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... 作者：胡正宇，英國皇家結構工程師學會(IStructE)資深會士(Fellow)，加拿大安省分會主席(Chairman of IStructE Ontario Division)，現持有英國皇家註冊結構工程師、加拿大ON/AB/BC省註冊工程師 Professional Engineer (P.Eng.)、BC省特別指定結構工程師 Designated Structural Engineer (Struct.Eng.) 以及中國一級註冊結構工程師等諸多國家和地區的頂級結構工程設計從業資質。胡正宇先生目前還是美國土木工程師協會正式會員(M.ASCE)，併兼任英國皇家結構工程師學會皇家註冊結構工程師考試閱卷考官（Marking Examiner of IStructE Chartered Membership Exam）。胡先生擁有超過二十年國際工程設計經驗，精通從超高層到大跨度等各種結構類型的設計及項目管理。現為加拿大國家鋼結構設計規範(CSA-S16)技術委員會委員，也是中國現行構築物抗震規範GB50191-2012主要起草人之一。 編者按：介紹一個這方面的優秀結構設計案例 – 倫敦的滑鐵盧火車站頂棚鋼結構設計。需要特別說明的是：以下文中所涉及的所有項目相關資料及圖片除部分自有外均收集整理自網際網路，版權歸原作者所有。另本文並非學術性論文，僅為供各位讀者茶餘飯後閱讀消遣的一般綜述性文章，錯漏之處，敬請各位見諒。 滑鐵盧國際列車站（Waterloo International Rail Terminal）設計於80年代末，於1994年11月14日建成開放，到2007年11月13日關閉為止，一直是歐洲之星（Eurostar）國際鐵路服務的倫敦終點站。在2017年8月部分站臺重新開放後不久又再度關閉進行大範圍的改建擴建，於去年年中完成改建擴建工程並再度對外開放。對普通大眾來說，這只不過是一個大型火車站而已，似乎沒有什麼過於特別的地方。但對於建築和結構工程從業人員來講，由建築師Nicholas Grimshaw 和結構工程師Tony Hunt為這座火車站所設計的TrainShed鋼結構頂棚則在現代建築和結構工程領域具有相當突出的行業知名度和重要地位。今天我們就來領略一下它的結構設計，製作及施工安裝的精妙之處。 結構設計 01 滑鐵盧國際列車站拱形屋蓋鋼結構頂棚設計是結構工程師Tony Hunt和建築師Nicholas Grimshaw兩個團隊之間密切合作的產物。正是因為建築和結構設計團隊在從鋼結構主體屋架體系到屋蓋及玻璃幕牆系統的連結構造等建築物的各個方面進行了全面的協作，才創造出了這一在視覺上和技術上均性能優秀的建築。但在當初的設計時，擺在建築師和結構工程師們面前的卻是一系列的挑戰和難題。 首先是場地幾何條件限制。場地幾何形狀的特殊性使得結構和屋蓋系統的設計方案非常複雜。從平面來看，如下圖所示，該頂棚屋架的跨度從北端約55m寬沿著鐵軌的走向沿著不規則曲線過渡到南端約35m的寬度逐漸減小。由北至南整個屋蓋的長度大約400m。而在此範圍內，必須要容納5條鐵軌及其相關平臺，而鐵軌和候車平臺的布局是由火車運行要求決定的，所以無法變動。 ▼ 滑鐵盧國際列車站鳥瞰圖 (圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ...... 而且，一個更為特殊的問題是，其中一條軌道位於非常靠近屋架系統的西側邊界位置。這使得拱形屋架的西側支座處拱的主體拱架必須要設計得更加」豎直」，以滿足火車在最西側鐵軌上運行所需的最小凈高要求。 ... 另外一個則是屋蓋的高度限制。屋蓋總高度被限制為15m (從支座樓面標高算起)。之所以規定總高度限制為15 m，是因為英國鐵路局原來打算在頂棚部分的上方再建造一個僅有空間使用權（air-rights）的建築，作為為該項目提供資金的收入來源。但這一限制對鋼結構頂棚的設計產生了重大的影響。因為對所有拱形鋼結構頂棚來說，矢跨比是決定拱體的結構體系的最為重要的因素。[儘管英國鐵路局後來放棄了這個想法，但為改變火車站頂棚的設計而作出的決定為時已晚。] ▼ 滑鐵盧國際列車站剖面圖 (圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ... 第三個限制條件是頂棚屋架結構的支座條件和沿鐵軌方向的長度。整個屋架系統沿著鐵軌方向由北向南分別支承於一系列不同高度和體系的已有建築結構上，同時部分榀拱的支座則支承於新建的鋼筋混凝土建築上，如下圖所示。另外，下圖的2至17軸之間軌道結構被設計成連續的，沒有任何伸縮縫，這對上方的鋼結構屋蓋結構也會產生一定的約束。因此屋蓋結構的設計不僅需要考慮到在火車運行時，由不同支座條件剛度所引起的空間三個維度的支座變形，同時還要考慮到由於2至17軸之間整體結構由於其超長而引發的溫度應力和變形。 ▼Plan layout showing different supporting structures(圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ... 最後一個主要限制條件就是屋蓋所設計承受的荷載條件。除普通的風，雪等荷載外，這裡需要特別指出的就是由建築屋面系統所確定的附加荷載。當時建築師在設計這個頂棚屋蓋時所設想的一個主要原則就是這個屋蓋既可以將建築物的內部空間圍合實現其遮風擋雨的建築實用功能，又希望屋蓋系統能夠具有充足的自然採光，尤其是西側對著倫敦倫市中心和泰晤士河方向的一側，建築師希望將這一側的屋面系統設計成輕盈透明的玻璃幕牆系統。這樣西側的屋蓋則實現著採光觀景的建築美學功能；而頂部及東側的大部分屋蓋即主要為較重的不透光保溫的屋蓋系統，以實現建築的實用功能並儘可能地節能。這樣一來整個屋蓋體系就受到了不對稱的恆載作用，定性的如下所示： ... 相應的在附加恆載作用下的彎矩圖則如下圖所示。圖中藍色區域為三鉸拱下受拉區域，而紅色區域則為三鉸拱面以上受拉區域： ... 所以，結構設計必須要滿足以上所列的一系列的限制條件及原則。首先，基本的結構布置必須要儘可能規則（施工簡單），屋蓋主要的承重結構元素必須要在寬度方向上橫跨整個需覆蓋的火車軌道及站臺區域，並用於支承上覆屋面系統（東側的普通屋金屬保溫屋面系統和西側的玻璃採光頂系統）。因此Tony Hunt在設計屋蓋主承重結構元素時，採用了不對稱的單跨跨越建築物整個寬度的三鉸拱結構體系，在構建三鉸拱兩拱肢的空間形態時，考慮到拱架受荷特徵，按照結構在主要荷載載作用下沿主屋架所受的彎矩分布特徵，創造性地提出了三角形漸變梭形桿件截面的三鉸拱體系。東側的受拉桿置於主弦桿的下側，而西側的受拉桿置於主弦桿的上側。以使得三鉸拱具有最符合力學受力特徵的幾何形態（張弦拉桿設置的位置同體系在荷載作用下的彎矩圖基本一致！）。 ▼ 滑鐵盧國際列車站三鉸拱主桁架南立面視圖 (圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ... 這樣的結構體系本身在空間視覺感官上相當引人注目並且為建築提供了具有特殊力學美感的結構空間，因此為建築師所接受。同時，這種形態的屋架體系還意味著屋蓋結構的任何部分都不會對其所覆蓋區域內部空間的使用造成任何影響，因此完美地解決了屋蓋西側邊緣的鐵路軌和屋蓋之間空間狹小所需的凈高問題。