城市人館大型裝置復(fù)雜結(jié)構(gòu)體的造型設(shè)計(jì)

王 超，王海林，杜安坤

（總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100028）

城市人館大型裝置復(fù)雜結(jié)構(gòu)體的造型設(shè)計(jì)

王 超，王海林，杜安坤

（總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100028）

介紹上海世博會(huì)城市人館大型裝置復(fù)雜結(jié)構(gòu)體的創(chuàng)意方案和設(shè)計(jì)要求，闡述總體設(shè)計(jì)方案的選擇確定和具體實(shí)施?！娟P(guān)鍵詞】 上海世博會(huì)；城市人館；大型裝置；結(jié)構(gòu)體；空間結(jié)構(gòu)

1 引言

上海世博會(huì)是中國舉辦的一次面向世界、探討新世紀(jì)人類城市生活的偉大盛會(huì)。本屆世博會(huì)以“城市，讓生活更美好”為主題，凝聚了人類對(duì)城市建設(shè)的卓越智慧，展示了人類對(duì)未來生活的美好憧憬：城市多元文化的融合，城市和鄉(xiāng)村的互動(dòng)，城市經(jīng)濟(jì)的繁榮，城市社區(qū)的重塑，城市科技的創(chuàng)新。

為突出展示主題，主辦方在浦東B片區(qū)內(nèi)建設(shè)了城市人館、城市生命館和城市地球館的主題館群。其中，城市人館以三種需求為主線，探討城市如何滿足人的需求、塑造人的生活，講述城市中“人的故事”。為更好地展示這一主題，主辦方采納了荷蘭kossmann.dejong公司關(guān)于世博會(huì)城市人館大型機(jī)械的創(chuàng)意，將影像裝置固定在相互嵌套運(yùn)動(dòng)的空間結(jié)構(gòu)上，反映不同地區(qū)人民生活畫面的屏幕在運(yùn)動(dòng)中交叉、變換，講述關(guān)于城市與人的理念。如圖1所示。此類裝置并沒有類似工程可以借鑒，需要兼顧結(jié)構(gòu)、美學(xué)和空間關(guān)系，工程很新穎，設(shè)計(jì)工作具有挑戰(zhàn)性。

2 創(chuàng)意方案及設(shè)計(jì)要求

該大型裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1、旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2、旋轉(zhuǎn)臺(tái)-3和5個(gè)小轉(zhuǎn)臺(tái)。如圖2所示。其中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1是圓形轉(zhuǎn)臺(tái)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2和旋轉(zhuǎn)臺(tái)-3是與旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1同心的圓環(huán)形轉(zhuǎn)臺(tái)。另外，在旋轉(zhuǎn)臺(tái)-3上均布5個(gè)小轉(zhuǎn)盤，小轉(zhuǎn)盤可隨旋轉(zhuǎn)臺(tái)-3共同轉(zhuǎn)動(dòng)，也可獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)創(chuàng)意，要在各轉(zhuǎn)臺(tái)上布置大型空間結(jié)構(gòu)并架設(shè)影像裝置，展現(xiàn)世界各地不同地域、種族、國家內(nèi)人們的生活工作狀況。其中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1上布置塔狀結(jié)構(gòu)，沿塔身不同高度、不同方向布置8臺(tái)42英寸顯示器；旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2上架設(shè)大型結(jié)構(gòu)，要在結(jié)構(gòu)內(nèi)部均勻鑲嵌6塊4 m × 2.25 m投影幕，并在投影幕后部大約3.4 m的位置留投影機(jī)固定點(diǎn)，要保證投影機(jī)投到屏幕的影像不被遮擋，隨著旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2的轉(zhuǎn)動(dòng)，保證6張完整的屏幕漸次呈現(xiàn)在觀眾眼前；同時(shí)，在旋轉(zhuǎn)臺(tái)-3上的每個(gè)小轉(zhuǎn)臺(tái)布置形狀各異，包含4臺(tái)42英寸顯示器的電視塔。系統(tǒng)工作時(shí)，8套大型空間結(jié)構(gòu)載著6臺(tái)投影儀和28臺(tái)顯示器，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。

圖1 工程創(chuàng)意階段模擬圖

根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行需求，總結(jié)該結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)和要求：

