13585605056周先生
前言：談到這兩年北美超大型商業地產開發項目，哈德遜廣場Hudson Yards無疑是最為耀眼的一個明星項目。Hudson Yards是位于紐約市曼哈頓切爾西區和Hudson Yards區的28英畝（11公頃）的一個超大型的房地產開發項目。項目分兩期實施，其中一期（Eastern RailYard）于去年（2019年）開放，包括一個公共綠地和八棟體態各異的建筑，其中包括住宅，酒店，辦公樓，購物中心和文化設施。二期（Western RailYard）將包括住宅空間，辦公樓和學校。目前尚未開始建設。整體完成后，位于中城南部西側的16個規劃單體建筑中的13個將坐在西側長島鐵路列車的存放場圍場上方的新建的平臺上。
Hudson Yards 一期單體建筑群
而在已建成的哈德遜廣場Hudson Yards一期（Eastern RailYard）工程中，于去年4月初盛大開業的The Shed藝術文化中心(The Shed art and culture centre)無疑是這超大型明星開發項目中的一顆“明珠”。鑒于The Shed在哈德遜廣場中所處的特殊位置，每個紐約人都可以以負擔得起的價格在其中參與或舉行文化活動的并同時可飽覽周邊云集的各具特色的豪華物業，這無疑是該項目的一個顯著的特色之一。但是，The Shed這棟建筑物自身也極具特色，今天我們就來聊一聊它的結構設計。
The Shed - 結構簡介
The Shed是一棟與相鄰新建的高層建筑在結構上相連的八層的主體鋼結構大樓（ 包括一個展覽和活動空間，幾個畫廊，一個帶排練室的劇院和一個創意實驗室）和一個巨大的倒“U”形可水平沿東西向滾動移進移出的機動鋼結構罩殼（The Shed，建筑即以此命名）組成。緊鄰大樓東側是一個1860平方米的大型開放空間廣場，可用于音樂會，活動和表演等集會活動。當這個支承于 16個可滾動的淬火鍛鋼輪之上的鋼結構罩殼在12個電動馬達的驅動下沿軌道向東完全移出時（總滾動距離可達35m），這個原本作為廣場的開放空間則可以完全由鋼結構罩殼所封閉。
The Shed - 閉合狀態
The Shed - 開啟狀態
當可滾動的機動結構罩殼完全移出時，這個具有9 m高升降門的結構罩殼所圍合的內部創建了可容納2700人的全封閉且保溫隔熱的視聽空間（McCourt），該空間的創造使得固定結構首層樓面的實用功能空間得以加倍，并且該空間光線控制可使得空間內部完全變暗，與傳統的室內空間光效果一致。Shed大樓東側的立面區域可以大面積開放，使得大樓內部得固定空間同當結構罩殼打開后其籠罩的空間直接聯通。例如，當結構罩殼打開后室內進行觀影或展覽活動時，可使得一部分的展品或觀眾布置于室內固定空間，另一部分靈活布置于室外結構罩殼所圍合的空間。當不舉行活動時，則倒U形的鋼罩殼結構連同其上所附著的148片銀色有光澤的ETFE充氣膜腔體將滾動收回到其主體鋼結構大樓的外圍，緊貼著主體鋼結構大樓的屋頂和側面。
The Shed的倒U形可滾動的鋼結構罩殼的結構設計由為此專門開發的鋼型材制成的對角格子形態的巨型柵格結構。這些巨型柵格都是在車間分段預制，最后在現場焊接安裝在一起。這個巨大的倒“U”形鋼結構罩殼支承于總共16個淬火鍛鋼輪之上，依靠十二個協調工作的電動馬達在設定的軌道上來回移動。每個鍛鋼輪與兩個軌道的接觸面大約承受250噸的重量。因此，The Shed由兩個完全獨立的結構組成：固定的中心支撐體系的鋼結構主體建筑和可沿軌道滾動的倒“U”形機動鋼結構外罩殼組成，如下圖所示。
The Shed – 3D 結構模型
The Shed – 固定部分鋼結構主體
高35 m的不可移動的鋼結構主體建筑有三個雙層樓高的畫廊空間和一個帶天窗的單層樓高的頂層空間。支承畫廊樓層的結構層的是由南北向凈跨度為30 m并在南北邊跨各懸挑5m的鋼蜂窩梁+上覆混凝土的組合壓型鋼板組成。鋼蜂窩梁梁高1.6m，其南北兩端的末端懸臂延伸到南北立面。鋼結構主體建筑形似一個三邊形的盒子，由兩個電梯核心筒和南、北以及西側的鋼斜撐形成框架的抗側力體系。而在結構的東立面沒有任何斜撐及柱，因此底部雙層層高的樓層在舉辦活動時可完全打開，與伸出的機動鋼結構外罩殼所形成的圍合空間形成一個整體。而由鋼索張拉的玻璃幕墻體系可確保主體建筑北側和南側最大限度的視覺通透性。
The Shed – 3固定部分鋼結構主體結構模型
The Shed - 可移動鋼結構外罩殼結構
而可滾動的機動鋼結構外罩殼圍護結構也設計成具有三個側面和一個頂面的倒U形盒子。西側完全沒有結構元素，而另外的三個側面均由開放的斜交巨型支撐柵格結構組成。用于支承屋頂的南北跨向的鋼桁架梁與鋼罩殼南北兩個側面的主鋼構剛性連結，連結區域節點圓弧過渡。同時在屋頂主鋼桁架梁的上下弦之間所形成的空間可作為舞臺設備層空間用以安裝供演藝用的舞臺設備。
