小构件暗含的大能量——传统互承结构的当代应用

零

原因

今年，该公司参加了一个小型钢结构项目，建筑师提供了以下平面图，要求在建筑物中间没有柱子的前提下，屋顶结构厚度尽可能小，以确保该层的足够的净高度。

建筑计划

目前，结构上通常有两种方法：一种是尝试最大程度地减少梁的高度，而另一个是将屋顶梁隐藏在隔板壁上而不是从室内空间伸出。

对于该项目，根据方法1，使用抽动脚趾梁和宽平面梁最小化梁的高度，并且光束下的间隙仍然无法满足要求。相反，采用方法2。根据分区墙的位置，没有选择进行二级梁的排列：中间四个二级梁的外端放在框架梁上，并且内部的内端不能放在另一个框架梁上，只能彼此重叠。

地板结构梁的布局，用于分配建筑分区墙壁

次级光束的两端铰接在一起，机械图如下。在以前的工作经验中很少遇到这种二次梁布局计划。起初，作者忍不住想知道：这么多的铰链会成为垂直方向上的机制或瞬态系统吗？

力学图

使用简单的几何知识进行粗略的分析，而简单的图如下。

假设：1）在另一个次级光束的中点铰接次级束的内端的节点；

2）外部a，b，c和d铰链节点的垂直位移连接到次级梁，框架梁为0；

3）次级光束是一个刚性的身体，不会经历弯曲和变形。

如果将其作为机理或瞬态系统排列，则假设次级梁AE的中点H的垂直位移为1，并且根据几何比例关系，点E的垂直位移为2；同样，点F，G和H的垂直位移是顺时针方向的4、8和16。目前，AE光束中的点H的位移为1，在DH梁中为16，并且变形不一致。因此，该结构系统不会经历垂直刚体的位移，并且是稳定的结构系统。最后，采用了这种二级梁布局方案，以更好地满足建筑师的要求。

位移变形分析

有时，在进行结构设计时，您会“不认识Lu Mount的真实面孔”。几天后，当我再次看到上面的简单图片时，我突然意识到这是一个相互的继承结构！

近年来，国内外的相互遗传结构的研究和实践相对活跃，我经常阅读相关文章。这个小型项目使我无意中练习它，还体验了相互继承结构的独特动力传输逻辑，这引起了人们的浓厚兴趣。

一

历史

相互继承的结构（相互隔离结构）的历史相对较长，但被广泛接受的名称出现在现代。它是英国建筑师格雷厄姆·布朗（Graham Brown）在20世纪后期提出的。在东方，白金威教授始于这种结构形式的工作原理（一种杠杆结构，彼此相互重叠并重叠），并称其为杠杆。

相互继承结构的基本单位

顾名思义，相互轴承的结构是指由相邻成员支持并支持其他相邻成员所支持的每个承载构件形成的结构，从而形成没有明显层次关系的结构，并且成员的支撑点与两者的端点都不是同一时间。简单的相互继承结构如下。有兴趣的读者可以尝试使用餐具或牙签来构建和体验它。

相互继承结构的基本单位

（简单的相互轴承块，将杆a压在杆C上，并支撑杆B，将杆B按在杆A上，并支撑杆C，将杆C压在杆上B上，并支撑杆A。这三个杆构件不被量子和次级划分，并在压力下互相支撑以形成循环。）

从上面可以看出，与一般结构形式不同，相互支撑结构的组件相互重叠，并且分别按下组件单元以形成弯曲矩以传输载荷。正是由于这种特征，相互遗传的结构不仅在结构上很简单，而且可以使用小型组件实现大跨度。相互继承的单元之间的隔间和重复形成了节奏的建筑美景。

相互继承的节奏

相互的继承结构不是人类的原始创造，它在本质上也很普遍。从囊性和鸟巢到地层壳，它们都反映了相互遗传和传播的机制。

囊肿

（海洋膀胱含糖是一种单细胞的浮游植物，相互依存形成类似球形的形状，与表面形状相似）。

地球板外壳

人类建立相互继承的结构的确切时间很难验证。在远古时代，类似于相互继承的结构相似的结构出现在世界各地，例如新石器时代的半坑住宅，爱斯基摩人之家，印度帐篷和霍根居住。还记录在公元前55年，凯撒（Caesar），古罗马皇帝凯撒（Caesar）命令建造一座木制桥，类似于在莱茵河（Rhine River）上使用Mortise和Tenon的相互支撑结构类似的木桥。