（1）結(jié)構(gòu)體自身要有一定的強(qiáng)度和剛度，保證在安裝影像設(shè)備后，結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力和應(yīng)變滿足安全需要；

（2）各結(jié)構(gòu)體間存在大量相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為保證設(shè)備運(yùn)行的安全，結(jié)構(gòu)體間要保持足夠的安全距離；

（3）為保證展示的效果，結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)時(shí)要考慮各影像裝置的固定位置，盡量保證影像在高度和角度上的均勻布置；

（4）必須保證投影機(jī)投到屏幕的影像不被遮擋，投影屏幕前也不應(yīng)有遮擋物；

（5）整個(gè)結(jié)構(gòu)體也是展示的一部分，結(jié)構(gòu)外形應(yīng)符合美學(xué)，并有一定寓意，桿件的布置應(yīng)流暢而無規(guī)律，整體外形具有雕塑感；

（6）為保證轉(zhuǎn)臺(tái)受力均勻，結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)臺(tái)的生根點(diǎn)應(yīng)均勻布置在轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)有支撐輪的節(jié)點(diǎn)上。

3 總體設(shè)計(jì)方案的選擇確定

業(yè)主提出結(jié)構(gòu)體在完成其功能性以外，外觀輪廓要兼顧美學(xué)要求，并提出設(shè)計(jì)中的桿件必須無規(guī)則，不能有垂直和水平的桿件，桿件只能在不規(guī)則的折線中進(jìn)行布置。根據(jù)此要求，設(shè)計(jì)方首先提出的設(shè)計(jì)思路是結(jié)構(gòu)模型類似幾棵頂端連接的樹，由地面升起一些桿，再不斷的延伸分支，最終桿件圍成一個(gè)環(huán)，并把投影機(jī)和屏幕穿插在桿件中間進(jìn)行布置。但經(jīng)過與業(yè)主和創(chuàng)意單位交流，此方案被否決了。業(yè)主理想的結(jié)構(gòu)體形狀是有雕塑感的，有一定空間形狀，而且桿件間的連接只能是在桿件的端部，而不能在桿件中部外伸支桿；桿件布置應(yīng)該類似像很多大的肥皂泡堆積在一起，形成有厚度的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)；桿件間相互組成很多個(gè)三角形，并最終圍成一個(gè)大環(huán)。為了能讓整個(gè)作品更有形狀，更具有雕塑感，也更有寓意，經(jīng)過比較，將設(shè)計(jì)方向設(shè)定為一個(gè)大的水晶簇造型：中間一個(gè)大型水晶塊造型，而中間和四周的結(jié)構(gòu)架則設(shè)為小的晶柱。作品呈現(xiàn)的效果為一簇天然的水晶柱，晶體上有復(fù)雜的切面。他們相互間嵌套轉(zhuǎn)動(dòng)，并投射出各種影像，有如場(chǎng)館內(nèi)蘊(yùn)含的一件寶物，很有美感，很好地契合了場(chǎng)館的思想。此設(shè)計(jì)思路獲得了業(yè)主和創(chuàng)意單位的認(rèn)同，成為設(shè)計(jì)造型的指導(dǎo)。

4 具體設(shè)計(jì)工作的實(shí)施

4.1 設(shè)計(jì)工作綜合分析

由于臺(tái)上結(jié)構(gòu)屬于極其復(fù)雜的空間無序結(jié)構(gòu)，構(gòu)件間還存在大量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，空間關(guān)系要求嚴(yán)格，常規(guī)二維設(shè)計(jì)軟件完全不具備設(shè)計(jì)完成此項(xiàng)工作的能力。針對(duì)空間桿件排布是本次設(shè)計(jì)主要內(nèi)容的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中選用了最簡(jiǎn)單、最快捷的AutoCAD Mechanical 2009為設(shè)計(jì)工具，使用ANSYS 10為結(jié)構(gòu)驗(yàn)算工具。