The Shed - 可移動鋼結構外罩殼結構內景
The Shed - 可移動鋼結構外罩殼結構 3D模型
The Shed - 可移動鋼結構外罩殼結構load Path
鋼罩殼外立面和屋頂均覆蓋著由ETFE制成的充氣膜泡模塊，ETFE是一種半透明的輕質材料，比玻璃更節能，更具成本效益。選擇充氣的三層或四層ETFE鋁箔緩沖墊不僅因為其重量輕，具有良好的隔熱性能，而且當鋼罩殼在滾動移進移出時對由運動引起的磨損公差有較高的容忍性。
The Shed - 可移動鋼結構外罩殼結構 – ETFE 充氣膜單元
定制的軋制外殼型鋼
在鋼罩殼的南北外立面，由垂直和對角形態的鋼支撐斜交構件定義了可滾動鋼罩殼結構南北外立面的主要受力結構體系。垂直的構件具有沿高度方向等截面的梯形橫截面形式，而當這些梯形截面構件在向上延伸至屋頂的曲線中合并為坡形過渡輪廓。而對角形態的構件設計為漸變的四邊形橫截面，在節點區域達到其最大寬度并向中心逐漸變細，而當構件在節點區域變寬時，其側面也相應的在形態上發生翹曲狀變化。
The Shed - 可移動鋼結構外罩殼構件單元
The Shed - 可移動鋼結構外罩殼構件單元現場安裝
The Shed - 可移動鋼結構外罩殼構件單元現場安裝
對于這種結構構件，結構設計時，構成構件各側面的鋼板不但要滿足強度和剛度要求，而且要滿足其幾何形態及外觀的要求。為了降低加工制造的復雜度，它們被設計得較厚，以避免在構件腹腔內設置內部加勁肋，同時將撓曲變形限值到最低。此外，還必須要限制鋼板不能太厚，以確保在構件轉角過渡區域得翹曲變形形態在生產加工安裝時得以順利實施。因此在設計時，主要采用板厚在10到50毫米之間,強度為S355和 S460的鋼板以確保在加工制作時易于成型。
鋼罩殼結構在重力荷載作用時的內力分布示意
鋼罩殼結構在側向風荷載作用下的內力分布示意
鋼罩殼結構構件節點的應力分析
可移動鋼罩殼結構的驅動系統和機動機制
在固定建筑物的屋頂上使用帶有兩個滑軌的齒條齒輪傳動裝置來移動建筑物。這兩個滑軌之一帶有吊桿（如下圖所示），該吊桿僅以極高的水平力支撐在固定建筑物的屋頂上，因此可以使原本靜態獨立的建筑物相互支撐。在電機的驅動下這種結構機制可為鋼罩殼結構的水平移動提供驅動力。
屋頂牽引軌道
屋頂牽引機構
屋頂牽引機構節點放大
而整個鋼罩殼的重量由底部六個安裝于鋼軌上的可滾動的淬火鍛鋼滾輪支座來承擔。每個輪子寬250毫米，直徑1.8 m，可以在MRS 221鋼軌道上滾動（由下圖所示）。
可滾動的淬火鍛鋼滾輪底座
這些支座中有四個分別由兩個輪子組成，而在東側，兩個載重量最大的支座有四個輪子。在行駛狀態下，最大滾輪負載為3500kN，在怠速狀態下，滾輪最大負載為4000kN。整個鋼罩殼在一對75m長的導軌上運行，每對導軌之間的距離為1m，通過萬向節來平衡了每對車輪中的不均勻載荷。
淬火鍛鋼滾輪底座照片
水平驅動器通過扭矩座和滑動軸承連接到鋼罩殼結構的頂部桁架。兩個滑架分別由六個15 HP電動機驅動，這些電動機通過行星齒輪驅動小齒輪。動態控制系統和變速電動機可實現傳動過程中的平穩加速和減速。以大約每分鐘7.5 m的速度，大約需要五分鐘才能完全伸展或歸位4000t的鋼罩殼結構。
屋頂牽引機構加工照片
參數化幾何建模的應用
結構設計采用有限元模型進行結構分析計算。在設計階段，為鋼罩殼的斜撐體系歷經了多次的設計優化調整，因此利用參數化幾何模型的優勢，這些調整得以快速而順利地應用于結構分析模型中并將設計結果對設計團隊進行了快速的反饋，這一設計流程在確保設計進度中發揮了至關重要的作用，本項目的參數化幾何模型的調整時采用由Thornton Tomasetti所開發的模型處理平臺Konstru并專為Grasshoppers所開發的應用得以實現?？梢灶A見，參數化幾何建模的應用及調整勢必會在未來復雜空間結構項目中大有用武之地。
結論與啟示
作為集優美的建筑造型和功能空間的設計，合理的結構設計，精湛的制造與施工技藝于一體的 The Shed 將毫無爭議地成為哈德遜廣場Hudson Yards的新地標之一，吸引著世界的目光。但是對我們結構工程師來說，這不僅是一個工程杰作，更為我們打開了結構設計未來的一個想象空間，即結構工程與機動機構及機械工程的結合將使得未來的結構設計更為強大，能夠實現更多地傳統設計無法達到的效果，實現更復雜的功能。我想這才是 The Shed 所給我們最為可貴的啟示吧。創新永無止境！
The Shed 實景照片