印度帐篷

关于至今的相互遗传结构的研究文献可以追溯到欧洲的中世纪。在19世纪后期的一段时间内，西方学者的研究重点是如何使用短梁形成大型板板框架来携带建筑物。 Villar de Onecule，Leonardo da Vinci，Sebastiano Serio，John Wallis等人在作品或图纸上想到了类似的问题。

令人眼花vin乱的手稿

巧合的是，中国同时也有一些相互继承的结构的例子，但相关文献较少。木制拱桥建立在中国的宋朝，包括Bianshui Hongqiao和木制拱桥，都使用了相互继承的结构。

赛季音乐节期间的Bianshui Hongqiao在河上

卡纳泽的Puqing Bridge

现代人在吉安格（Jiangnan）的“第一桥镇”的金普·金兹（Qingpu Jinze）建造了puqing桥，模仿了青节中比安河（Bian River）的比安·舒·洪基奥（Bianshui Hongqiao）。街机桥的现有代表是富士的古蒂安centipede桥和吉安格的蒂尚的圣泽桥。

古铁安centipede桥

古铁安cent桥的底部

Bianshui Hongqiao和木制街机桥的结构模型

进入20世纪后，建筑师开始有意识地将相互继承的结构应用于建筑设计。西方的约瑟夫，约瑟夫，路易·康恩和汉斯·夏隆都在项目中尽了最大的努力。

约瑟夫设计的Palazzopiccolomini音乐室的顶部

汉斯·夏伦（Hans Charlon）设计的柏林爱乐乐团

日本建筑师在东方使用相互继承的结构也非常有代表性。例如，由Ishii设计的Kiyowa fujimoto Pavilion Kumamoto县使用相互继承的结构作为建筑物的装饰或屋顶。在带来形状的节奏之美的同时，它也产生了某种仪式感。此外，还有由Yasukyoshi Kishiro设计的砖石博物馆，位于Tokushima县的Nishizuyashan Village Monotrail站和GIFU县Uehachiman综合体育中心。

Kiyowa Fuji音乐厅开yunapp体育官网入口下载手机版，Kumamoto县由Ishii Hoho设计

实际上，相互的继承结构离我们的日常生活不远，我们偶尔会看到它。例如，窗口格栅中的相互继承的结构，当我们密封纸箱时，我们还将使用相互遗传的原理与四叶式顶部盖子重叠。

窗户上的相互继承

窗户上的相互继承

有时，我们在媒体广告中看到下面的图片，该广告代表合作和相互信任，实际上是一种相互的继承结构。

相互继承和信任

二

分类和功能

相互轴承结构通过组件之间的相互支撑弯曲力矩传递的问题解决了问题。它不仅具有简单的结构，而且还可以使用小型组件来实现大跨度结构，因此特别适合木结构。

对于建筑师，将相互继承的结构引入建筑设计中，除了满足某些跨度要求外，他们还可以借用其结构表现力。相互继承的结构通常由几组结构组成部分形成，由此产生的顺序和严格的比例关系感与建筑师的美学一致。简单的方法不仅实现了复杂性，而且还将构造思想纳入了空间的诗意结构。