通過對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)體的比較分析，投影幕的尺寸遠(yuǎn)大于顯示器，具有不能被遮擋等特殊技術(shù)要求，所以，旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2上的結(jié)構(gòu)將是所有結(jié)構(gòu)體中體量最大、最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，是整個(gè)項(xiàng)目的核心。而其他結(jié)構(gòu)體都是塔狀結(jié)構(gòu)，只懸掛顯示器，造型要求相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，解決好旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2上的結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)將是整個(gè)項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。

4.2 旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2上的結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)

在旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2上的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，首先將底部轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)畫在三維空間里，為了便于發(fā)現(xiàn)投影光線是否被遮擋，將投影屏幕與投影光線做成一個(gè)五面體模型在空間擺放。如圖3所示。在桿件排布中，如果有桿件進(jìn)入了五面體內(nèi)部，就擋住了影像的投影，必須進(jìn)行調(diào)整。在具體設(shè)計(jì)中可以發(fā)現(xiàn)，投影光線形成的五面體尺寸非常大，無論怎樣擺放，肯定都要伸入到旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1和旋轉(zhuǎn)臺(tái)-3的區(qū)域。而且，如果屏幕是沿周向向外布置的話，旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1的上空空間會(huì)完全被投影光束占滿，旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1上的8臺(tái)顯示器將無法布置。惟一可行的辦法是投影屏幕沿切向布置，在保證旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1和小轉(zhuǎn)臺(tái)上都有必要的空間安放結(jié)構(gòu)架和顯示器的前提下，伸入到旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1和旋轉(zhuǎn)臺(tái)-3上空。經(jīng)過反復(fù)比較，以進(jìn)入旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1區(qū)域950 mm和進(jìn)入旋轉(zhuǎn)臺(tái)-3區(qū)域500 mm設(shè)定為旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2上結(jié)構(gòu)體尺寸設(shè)計(jì)控制紅線。而為了避免投影屏幕間互相遮擋，投影幕將沿兩條螺旋曲線布置，這樣，屏幕在高度和角度上都錯(cuò)開了空間，實(shí)現(xiàn)了屏幕的均勻排布，也給后面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了便利。如圖4所示。

在6個(gè)投影屏幕位置基本排定后，接下來就是最主要的結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)。投影幕邊框根據(jù)固定投影幕的需要使用的是60 mm方管；整個(gè)裝置的高度為11 m，設(shè)計(jì)前估算結(jié)構(gòu)桿件單根最長(zhǎng)大概是5 m，而大部分桿件長(zhǎng)度會(huì)在3 m左右，在自重產(chǎn)生的撓度可以接受的情況下，為控制整體重量和整體外觀，最終桿件全部使用3 mm壁厚60 mm直徑的圓管。在造型過程中，為了達(dá)到水晶般的外形效果，避免結(jié)構(gòu)失去形狀產(chǎn)生“水桶”的感覺。在堅(jiān)守尺寸紅線的同時(shí)，造型設(shè)計(jì)有意地作了些變化：由于屏幕呈螺旋式上升排布，設(shè)計(jì)時(shí)將屏幕的邊框融入到結(jié)構(gòu)桿件體系當(dāng)中，所以，結(jié)構(gòu)體也隨之呈現(xiàn)一定的螺旋上升的感覺。同時(shí)，將結(jié)構(gòu)體頂部在兩個(gè)位置上抬高，撐起頂部結(jié)構(gòu)，造型中配合使用大量長(zhǎng)桿件，使此部分結(jié)構(gòu)體上部顯得更寬大，更豐滿。而在結(jié)構(gòu)體中間部位，屏幕間的連接使用了更多的短桿，布置上也盡量向里收縮，形成微微收起的腰身。而結(jié)構(gòu)體底部承擔(dān)了機(jī)構(gòu)的全部重量，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是將結(jié)構(gòu)的重量分散到更多的轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面節(jié)點(diǎn)上。桿件的排布盡量發(fā)散，材料的選擇，則是長(zhǎng)短結(jié)合，以短桿為主。如圖5所示。