因為這一屋蓋體系在最西側軌道上方幾乎沒有占用任何室內空間（張拉弦桿設置在主弦的上方）。 ▼ The principal space trusses were arranged as an unsymmetrical 3-hinge arch that could accommodate movement without the introduction stress to the steelwork. (圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ... 同時三鉸拱體系可以最小化支座不均勻位移及沉降對屋蓋主承重構件的影響，因為理論上支座的變形對三鉸拱體系並不會帶來任何次生應力的影響。 ▼ 滑鐵盧國際列車站三鉸拱主桁架3D模型視圖 (圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ... 對於屋蓋次結構而言，由於鋼屋蓋的總長度由南至北約400m，其長度遠遠超出了屋蓋次結構系統所能允許的範圍。因此沿屋蓋南北長度方向每隔50-60m即設置一道變形縫(Expansion Joint)，如下圖所示。變形縫的設置可以有效地減少在屋蓋次結構中由於溫度變化而產生的溫度應力對屋蓋次結構的不利影響。同時變形縫還能有效地協調由於支座變形，結構在荷載作用下的變形以及施工誤差導致的各變形段之間的空間位置差異。變形縫同歸簡單的套筒構造得以實現（即大鋼管插一個小鋼管的構造） ▼ Plan layout showing location of expansion joints (圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ... 事後看來，這種鋼結構體系的設計似乎顯得非常簡單，符合邏輯且水到渠成。但是在沒有給出答案並沒有任何先例作參考的情況下，第一個提出的最簡單最符合力學規律的方案即為真正的創新。儘管事後看來似乎也不難理解。通過這種合理的三鉸拱設計，拱架所有的主要/次要受力構件均得到了最為合理高效的布置，並實現了其截面尺寸最優化，同時也滿足了針對於此特定建築物的各種要求。需要說明的是，如果沒有15m矢高的空間限制，三鉸拱的設計還會更加優化。現有的結構設計所呈現出來的相當複雜的結構構件的細節空間造型（如下圖所示）正是基於這一矢高限制下所得的最合理的且最接近理論最優的解決方案。另外。要將這一結構設計在沿軌道曲線漸變的不規則的狹長的場地上真正經濟地實現，同時又滿足建築師的設計構想，同樣需要有很高的創造力和執行力。在這一過程中，建築師Nicholas Grimshaw 和結構工程師Tony Hunt的團隊通過充分的合作，再一次展現了處理實際問題無與倫比的技能和效率。 ▼ 屋蓋三鉸拱主桁架空間節點構成 (圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ... 鋼結構製作 02 與三鉸拱桁架的製造相關的一個重要問題是：需要設計一種經濟的方法來應對主受力桁架由北至南沿著軌道曲線方向跨度逐漸變小而引起的尺寸和高度的變化。否則每一榀拱架各不相同，則製作施工均極為不便且造價高昂。對此，結構設計對三鉸拱主拱架的幾何尺寸的漸變已經作了考慮，所有桿件的空間位置都是按照成比例的縮放來實現的，如下所示： ▼Illustration of scaling factor for primary structure(圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ... 