简单连接的结构

相互遗传配置的拓扑结构可以分为三个量表：最小的组成单元是一个组件单元（杆，表面，环等），然后是一个基本单元，由几个组件单元包围，最后是由多个基本单元组成的系统。

配置规则的相互继承的结构应具有可扩展的属性，可以分为：

1）一维膨胀，杆单元按顺序连接并延伸到线性形状，例如彩虹桥结构；

2）二维扩展，基本单元在不同的方向上叠加以形成表面形状，例如Da Vinci网络；

3）三维扩展，基本单元在三个维度上叠加以形成体形。

一维扩展

二维扩展

三维扩展

相互遗传结构中单位的不同几何组成可以产生不同的影响。根据结构中组件的形状，可以将相互支撑的结构分为杆类型，环类型和表面类型相互支撑结构。

杆型相互轴承单元相对常见，基本组件单元是杆状的。上图中的第一，第二和三维膨胀是杆状相互轴承。

环形相互继承需要至少三个单元才能组合，并且组合分为两种类型：第一种是Borrome类型。当三个环之一与其他单元没有连接时，其他单元无法将其连接在一起；第二个是Hopf类型。如果将一个单元拿走，其他单位仍处于连接状态。循环元素配置可以找到越来越复杂的组合方法。

Borrome风格的相互继承HOPF风格的相互继承

表面形单元的组件通常是平坦的开yun体育官网入口登录app，并且使用情况变化。最基本的配置是一个三角形，这种组合将形成三个跨长度。

脸的相互继承

脸的相互继承

可以使用相同类型的组件和相同的连接方法来构建相互轴承结构，从而实现模量结构并提高构造速度；它可以形成任何形状的屋顶，包括圆，多边形，椭圆形和不规则形状。实际的工程应用主要是常规多边形和圆圈。

节点的简单性是相互遗传结构的优点，而不是其他空间结构。由两个组成部分组成的节点大大简化了设计和构造，并改善了节点性能。通常，节点是简单的重叠，并且依赖于摩擦力传输，结合或猎鹰连接，以及随后出现的各种紧固件。这种低技术的连接意味着可以快速建造相互轴承的结构并具有足够的承载强度，这特别适合临时结构，例如临时展览馆和临时避难所，以供灾难救济。

3

当代案件

近年来，随着研究和对相互继承结构的研究和理解的持续加深，国内和外国建筑师将它们积极地应用于工程实践中，为相互继承的结构的特征和优势充分发挥作用，并建造了许多优秀的建筑物。

case 1〗

杭州方山路Yujie博物馆

建筑设计：业余建筑工作室（Wang Shu）

结构设计：Shentu Group Army，Chen Yongbing

施工日期：2008

整个建筑物

该建筑从杭州市中山中路112号烧毁的民宅基地上重建，整个建筑为一个木构瓦面的多折大棚覆盖，对周边建筑呈开放的状态。即使临时闭馆，人们仍能从街道看见整个博物馆的内部。馆内功能分为展览和茶饮，它们之间的关系若有若无。人们也可以把这里用作穿越城市迷宫的过道，建筑因而嵌入城市生活之中。

屋顶结构组成

建筑物概况

从上面的横截面可以看出，博物馆的木结构屋顶的主要结构是位于下面的大型拱形结构。该设计借鉴了省南部的古老走廊桥的木拱结构，并且具有较大的跨度，小型材料（小型短材料）和几乎没有支点的特征。为了适应现代结构设计的定律，这种结构进行了许多详细的更改。为了确保牢固性开元ky888棋牌官方版，当地使用了建筑师和结构工程师共同研究和隐藏的小型钢结构组件。

建筑模型

博物馆的屋顶使用拱形结构上方的支柱建造一个动态而曲折的屋顶，丰富了街道上的第五个立面。游客可以感觉到入口处的编织拱门形成的连续结构，从而为人们提供了强烈的视觉体验。

易于建立的相互共产的结构极大地满足了该项目的紧密建设。据说，所有者仅留下50天的时间来建造地上建筑物。当时，省省只有一名木匠可以建造这种类型的木制桥结构。在这种情况下，工匠在短短70天内仍以高质量完成了建筑。

