云淡風輕
用鋼板造了一朵云。
“云”構筑物位于南通經濟技術開發(fā)區(qū)能達市民廣場，建筑師希望借由景觀式的建筑設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。
“云”構筑物
由于項目區(qū)塊地處園區(qū)核心位置，為避免體量厚重的實體建筑對園區(qū)內景觀視線的遮擋，建筑師定下此次項目的概念方向：在完善功能性的同時，打造一個如云般輕盈的構筑物，
“云淡風輕”，成為場地觀賞重點的同時，亦自成一體，游人在內部游覽也有移步換景的樂趣。
由于項目區(qū)塊地處園區(qū)核心位置，為避免體量厚重的實體建筑對園區(qū)內景觀視線的遮擋，建筑師定下此次項目的概念方向：在完善功能性的同時，打造一個如云般輕盈的構筑物，
“云淡風輕”，成為場地觀賞重點的同時，亦自成一體，游人在內部游覽也有移步換景的樂趣。
進而結合可行性的思考，決定嘗試運用
“反建筑”的表達方式改變建筑垂直支撐的原理——以超薄鋼片搭建一個多跨連續(xù)的水平向鋼架結構，并在腳端使用鋼柱體形成支撐。二維的鋼板通過數控切割與結構搭建，以片狀化的主體構成一個流暢的三維建筑空間，以結構回應形體。
因此，建筑師對“云”的效果訴求很清晰：
- 結構上要體現(xiàn)“云”的主題和意境；
- 具有良好的通透感，水平向構件視覺遮擋最小，只用一片板做鋼梁，同時厚度做到極致的薄，營造云霧縹緲、云淡風輕的氛圍。
- 不同視角下的結構形態(tài)都能有所變化，靈動自然。連接云片的豎向構件也希望采用鋼板制作，保持整體材質的統(tǒng)一性。
“疑云”與挑戰(zhàn)
云-線稿
首先看建筑師的想法，每根鋼梁由一片超薄鋼板組成，最大柱間距達到了
6.7m，如鋼板厚度10mm，橫梁鋼梁跨高比（結構跨度與結構厚度的比值）達到了驚人的670！而常規(guī)鋼梁的合理跨高比為8~30。這使得兼顧極致輕薄的造型與較小的變形充滿挑戰(zhàn)。與其說是一朵由“云片”（水平向構件）和“刀片”（連接云片的豎向構件）組成的云，不如說是一朵擺在結構工程師面前的“疑云”，而且烏云密布：
- 云片采用鋼板制作，柱支點之間的梁跨高比遠超常規(guī)鋼梁，能否通過巧思來保證結構所需的云片豎向剛度？
- 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（豎向構件不連續(xù)）。豎向力是否可以在不斷轉換中傳遞到基礎？
- “云”結構的抗側剛度從何而來？
- “云”由立柱支撐，如何處理立柱與云片交界處的集中彎矩？
- “云”斷面呈圓弧狀布置，如何保證結構不外鼓、不向外傾倒？
- 為了取得較好的建筑效果，刀片的寬度相對云片寬度有較大的退進，造成了豎片與云片之間的連接存在較大的偏心。此偏心是否能實現(xiàn)？如何通過計算模擬此偏心的影響？
刀片相對云片的偏心分析
可行性分析
如此云云，疑云重重。結構工程師對結構進行了概念性的分析，認為通過適當調整布置和優(yōu)化，此結構存在可行性：
經過結構優(yōu)化后的模型
經過結構優(yōu)化后的模型
早期方案頂部多處未形成封閉圓環(huán)
輕盈通透的“云”在晴空下宛如“流動的雕塑”，兼具建筑美與結構美。
- 單塊云片的豎向抗彎剛度非常小，6m長的薄鋼板就如面條一般柔軟。但云片間的刀片將云片連接成了一個整體。是否能通過這些連接點形成空間效應？連接所采用的刀片自身抗彎剛度也很小，顯然空間上無法形成有效的整體性。然而，當我們在比較近的范圍內設置雙排刀片，則可以在豎向刀片處形成一個小的剛域，從而大幅度提高云片的整體剛度（結構剛度相比之前如云泥之別），從而形成“空腹桁架”的效應。
- 云片雖然是鋼板梁，但由于其呈環(huán)向，外傾的趨勢會使板內產生張力，云片將可以提供一部分應力剛度，以解決梁跨高比過大抗彎剛度不足的問題。
- 結構上可以將頂部云片連接成封閉的環(huán)狀，使結構形成完整的殼體，結構整體剛度得到了很大的加強，結構外鼓和傾倒的問題被結構的環(huán)梁張力和刀片張力所解決。
- 將立柱頂部設置成三個分支的樹杈柱，將柱頂的集中彎矩轉化為三個樹杈的軸力，避免局部應力過大。
- 關于偏心的問題，通過通用有限元軟件可以進行準確模擬，反映偏心的真實狀態(tài)。
豎向剛度可以解決，那云的側向剛度如何？仔細分析結構體系的抗側力特征可知：
- 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（立柱上下不對齊豎向力層層轉換，但水平力可以通過云片可靠傳遞。）
- 由于結構呈球狀，一個方向的側向力通過水平板傳遞至與側向力方向一致的豎向板上，從而通過豎向板面內足夠大的抗剪能力傳遞水平荷載。水平力在同一層“云游四方”，拾級而下。
- 最后傳遞至分叉柱頂，并由立柱傳遞至基礎。
建設中的照片
綜上所述，通過對結構的完善和優(yōu)化布置，結構將具有一定的豎向剛度、整體穩(wěn)定性和側向剛度。結構概念上的疑云雖已云消霧散，但結構是否真正可行，仍然需要通過計算定量分析結構的承載能力和抗變形能力。
綜上所述，通過對結構的完善和優(yōu)化布置，結構將具有一定的豎向剛度、整體穩(wěn)定性和側向剛度。結構概念上的疑云雖已云消霧散，但結構是否真正可行，仍然需要通過計算定量分析結構的承載能力和抗變形能力。
建模計算的選擇困境
