“能達(dá)云+星湖月城市展廳項目”位于南通經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)能達(dá)市民廣場，建筑團(tuán)隊希望借由景觀式的建筑設(shè)計和空間功能的升級，塑造一處兼具美觀、趣味及功能性的公共休閑活動中心。項目由兩處彼此呼應(yīng)的空間，開放式的“云”和閉合式的“月”組成。
由于項目區(qū)塊地處能達(dá)園區(qū)的核心位置，布置實體建筑勢必會遮擋園區(qū)的景觀視線。建筑團(tuán)隊在進(jìn)入項目之初就已確定下來此次項目的概念方向：在完善功能性的同時，讓場地中的建筑景觀和綠化景觀能夠相互“借景”，設(shè)計一個近乎透明的構(gòu)筑物。
因此，建筑師對“云”的效果訴求很清晰：
- 結(jié)構(gòu)上要體現(xiàn)“云”的主題和意境；
- 具有極致通透感，水平向構(gòu)件視覺遮擋最小，務(wù)必使鋼梁厚度最小，最好就是一片板，要的是“云淡風(fēng)輕”，而不是很大的鋼梁，“烏云密布”。
- 各個視角結(jié)構(gòu)有一定的變化，不至于太呆板。連接云片的豎向構(gòu)件也希望采用鋼板制作。當(dāng)夕陽西下，透過云時，有一種云蒸霞蔚的感覺。
一片板做鋼梁！看看建筑師的模型，最大柱間距達(dá)到了6.7m，如鋼板厚度10mm，橫梁鋼梁高度合理性的跨高比是多少？ 670！而人云梁的合理跨高比為10~30！人云亦云間，結(jié)構(gòu)難實現(xiàn)。
看完建筑師的初步模型（圖 1、圖 2表示經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型），與其說是一朵由“云片”（水平向構(gòu)件）和“刀片”（連接云片的豎向構(gòu)件）組成的云，不如說是一朵擺在結(jié)構(gòu)工程師面前的“疑云”：
- 云片（水平向構(gòu)件）采用鋼板制作，柱支點(diǎn)之間的梁跨高比遠(yuǎn)超常規(guī)鋼梁尺度，云片豎向剛度是否能夠保證？
- 為了避免呆板的建筑效果，鋼板立柱在云片上下層之間不連續(xù)交錯布置。豎向力是否可以在不斷轉(zhuǎn)換中傳遞到基礎(chǔ)？
- “云”由立柱支撐，如何避免立柱與云片交界處的集中彎矩過大？
- “云”結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度從何而來？
- “云”斷面呈圓弧狀布置，如果保證結(jié)構(gòu)不外鼓、不向外傾倒？
- 為了取得較好的建筑效果，豎片的寬度相對云片寬度有較大的退進(jìn)，造成了豎片與云片之間的連接存在較大的偏心（如圖 5所示）。此偏心是否能實現(xiàn)？如何通過計算反應(yīng)此偏心的影響？
如此云云，“疑云”不少。我們對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概念性的分析，認(rèn)為通過適當(dāng)調(diào)整布置和優(yōu)化，此結(jié)構(gòu)存在可行性：
- 云片通過刀片連接成整體，雖然刀片厚度較小，但只要適當(dāng)加大刀片的厚度，就可以使得“刀片”的抗彎剛度遠(yuǎn)大于“云片”的抗彎剛度，從而形成“空腹桁架”的效應(yīng)，將大大加強(qiáng)云片的豎向抗彎剛度。
- 云片雖然是鋼板梁，但由于其呈環(huán)向，板內(nèi)存在較大的張力，云片將可以提供一部分應(yīng)力剛度，以解決梁跨高比過大抗彎剛度不足的問題。
- 結(jié)構(gòu)上可以將頂部云片連接成封閉的環(huán)狀（圖 3），通過封閉頂部云片，使結(jié)構(gòu)形成完整的殼體，結(jié)構(gòu)整體剛度得到了很大的加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)外鼓和傾倒的問題被結(jié)構(gòu)的環(huán)梁張力所解決。
- 將立柱頂部設(shè)置成三個分支的樹杈柱，將柱頂?shù)募袕澗仉x散成三個樹杈的軸力，避免局部應(yīng)力過大。
- 關(guān)于偏心的問題，通過通用有限元軟件可以進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，反映偏心的真實狀態(tài)。
另外，云的側(cè)向剛度如何？仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力特征可知：
- 以豎板作為立柱，水平板作為橫梁，形成了多跨連續(xù)鋼框架（立柱上下不對齊，但可通過水平板在每層傳遞水平力。）
- 由于結(jié)構(gòu)呈球狀，一個方向的側(cè)向力通過水平板傳遞至與側(cè)向力方向一致的豎向板上，從而通過豎向板面內(nèi)足夠大的抗剪能力傳遞水平荷載。
- 最后傳遞至分叉柱頂，并由立柱傳遞至基礎(chǔ)。
綜上所述，通過對結(jié)構(gòu)的完善和優(yōu)化布置，結(jié)構(gòu)將具有一定的豎向剛度、整體穩(wěn)定性和側(cè)向剛度。結(jié)構(gòu)概念沒有問題，但結(jié)構(gòu)是否真正可行，仍然是云霧繚繞，需要通過計算定量分析結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形能力。然而決定對結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模計算時，遇到了一個計算軟件選擇的現(xiàn)實問題：采用桿系有限元計算雖然計算速度上行云流水，但軟件無法反應(yīng)板件尤其是刀片的偏心和刀片與云片連接處的應(yīng)力集中，采用通用有限元計算軟件板殼單元分析才能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。