由上圖可見，主桁架的跨度從48.5m逐步減小到32.7m，並且屋頂的總高度以及桁架的深度和寬度與跨度的減小成比例地縮小。通過保持所有三鉸拱桁架的某些關鍵控制尺寸不變（例如，基礎鉸鏈之間的高度差）並按比例縮小所有其他桁架的尺寸，大多數節點處的幾何形狀對於所有桁架都是相同的-僅與其連結的桿件長度有所不同。同時在桁架縮放的過程中，對三鉸拱桁架各次桿件直徑的變化限制為兩個，這意味著每個節點連接僅需要兩個不同的模式。因此實現了顯著的標準化程度，這使得製造成本可以控制在可接受的範圍內。這也意味著所有桁架的外觀都非常相似，並且掩蓋了桁架尺寸的變化是逐步發生的事實。實際施工完成的結構給人的視覺感受似乎在不斷漸漸地縮小，而不是不連續地突變，這也是建築設計想要通過該建築傳遞給人們的視覺感官質量的一個非常重要的元素。 ▼ 三鉸拱桁架空間排列視覺感受(圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ......... 基於上述原則，三鉸拱桁架各桿件與桿件間的空間匯交節點的桿件連結節點構造對不同跨度的拱架都是一致的。這給鋼結構的節點製作帶來了極大的方便。因為這種標準化的節點設計可以以使鋼結構的製作變得大大簡化和標準化，也極大地降低了鋼結構構件的製作成本。但儘管如此，由於主拱架各匯交桿件的節點的幾何形狀還是比較複雜。因此，實現在視覺上令人滿意的複雜的空間三維節點問題的關鍵是使用可焊接鑄鋼節點（如下圖所示）。 ▼ 三鉸拱桁架頂部鉸鑄鋼節點(圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ...... 每個三鉸拱桁架的兩個基座鉸節點和頂部鉸節點是三鉸拱的主連結傳力節點，所以這三個節點的尺寸被設計得很大，並在造型上被設計為既顯得精緻優雅又能夠實現結構功能的形式。而構造最複雜的鑄鋼節點發生在主桁架的受拉側，如前圖所示，每個節點上最多有五個桿件單元和與穩定結構相關的另外三個拉桿與之相連。因此使用鑄鋼節點可以大大簡化節點的形式，這是傳統的焊接節點和/或螺栓連接所無法實現的。 另外，結構的受壓側和受拉側的大小不同也帶來了進一步的困難。三鉸拱桁架主弦桿由中跨位置處直徑為355 mm的圓形空心截面鋼管，尺寸減小到兩端的直徑為219 mm。桿件截面尺寸的變化通過端板連接。張弦桿為直徑75 mm的實心圓鋼桿。為了使結構的張弦側上的複雜連接的尺寸最小化，則必須要使構件的尺寸保持儘可能小。這意味著連結三鉸拱主壓弦桿和張弦拉桿的撐桿必須要是錐形的，這樣它們才能與一端與大直徑主壓弦桿連結，另一端與小直徑的張弦拉桿連結，並且兩端的連結接頭形成令人滿意的節點。而這種一端粗一端細的錐形元件是利用YRM Anthony Hunt Associates先前開發的技術製成的：即利用大型制動卷板機將梯形板彎曲以形成半錐體，再將其焊接在一起以形成圓錐形的錐形尺寸。這項當時用於在熱軋鋼中生產錐形元件的新穎技術是結構工程師Hunt的team為追求這項「優雅」的三鉸拱鋼桁架而進行的進一步創新。三鉸拱主桁架中所有連接節點的最終形式是通過CAD技術並與建築師Nicholas Grimshaw and Partners協商後開發和完善的。其標準即為不管是從結構和美學的角度來看，這些形式都具有良好的性能。 ▼ 三鉸拱桁架基座鉸鑄鋼節點(圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ... 鋼結構工廠預拼裝 03 由於每個桁架是在空間上是立體的，因此設計時對構件的運輸也進行了仔細考慮。當時的建議是將每個三鉸拱短邊一側的拱桁架作為一個整體進行製造和運輸，但是必須長邊一側的主拱桁架拆分為三個單元，然後使用HSFG螺栓接頭現場組裝。