然而決定對結構進行三維建模計算時，遇到了計算軟件選擇的現(xiàn)實問題：采用桿系有限元計算雖然計算速度上行云流水，但軟件無法反應板件尤其是刀片的偏心和刀片與云片連接處的應力集中，采用通用有限元計算軟件板殼單元分析才能獲得準確的結果。
但如果對整體結構進行通用有限元軟件模擬（采用板單元），由于單元尺度上的限制，單元數量將非常大，不通過云計算是無法完成的。如果有云端資源，云端板殼有限元，本地端桿系有限元的端云協(xié)同無疑是最佳方式。然而我們還沒有通用有限元的云計算資源。尤其是整個結構布置、調整的過程，是通過計算結果不斷優(yōu)化的過程，需要不斷地重復迭代計算。因此采用通用有限元軟件對結構進行計算，沒有算力，也是浮云。
看來只能曲線救國，通過 “驗證+簡化”的思路來進行分析：
- 采用通用有限元分析軟件ABAQUS進行局部模型的分析
- 將計算結果與桿系有限元分析軟件3D3S進行對比，得出計算差別
- 然后采用3D3S對整個結構進行分析，并綜合考慮前述差別，完成結構的不斷優(yōu)化和設計。
- 最終對于局部應力的考察，仍然采用ABAQUS對3D3S的局部模型進行計算。
項目模型圖
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確性問題，使得計算優(yōu)化和調整可以實現(xiàn)，結構的優(yōu)化和調整主要體現(xiàn)在以下方面：
- 樹杈柱的位置和數量：均勻分布的樹杈柱，有利于使“云”結構豎向剛度均勻；
- 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，但也造成了結構自重和建造成本的增加；
- 刀片厚度：刀片厚度在合理范圍時，“云”結構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鍵，合理的刀片位置將使得結構豎向剛度合理，但過多的刀片將影響視覺效果。
- 局部位置的結構優(yōu)化：尤其是云片在內凹位置，由于“球殼”效應的減弱，結構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整，結構的優(yōu)化布置逐漸撥云見日。
結構自重是結構的主要豎向荷載（包括裹冰荷載），云片越厚，自重越大。風荷載則是結構的主要水平荷載，尤其是豎向刀片眾多，形成了較大的擋風面，需要避免大風起兮“云”飛揚的狀況。
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確性問題，使得計算優(yōu)化和調整可以實現(xiàn)，結構的優(yōu)化和調整主要體現(xiàn)在以下方面：
- 樹杈柱的位置和數量：均勻分布的樹杈柱，有利于使“云”結構豎向剛度均勻；
- 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，但也造成了結構自重和建造成本的增加；
- 刀片厚度：刀片厚度在合理范圍時，“云”結構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鍵，合理的刀片位置將使得結構豎向剛度合理，但過多的刀片將影響視覺效果。
- 局部位置的結構優(yōu)化：尤其是云片在內凹位置，由于“球殼”效應的減弱，結構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整，結構的優(yōu)化布置逐漸撥云見日。
結構自重是結構的主要豎向荷載（包括裹冰荷載），云片越厚，自重越大。風荷載則是結構的主要水平荷載，尤其是豎向刀片眾多，形成了較大的擋風面，需要避免大風起兮“云”飛揚的狀況。
由圖可見，結構在自重作用下的豎向位移，雖然“梁”的最大跨高比達到了670，但由于空間整體效應的存在，結構的最大豎向位移為55mm。而豎向位移主要由恒載產生，故可以通過施工時起拱部分消除。
另外，由于結構有一定的殼體特征，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構進行了極限承載力分析，計算結果表明，結構荷載系數達到4.4時，結構失去穩(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構的局部應力。模型的位移指標基本合理后，我們反過來選取3D3S計算中應力較大或者應力集中較為明顯的部分構件，在通用有限元計算軟件ABAQUS中，進行了較為細致的應力分布。在調整結構應力比的過程中，刀片的布置就顯得非常關鍵，合理的刀片布置可以大幅降低峰值應力。經過最終調整，最后將所有構件的峰值應力都控制在合理的范圍內。
至此，結構的剛度、穩(wěn)定性和強度均可以滿足規(guī)范要求，所有力學方面的疑云均煙消云散。
構筑物外形雖然極不規(guī)則，但由于所有構件均為二維構件，通過自動切割設備即可行云流水地完成生產，因此建筑物的工廠制造過程實際上極其簡單。
現(xiàn)場施工的主要工作量則是大量的焊接組裝工作。
最終項目順利實施。建筑師在“云朵”中設置了人行步道。人們從地面通過步道進入云內，““平步青云”、“穿梭云端”。
獲獎情況
“云”是公共戶外休閑的空間，借由景觀式的建筑設計和空間功能的升級，塑造了一處兼具美觀、趣味及功能性的公共休閑活動中心。
南通能達云 · 月項目獲得2022年第七屆CREDAWARD地產設計大獎。
