互承结构 Reciprocal Structure

01 互承结构的特点

  1. 循环互承
    • 互承结构的构件之间相互支承。在这循环秩序中,每一个构件在支承其他构件的同时又被支承,两种相反的作用力让构件达到了平衡。
  2. 扁平组织
    • 互承结构是一种扁平组织结构,构件之间没有明确的单向层级结构,所有的构件不分主次,重要性都是均等的。扁平的结构能充分发挥材料的性能,但结构也容易失效,如果没有多余的约束,单个构件的破坏意味着整个结构单元的破坏。
  3. 节点分散
    • 互承结构的节点分散,避免了多个构件共用一个节点,因此节点构造相对简单。
  4. 受弯结构
    • 虽然许多互承结构的形式与拱和穹顶相似,但材料性能的利用上截然不同。拱与穹顶主要是利用材料的受压性能,而互承结构中的构件都为类似梁的受弯构件。
    • 构件借助相邻的构件的跨中作为支点,荷载作用下整个结构的形变效果会相互积累,所以互承结构具有非常小整体刚度。 可以通过截面形式提高单个构件的刚度,进而提高整个结构的刚度。
四梁构成的互承结构
剪力图与弯矩图
图源: Olga Popovic Larsen. Reciprocal Frame Architecture.

互承穹顶

Reciprocal Frame Structures
ACM Transactions on Graphics (ACM TOG), 32(4), Article No. 94, 2013
Reciprocal frames 
AAU ANASTAS
Reciprocal frames 
AAU ANASTAS
© Photos by Zach Donnell 

02 互承结构建筑应用案例

杭州南宋御街博物馆

  • 建筑设计:业余建筑工作室 王澍+陆文宇
  • 结构设计:申屠团兵,陈永兵

设计借鉴了木拱桥的互承结构。为保证牢固性,在局部使用了隐藏的钢结构小构件。

杭州南宋御街博物馆剖面图

日本富冈商工会议所会馆

  • 建筑设计:手塚建筑研究所
  • 结构设计:大野博史

在外墙斜方格表皮中利用互承结构承受水平风荷载。风荷载沿两个方向传递到边框,相较于单向传递路径,大大降低了梁中的弯矩,因此构件截面尺寸控制在170×170mm,长度被控制在3.6m左右。

弯矩分布图
日本富冈商工会议所会馆

上海西岸人工智能峰会B馆

  • 建筑设计:上海创盟国际建筑设计有限公司
  • 结构设计:张准,沈俊超,黄涛,王瑞

木构拱壳为互承方式的木梁,搭接木料截面为50✖500 mm的小结构单元。连接件采用了标准化的中空铝构造,增加构件搭接节点的刚度。对穿螺栓提供节点弯矩传递能力,形成半刚性节点,采用自攻钉节点,可以现场开孔打钉,具有一定的消解误差的能力。

连接节点
上海西岸人工智能峰会B馆

参考文献

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