柱施压。连接索网与塔柱的平台，由凹形薄板放置在辐射的平台梁上，增加了塔身的横向刚度，使整个系统得以稳定。因此塔柱可以如此纤细。建筑结构层级分解与受力分析PART III 结构选型与构造设计分析LLabc基础、桅杆、花环、预应力索网组成结构整体后，大大地增大了结构的长细比，在预应力索网的稳定作用下，桅杆不易被弯曲，因而桅杆的截面尺寸可以大大缩小。承重体系PART III 结构选型与构造设计分析桅杆与基础连接处为铰接，节点小，有效地消解了桅杆的弯矩，受力合理，视觉上让人感觉桅杆脱离地面，使整体结构更为轻盈。桅杆与基础特殊结构问题预应力钢索与基础之间节点也为铰接。钢索与基础特殊结构问题钢索与花环

15、PART III 结构选型与构造设计分析预应力索网在顶部压力环处，每两条钢索铰接在一个压力环下部的转换点上，相应的转换点上部则铰接有一条拉索。压力环一方面改变了传力的方向，另一方面保证了索网的完整性和稳定性。最后悬挂索网收束在塔的顶部，把索网受到的力传给桅杆。特殊结构问题平台梁与楼板PART III 结构选型与构造设计分析铰接铰接桅杆平台梁钢索钢索与平台梁交接节点平台梁两端分别铰接在桅杆和钢索上，节点铰接而非刚接使节点可以设计得比较小。凹形薄钢板焊接在辐射的平台梁上特殊结构问题平台梁与楼板PART III 结构选型与构造设计分析主梁主梁主梁主梁次梁凹形平台板单元特殊结构问题平台与楼板PART

16、III 结构选型与构造设计分析主梁次梁边圈梁加固梁内圈梁首层平台梁架平台梁与楼板特殊结构问题平台与楼板PART III 结构选型与构造设计分析铰接铰接桅杆 平台梁（主梁）钢索钢索与平台梁交接节点在有集中活荷载（一个人）作用在平台上时，力先传到平台，由平台传给平台梁架，再把力传给桅杆和拉索。当有均布活荷载时同理。钢板集中活荷载特殊结构问题平台梁与楼板PART III 结构选型与构造设计分析活荷载由于平台梁两端均为铰接，有活荷载时，弯矩分布大致为两端小中间大。平台梁的立面尺寸设计大致与弯矩图相符。梁立面示意简图特殊结构问题平台梁与楼板PART III 结构选型与构造设计分析平台梁受集中荷载剪力弯矩

17、图（根据楼板位置设想受力范围）平台梁受均布荷载剪力弯矩图（根据楼板位置设想受力范围）特殊结构问题楼梯PART III 结构选型与构造设计分析 观景塔的楼梯由两组螺旋梯组成，两组梯以桅杆为中心中心对称，每一组梯有四段楼梯，与常见的两条边梁尺寸一致或接近的楼梯不同，观景塔的螺旋楼梯由单边梁进行主要承重，另一条边梁作为次要的承重结构。上下相邻的两段楼梯的外边梁被同尺寸的梁连接起来。 承重的外边梁截面尺寸较大，边梁与外部预应力索网间用金属构件连接在一起。两条边梁与平台焊接。特殊结构问题楼梯PART III 结构选型与构造设计分析 在楼梯上有活荷载时，大部分力从踢面传递到外边梁（粗）再传递到预应力索网上

18、。少部分力传导到内边梁再传导到平台上。 即整段楼梯主要由索网悬挂。 特殊的楼梯受力设计使楼梯的内边梁可以使用界面尺寸较小的构件。 整段楼梯既具有一定的雕塑感，又不至于太笨重。 建造过程与建造特色 整个塔除了基础为现场浇灌外，均采用预制的钢材。 其中，由于其楼梯的特殊造型， 为了保证现场组装的顺利，设计团队先进行了试装，确保无误之后拆卸运输到场地。所有的钢构件都在现场使用栓接或焊接的方式组装。 第一步：现场焊接基础钢筋网架 焊接预留索网与基础连 接节点的钢筋PART III 结构选型与构造设计分析建造过程与建造特色 第二步：现浇基础PART III 结构选型与构造设计分析建造过程与建造特色 第三