建筑物顶部的木拱

case 2〗

上海西海岸人工智能峰会的外壳结构B

建筑设计：上海Chuangmeng国际建筑设计有限公司

结构设计：Zhang Zhun，Shen Junchao，Huang Tao，Wang Rui

施工时间：2018年

壳面结构

壳面结构

该项目位于上海西海岸。炮弹结构完成后，它将作为2018年世界人工智能会议大厅B的接待厅。结构分为两个单体，平面尺寸分别为40x60米和20x60米。

壳面结构体系

如上图所示，最终的结构系统是外围桁架 +平衡的拉杆：黄色是外围钢结构抗孔桁架，棕色是由木制组成的壳，红色是平衡的拉杆，蓝色是钢柱。

该项目的构建和设计时间很短。为了满足会议要求，只有大约4到5个月的时间将用于设计和施工。如果壳表面由长胶木弯曲梁制成，则刚度更好，可以大大提高壳的稳定性。但是，其处理时间很长，施工成本很高，因此支持和重叠的小部分。

支持小部分并重叠

支持小部分并重叠

为了增加组件重叠节点的刚度，该项目使用下图中显示的节点为通过螺栓形成半刚性节点的节点弯曲矩传输能力。它可以使用自动敲击指甲节点，可以在现场打开孔和指甲，并且不受工厂预制的孔的限制，并且具有一定的消化能力。重叠的木材为50x500mm，易于手动处理，晶格结构也很方便隐藏节点。

木梁重叠节点

〖案例3〗

日本富冈商工会议所会馆

建筑设计：手冢建筑研究所

结构设计：大野博史

建造时间：2017-2018

建筑立面

该箱子是一个两层全木结构，具有狭窄的矩形平面图，长度为61.7m，短尺寸为8m。屋顶呈高低起伏的山形坡状。屋顶呈高低起伏的山形坡状。屋顶呈高低起伏的山形坡状。屋顶呈高低起伏的山形坡状。屋顶呈高低起伏的山形坡状。如下图所示，第一层的水平方向包含18台木制框架，其对角括号可以承受水平方向的水平载荷。建筑物外墙的外皮是一个45°倾斜正交正方形。一方面，它与建筑屋顶的形状保持一致，另一方面，它也可以作为支撑，提供对横向刚度的纵向抵抗力。

建筑立面

建筑立面

例如，在一个情况下，相互继承的结构通常在屋顶或桥甲板上使用，并承受垂直载荷。这个示例与通常的实践不同。它使用外墙晶格皮肤中的相互遗传，可以承受水平风荷载作为外壳结构。

表皮斜方格的间距为如上图所示，1.8mx1.8m。。。，建筑物的右侧有两翼和两层楼的墙，最高点的高度为116m，斜网格的最大跨度为164m。由于木制结构的刚性关节节点结构相对复杂，因此，如果使用通常的长束和短光束方法，则外皮肤中最长的连续木梁的跨度将达到1640m。水平风负荷将在立面上的一个方向传输，最大跨度为164m。目前，木梁需要更大的横截面尺寸。

建筑室内

长短梁布置和互承布置

如上图所示，皮肤的晶格结构以相互轴承方案的形式排列。一方面，梁的长度在约36m处控制，另一方面，墙上的风负载以两个方向传输到边界。与长光束方案的单向传输路径相比，梁中的弯矩大大降低，因此梁的大小以170x170mm的速度更好地控制。

风荷载下的弯矩

case 4〗

Kobe Rokka Mountain Top观测平台

建筑设计：三点

结构设计：日本Arup

施工时间：2008-2010

整体景观

观察甲板位于科比·罗卡山（Kobe Rokka Mountain）的顶部，该山被称为“数千万美元的夜景”。建筑师设计了直径为16m的半封闭观测甲板。一方面，它为在山顶上观看游客提供了相对开放的阴影，另一方面，它已成为观看游客的对象。整个外皮肤都是由组件建造的。在皮肤的上部区域，相互支撑的组件被安排密集，可以阻止夏季在天空中发生更多的阳光。在皮肤的下部周围，相互支撑的组件被设置为稀疏，当冬季的太阳角较低时，允许更多的阳光照亮皮肤内部。

观察甲板的外部

在观察甲板内

情况2和情况3中的相互轴承成员位于同一弯曲的表面或平面上，并且组件之间的形状调查和定位相对简单。相反，在这种情况下，重叠皮肤的相邻成员放在另一侧的表面，两个相邻成员的轴在重叠点具有偏心距离E。正式由于存在偏心率，任何组件的位置都会影响所有其他组件的定位，因此很难找到这种类型的重叠结构的形状。

