神秘的结构︱金贝尔美术馆 Kimbell Art Museum

预应力混凝土 Prestressed Concrete

Llorente Zurdo, Maria Paz & Anaya Diaz, Jesus & De Miguel, Manuel. (2013). An approach to patents of prestressed concrete in 20th Century’s architecture. 10.1201/b15267-128.

一开始,路易斯康关于屋顶结构工作的概念是错误的,因为他认为贝壳是拱形的,而不是梁,它们实际上是梁。 Komendant说:“从结构和建筑的角度来看,屋顶的设计是不诚实的,完全缺乏屋顶系统的优雅。我改变了屋顶的形状和配筋,以便使它们在结构上合理。在我的解释之后, 路易斯康 接受了。(Komendant,2000)

结构工程师Komendant引入的一项改进是:在天窗上部的最大受压点上,加厚。为了保持几何形状,Komendant对在壳体下半部分的钢筋进行后应力处理,从而消除了壳体产生的张力。

在所有这些修改中,后加应力将是重新确定壳体结构性能的最重要因素。产生这些张力的目的是能够把拱壳的支撑物变成柱子,正因为如此,所有空间的空间连续性得以实现。

工程师科米丹根据La Zarzuela Hippodrome(另一座由E. Torroja设计的建筑)正面看台屋顶上的贝壳来描述这些贝壳:他还称它们为一系列末端相连的鸟翼,加强了空间拱形视觉的另一端。所有这些都使屋顶的几何形状和结构功能变得清晰,因为它扩大了支撑最大应力的区域。

科曼丹特重新设计了两个方向的预应力板,以实现更好的结构工作。 路易斯康认为建筑应该根据材料、美学和执行条件的逻辑这样,每一个技术问题都会为建筑提供一个更有表现力的秩序。

金贝尔博物馆最大的遗产是其神秘的结构,以及其屋顶的自然和调整。位于墙和圆壳之间的玻璃表明这些墙没有承受屋顶的重量,而且只有柱子支撑着摆线体。这些“拱顶”的摆线形式的矢高其实可能更小,因为不需要很大的深度,预应力决定了这些壳体的受力方式。 

KAHN, KOMENDANT, AND THE KIMBELL

Caitlin Mueller: Structures + Architecture

Caitlin Mueller conducted as an independent research project, 2013 – present

© Caitlin Mueller

金贝尔的主要特点是一系列100英尺后张拉混凝土壳,这是一个令人印象深刻的壮举,无论是建筑和结构工程。壳体具有不寻常的摆线状截面,这导致了对其结构行为的混淆。例如,路易斯康经常将其称为拱顶,尽管它们的行为更接近于简支梁。

该项目的目的是阐明金贝尔贝壳的结构行为和著名的摆线形状的结构意义。此外,该项目旨在阐明Komendant的技术贡献如何影响并集成到最终结果中,这通常被认为是建筑和结构目标的成功协调。

金贝尔美术馆的拱顶建造简析

Brief Analysis of the Arch Construction of Kimbell Museum

王志强. (2009). 金贝尔美术馆的拱顶建造简析. 建筑与文化(10), 85-85.

筒壳单元体的使用是建筑师 路易斯康 Louis Kahn 的金贝尔(Kimbell)美术馆最重要的特征,不仅仅在结构与功能上达到统一,并且普遍被视为对古罗马建筑的回忆。

早期拱券的建造材料是砌块,借助粘合剂的发展建筑的跨度渐渐增大。拱券在古罗马时代达到了前所未有的高度,但是由于对柏拉图形偏好的审美习惯使得古罗马的拱券大都为半圆拱。关于拱的理论是直到18世纪才开始的,从力学的角度分析,拱形越接近压力曲线,受力越好。半圆形与理想的压力曲线出入很大,但是古罗马时代依然能够建造出巨型尺度的穹庐的秘密在于天然混凝土的使用。混凝土高强的粘合力掩盖了力学性能上的不足。

在古罗马帝国覆灭之后的动荡局势中,混凝土技术失传,在欧洲荒原上重建,开始阶段甚至大部分使用的是古罗马废墟的建筑材料。为了再次实现大跨度,中世纪的哥特教堂想要重新依靠试验来寻找正确的压力曲线,经历了罗马风时期的一系列尝试性建造后,尖拱和飞券最终被确定下来。尖拱最大的特点是打破了半圆拱矢高和净跨f=1/2L的唯一关系,同一矢高能适应不同的跨度,或同一跨度也能适应不同的矢高,不仅仅施工支模方便,而且能够适应不同面阔和高度的开间,并且比半圆拱更接近压力曲线。

筒壳结构的受力原理和拱又有所不同,在椭圆形和摆线形截面的筒壳甚至没有侧推力,只有类似于普通梁的剪力存在,又由于它是有很大的覆盖面,所以实际上已经产生了空间受力,截面形状的变化对力学的性能的影响比拱更加灵敏。其理论计算的模型直到1923年才由德国工程师弗兰兹•迪兹辛格(Franz Dischinger)提出,在计算机出现之前其力学的计算精确度一直难以提高。

金贝尔美术馆的“筒壳”和理论的形式有所不同,它的支座由抗侧推力/抗剪力墙进化成了四根柱子,因此它的力学性能是两种混合型的,完全是双向受力的空间结构,不属于经典的结构形式类型中的某一种。事实是侧面形状的选定并不是根据结构计算的结果来确定的,而是进行形式的选择之后再进行相应的结构设计。

金贝尔美术馆的工程设计记录表明路易康及其助手马歇尔•迈耶斯(Marshall D. Meyers)在设计过程中得到一本由Fred Angerer编写的混凝土筒壳的手册上选择他们想要的理想形式。在半圆,椭圆,摆线以及扇形中选择了摆线。

接下来的,路易康将筒壳分解成一个单纯的壳,下面由两个长边梁,两个短边拱支撑,再落到四根柱子上。在这一步中,四根柱子的设定也是个敏感的环节,这样等于不能采用传统的筒拱的做法来解决侧推力或筒壳的做法来解决端头剪力,但是同时路易康也换来了低密度柱网所提供的平面的自由性,为解决美术馆复杂的平面处理争取了有利条件。

结构方面,路易康和结构师奥古斯特•科门丹特(August Kommendant)的应对策略是:1利用混凝土技术将壳体浇得极薄(最薄处102mm)以最轻的质量带来最小的剪力,2在长短梁里设置了相应的预应力配筋,在剪力传递到柱子上之前将剪力平衡掉。这样整个筒壳就成为了类似于只有竖直重力的一块楼板,完全实现了结构受力上的自足。通过观察金贝尔的平面也可以发现每个单元都是独立的,没有任何共用柱子的情况。这里最为关键性的一步在于预应力钢筋的介入,其功能在于在不干预建筑形式的前提下改变结构类型。

因此在这里,结构受力的真实状况与结构外观给人的暗示并不一致。如果从路易•康成功将拱顶作为间接光源为展厅提供自然光照明这一点上来看,选择预应力钢筋却是恰如其分的。因为预应力钢筋允许在“筒拱”的顶端开缝,这里的位置原本是真拱结构券心石的所在地。这条细缝将自然光呈现在没有隔墙的展厅中,整个屋顶的形式并非完全由结构决定,而是在与结构一起成为反射天光的构筑物。所以,金贝尔美术馆的拱顶并非是一种模仿形式而掩盖结构的倒退,而是在当代结构技术条件下努力将光的设计融合进筒拱的原型性尝试。


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