19、步：现场浇制索网与基础 连接的墩PART III 结构选型与构造设计分析建造过程与建造特色PART III 结构选型与构造设计分析 第四步：将第一节桅杆焊接到埋 件上与基础相连 第五步：搭建脚手架，将平台梁 铰接到焊接在桅杆上与 平台梁连接的节点， 建造第一层平台，安装 第一层的楼梯建造过程与建造特色PART III 结构选型与构造设计分析 第六步：以第一层平台作为基准工 作平面，往上焊接安装下 一段桅杆，搭建脚手架， 将平台梁铰接到焊接在桅 杆上平台梁与桅杆连接的 构件 从第二层平台与桅杆的连 接节点悬下钢丝索连接在 第一层平台上，作为临时 承重构件 第七步：循环步骤六至所有平台安 装完毕

20、第八步：在桅杆顶部安装塔顶部的 索网转换层，并让它自然 下垂建造过程与建造特色PART III 结构选型与构造设计分析 第九步：将塔身部分使用的钢索 一条一条地固定在索网 转换层的压环上，并根 据结构网与相应的基础 墩连接 第十步：连接外部索网与平台， 楼梯等构件，对索网 施加预应力，固定索网 及索网与其它构件之间 的节点 第十一步：撤除临时承重钢丝索 塔结构部分完成特色构造设计 正文用18号字PART III 结构选型与构造设计分析把基础埋在地下，仅裸露铰接点，使观景塔与地面的交接十分轻盈。特色构造设计外围栏使用金属索网用金属构件把围栏悬挂在预应力索网上PART III 结构选型与构造设计分

21、析特色构造设计内围栏结构从内边梁向上伸出竖钢柱，内围栏网悬挂在竖钢柱上。PART III 结构选型与构造设计分析特色构造设计灯具悬挂构造PART III 结构选型与构造设计分析特色构造设计 正文用18号字PART III 结构选型与构造设计分析平台梁与桅杆铰接构造特色构造设计PART III 结构选型与构造设计分析钢索空中相交固定节点 Shukhov towerRussia，1922 H=350m Cable Net Dry Cooling Tower Germany，1974 sbp H=146 mLocation Weil am Rhein, Germany， 1999 sbp H=20m

22、 Killesberg Tower in Stuttgart Germany，2001 sbp H=40 m原型1.0版3.0版2.0版结构演进PART III 结构选型与构造设计分析Killesberg TowerDouble Helix Look Out TowerLandesgartenschau WismarLookout tower on Podvrsi u Veselice hillPyramidenkogelPetrin Observation Tower 相似结构比较Killesberg Tower 显得更轻盈更优雅PART III 结构选型与构造设计分析不同结构比较砌体结构预

23、应力混凝土刚架结构索网结构安全性经济性技术性PART III 结构选型与构造设计分析PART 模型制作PART 模型制作节点模拟钢丝网与地基节点基础墩与地基之间用502连接以模拟混凝土现浇，而钢丝网穿过基础墩上小孔以模拟铰接节点钢丝网相连节点通过方形开孔小块将交叉钢丝网固定在一起，模拟钢丝网之间的金属稳定节点。PART 模型制作节点模拟楼板与桅杆节点楼板梁模拟实际节点的形状，但是出于模型稳定性的考虑，节点被方法。另梁与桅杆以及具体节点之间均为502相连，为刚性节点。与实际的铰接节点有偏差桅杆顶部节点桅杆顶部圈环开24个小洞，将透明鱼线从中穿过两次模拟塔顶索网收束环的节点PART 模型制作建造过程模拟预制楼板因没有办法模拟实际建造过程中现场焊接钢楼板和钢梁的过程，所以先将每层楼板和梁先预制好放在一起备用。PART 模型制作建造过程模拟楼板搭建