表皮细节

Arup在设计过程中准备了一个特殊的形状搜索程序，还提出了极高的施工准确性要求。皮肤的单位分为两个级别。第一级是直径为50mm且长度为1-2M的钢管构件，焊接以形成主要的应力系统。第二层级是直径15-25mm的日本柏树木条，用螺钉连接。柏木条用于利用其低比热容量。在冬季，霜冻很容易在观察表面上凝结，形成了类似于rime的景观。

在环境风，雨，冰和阳光的利用中，该项目也非常有趣。有兴趣的读者可以参考下图的内容。

环境分析

〖案例5〗

森林公园画廊

建筑设计：Shigeru禁令

结构设计：塞西尔٠ balmond

时间：2004-2007

画廊的全景

该画廊建于美国圣路易斯，总面积为400平方米。竹片和木屑的相互继承的结构用于形成一个交织的两个正方形的模式，一个大型和一个小正方形，是一个在两个节奏之间交替的网格。

画廊支柱

相邻的竹片的1/3重叠的相互遗传的竹片，因此较小正方形的面积是较大正方形区域的1/4。编织系统中每个板的尺寸正方形与厚度变化之间的区域关系会产生不同的曲率。如果将组装系统顺序从模板的顶部更改为底部的底部，则画廊顶部表面的曲率将被逆转。

节点详细信息

画廊的一部分

生

当代研究

应用困难

与一般结构不同，如果相互支撑结构的相邻成分在相似的情况2和3中不使用横向重叠，但是在类似情况4中使用表面重叠，则两个接触构件的轴将在接触点之间的图下图所示的偏心距离e。以前由于存在偏心率，相互支撑构件的轴不在同一平面或弯曲的表面上，并且组件之间的位置关系是相互依存的。一个组件的位置或横截面维度的变化将导致其他组件的位置发生变化，从而很难找到结构系统的形状。

同时，这也是由于组件轴的偏心率，这给结构分析模型带来了一定的困难。当前，可以通过简短的链接或节点约束耦合来模拟结构分析。

相互继承结构的参数表示

寻找形状的研究

对相对系统的相互继承结构的研究主要集中在过去20年中，相关的研究工作主要在配置方法，机械性能和相互继承结构的实际结构中。目前，为了响应相互遗传结构的形状分析，一些外国专家提出了一种基于遗传算法和梯度溶液的混合优化方法。梯度解决方案将杆与成员之间的相互接触作为解决几何兼容性问题的优化目标。遗传算法使结构能够符合相互遗传的结构组成的原理，并成功地应用于建筑草图。此外，一些学者提出了基于遗传算法和BFGS Quasi-Newtonian优化理论解决复杂互遗传结构的形态产生问题。

相互继承角参数的转换

圈长度参数转换

近年来，在犀牛平台上也出现了一些实践，以使用蚱hopper实现相互遗传的结构和形状发现。利用参数化的编程，不仅可以轻松实现组件之间角度和重叠长度的转换和调整，而且还可以使用Kangroo中的线条线力组件来实现具有偏心率E的相互轴承系统。

球面相互继承和形状搜索

寻找偏心的形状

吴

结束

“苔藓花和米一样小，但它们也像牡丹一样绽放。”作者将在编辑文章时不时喊着。小组件通过相互遗传和相互援助实现了更大的大小飞跃，这可能是相互遗传结构中隐含的智慧。我希望将来能够实践越来越多的使用相互继承结构的建筑物。

参考

[1]扑克：一个原则，多个形式 - 拜丁威

[2]互惠框架架构 - Oleg Popoviclarsen

[3]分析单层气缸网格相互遗传结构的静态动态特性 - fan binghe

[4]关于相互继承结构的配置和性能的研究

[5]研究相互遗传结构形式的形式 - 亨·凯芬

[6]中国 - 摩托车建筑工作室的杭州山路Yujie博物馆

[7]相互遗传结构---古代技术的发展和重生 - Huang Kaifeng