屋頂的幾何形狀要求嚴格控制製造公差，以確保拱桁架和屋面板之間的協調。在製造的每個階段都使用電子測距設備對所有尺寸進行了全面檢查。主要桁架在車間內組裝，並確定整體尺寸，然後再派往油漆車間和現場。 在鋼結構構件製作完成後，為了確保施工安裝的順利進行，對製作好的鋼結構還進行了工廠的模擬預拼裝。當時選擇了軸線15和16之間的單元進行了預拼裝。如下圖所示。之所以選擇軸線15和16之間的單元是因為它具有典型性，並可以代表整個結構的平均複雜度。下圖為當年的工廠預拼裝照片。 ... 鋼結構現場施工安裝 04 待所有的準備工作就緒，預拼裝也成功實施後，開始現場安裝。現場安裝從火車站北端（即三鉸拱桁架跨度最大的一端開始）每個部分都從一個完整的鋼製臨時支撐托架開始，一次向南延伸一個托架。具體做法是：第一步先根據在工廠車間測量所得的每個桁架的實際尺寸，將三鉸拱桁架的兩個基座鑄鋼節點構件安裝在軌道支撐結構上。然後將三鉸拱長肢側桁架分三部分運輸到現場，並在現場地面進行水平安裝成整體後再吊裝至臨時支架上以就位。然後將由工廠已經完成組裝的三鉸拱短肢側小桁架吊裝至相應的位置，將其低端就位至基座鑄鋼節點鑄件上，並將其按設計鉸接固定在鑄鋼支座。最後採用單獨的移動式起重機將三鉸拱桁架的長肢和短肢的內端分別吊起至設計就位點，使其叉形連接相互嚙合的節點在就位點合攏，最後安裝中心銷。至此一榀三鉸拱桁架安裝完成。臨時棧橋繼續提供橫向約束，同時繼續吊裝下一榀三鉸拱桁架，依次類推，直至吊裝完成。因此，整個施工安裝過程完全依據事先工廠中預拼裝所實施的方案進行，故鋼結構的施工安裝過程非常順利且高效。 ▼ 三鉸拱桁架現場安裝(圖片來自網絡，版權歸原作者所有) ... 結論及啟示 05 滑鐵盧國際列車站的TRAINSHED鋼結構頂棚是自19世紀以來英國大型火車站中建造的第一個同時具有金屬壓型鋼板屋面和玻璃採光頂火車站頂棚結構。它的建成得益於結構設計工程師的創新體系設計 – 即基於結構實際的受力模型所設計的與結構受力特徵相匹配的結構受力體系，從而在極大地實現了結構合理性和材料利用的高效性的同時也為建築提供了具有特殊力學美感的結構空間。另外，其設計施工安裝也得益於計算機輔助設計技術的應用以及焊接，鑄造，尤其是可焊接鑄鋼節點的使用。滑鐵盧國際火車站的TRAINSHED鋼結構頂棚也從側面向人們展示了在當時設計施工建設的年代，新技術是如何被迅速應用到建築鋼結結構的製作和安裝中。可靠的鑄鋼技術在整個20世紀的大部分時間裡都可以實現，但是直到1970年代才將其重新引入結構工程中。在滑鐵盧國際火車站的TRAINSHED鋼結構頂棚設計中得到應用並成功實施完工後，它幾乎已成為應用於現代鋼結構設計以處理複雜鋼結構節點設計的標準技術手段之一，由此可見，任何先進技術的推廣離不開設計先行，而先進技術的成功應用又反過來推動設計的創新以應對更複雜更具挑戰性的項目要求。我想這正是滑鐵盧國際火車站的TRAINSHED鋼結構頂棚設計的成功給我們帶來的一點啟示吧。 而從結構設計的角度來說，滑鐵盧火車站鋼結構頂棚設計在結構體系設計創新方面的成功應用，直接催生了現代結構設計的一個有意思的流派 – Adaptive Structural Design。儘管非主流，而且很多相關的創新大多是基於具體項目的要求和特點而量身定製，不具有很強的推廣普及性和可複製性，但從眾多結構工程師，建築師以及學者在這方面的結構探索中，我們不難看到結構概念創新的星星之火所發出的璀璨之光，這其中也許正孕育著下一個劃時代的結構設計創新，誰知道呢？

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