但如果對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行通用有限元軟件模擬（采用板單元），由于單元尺度上不能太大，單元數(shù)量將非常的大，一般計算機(jī)是無法在可接受的時間內(nèi)完成分析的。尤其是整個結(jié)構(gòu)布置、調(diào)整的過程，將是通過計算結(jié)果不斷優(yōu)化的過程，計算并不是計算一次就一蹴而就的。因此采用通用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，沒有算力，也是浮云。難道計算云需要上云計算？但目前還沒有方便應(yīng)用的結(jié)構(gòu)云計算平臺。
看來只能采用曲線救國，采用 “驗證+簡化”的思路來進(jìn)行分析：
- 采用通用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行局部模型的分析
- 將計算結(jié)果與桿系有限元分析軟件3D3S進(jìn)行對比，得出計算的差別
- 然后采用3D3S對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并綜合考慮前述差別，完成結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和設(shè)計。
- 最終對于局部應(yīng)力的考察，仍然采用ABAQUS對3D3S的局部模型進(jìn)行計算。
此方法解決了通用有限元軟件的效率問題和桿系有限元軟件的準(zhǔn)確性問題，使得計算優(yōu)化和調(diào)整可以實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整主要體現(xiàn)在以下方面：
- 樹杈柱的位置和數(shù)量：均勻分布的樹杈柱，有利于使“云”結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻；
- 云片的連續(xù)性、環(huán)通性：越環(huán)通整體剛度越大；
- 云片厚度：提高云片厚度可以提高此云片的抗彎剛度，但也造成了結(jié)構(gòu)自重的增加；
- 刀片厚度：刀片厚度在合理范圍時，“云”結(jié)構(gòu)可以獲得較好的整體剛度；
- 刀片位置：刀片位置實際上非常關(guān)鍵，合理的刀片位置將使得結(jié)構(gòu)豎向剛度合理，但過多的刀片將影響視覺效果。
- 局部位置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：尤其是云片在內(nèi)凹位置，由于“球殼”效應(yīng)的減弱，結(jié)構(gòu)局部剛度和云片剛度將可能非常不利。
通過多次的試算和調(diào)整，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置逐漸撥云見日。
結(jié)構(gòu)自重是結(jié)構(gòu)的主要豎向荷載（包括裹冰荷載），云片越厚，自重越大。風(fēng)荷載則是結(jié)構(gòu)的主要水平荷載，尤其是豎向刀片眾多，形成了較大的擋風(fēng)面，風(fēng)起云涌時，需要避免大風(fēng)起兮“云”飛揚(yáng)的狀況。
圖 6表示了結(jié)構(gòu)在自重作用下的豎向位移。由圖可見，雖然“梁”的最大跨高比達(dá)到了670，但由于整體效應(yīng)的存在，結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為55mm。由于豎向位移主要由恒載產(chǎn)生，可以通過施工時起拱部分消除。
圖 7表示了風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)移，最大側(cè)移為47mm。
另外，由于結(jié)構(gòu)有一定的殼體特征，穩(wěn)定承載力分析必不可少。采用幾何非線性分析方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了極限承載力分析，計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)達(dá)到4.4時，結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定承載力，大于規(guī)范所述4.2的限值。
通過前述分析可知，桿系有限元顯然無法真實地獲得結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力。模型的位移指標(biāo)基本合理后，我們反過來選取了3D3S計算中應(yīng)力較大或者應(yīng)力集中較為明顯的部分構(gòu)件，在通用有限元計算軟件ABAQUS中，進(jìn)行了較為細(xì)致的應(yīng)力分布。在調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)力比的過程中，刀片的布置就顯得非常關(guān)鍵，合理的刀片布置可以大幅降低峰值應(yīng)力。最后將所有構(gòu)件的峰值應(yīng)力都控制在合理的范圍內(nèi)。
至此，結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性和強(qiáng)度均可以滿足規(guī)范要求，所有力學(xué)方面的疑云均煙消云散。