設(shè)計(jì)從轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)有支撐輪的節(jié)點(diǎn)開始，向上逐漸延伸。設(shè)計(jì)中需要不斷地檢查桿件是否在尺寸紅線以內(nèi)，空間上有無干涉，并不斷轉(zhuǎn)動(dòng)模型，觀察外形效果。在模型基本完成后，將模型整體導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算，在應(yīng)力集中的位置適當(dāng)增加桿件，將集中的力量分散開；在應(yīng)力很小的地方適當(dāng)減少桿件，使模型顯得更簡(jiǎn)潔。這樣起到展示作用的結(jié)構(gòu)桿件，同時(shí)也都是結(jié)構(gòu)受力桿件。由于模型全部由穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)為單元組成的，在計(jì)算中表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性。經(jīng)過幾次修改，在運(yùn)算中模型最大應(yīng)力為32.6 MPa，最大變形為6.8 mm，而且應(yīng)力分布已經(jīng)很均勻了。如圖6、圖7所示。

4.3 中心塔結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)

中心塔的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)總體布局規(guī)劃，中心塔高度為9 m，在不同方位安裝總計(jì)8塊42英寸顯示器。為達(dá)到整個(gè)作品風(fēng)格的一致，中心塔的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)多棱面的晶體效果。由于旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2上的結(jié)構(gòu)體已經(jīng)占用了很多旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1的空間，中心塔外形必須控制在2.5 m直徑范圍內(nèi)，已經(jīng)無法在形狀上做出很大的變化，設(shè)計(jì)中更多的是在結(jié)構(gòu)的三角形排布上突出晶體感。設(shè)計(jì)中在塔的頂部用長(zhǎng)桿拉出很大、很鋒利的三角面，突出塔身高大挺拔的感覺。如圖8所示。塔的中段設(shè)計(jì)中，考慮到有8臺(tái)顯示器要固定在這一段，為了提供更多節(jié)點(diǎn)用于懸掛顯示器，選擇用密集的短桿增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量。塔基通過8根桿固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)-1的節(jié)點(diǎn)上，具備很強(qiáng)的穩(wěn)定性。中心塔設(shè)計(jì)最大的困難是空間緊湊，需要要在直徑2.5 m的范圍內(nèi)布置全部的設(shè)備。而42英寸顯示器本身尺寸占去了相當(dāng)大的空間，留給結(jié)構(gòu)的空間非常有限，對(duì)造型構(gòu)成危險(xiǎn)。為此，設(shè)計(jì)中顯示器局部有突出設(shè)計(jì)紅線，并通過三維模擬檢查與旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2上結(jié)構(gòu)體的干涉情況，針對(duì)安全距離小的部位對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)體做了調(diào)整。中心塔的設(shè)計(jì)表現(xiàn)了很強(qiáng)的整體性，通過結(jié)構(gòu)件花紋式的布置，在小空間內(nèi)表現(xiàn)的很有活力，也滿足了顯示器固定的需求。密集的桿件也使中心塔的堅(jiān)固度非常高。計(jì)算結(jié)果在自重情況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力為4 MPa，最大變形為0.2 mm。如圖9、圖10所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2上的結(jié)構(gòu)體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（mm/kN/GPa）

4.4 小轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)塔的設(shè)計(jì)

因?yàn)槊總€(gè)小轉(zhuǎn)臺(tái)上的結(jié)構(gòu)塔只需要固定4臺(tái)42英寸顯示器，而且其只是以晶柱的形式作為輔助的展示，密集的桿件會(huì)對(duì)中心的影像產(chǎn)生遮擋，所以，在設(shè)計(jì)中力求簡(jiǎn)單。而小轉(zhuǎn)臺(tái)在隨旋轉(zhuǎn)臺(tái)-3公轉(zhuǎn)的同時(shí)，自身也在進(jìn)行自傳。為了突出結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)感，形狀上采用了類似鐮刀的造型，按照流暢的晶體造型排布。如圖11所示。小轉(zhuǎn)臺(tái)上結(jié)構(gòu)塔應(yīng)力、變形計(jì)算結(jié)果如圖12、圖13所示。

5 結(jié)束語

在大型裝置中，中心塔共使用桿件50根，旋轉(zhuǎn)臺(tái)-2上結(jié)構(gòu)用桿100根，5個(gè)小轉(zhuǎn)臺(tái)上每個(gè)展示塔用桿18根，排布如此復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)在沒有三維輔助工具的情況下是無法做到的。本次設(shè)計(jì)是對(duì)復(fù)雜桿件設(shè)計(jì)的一次探索，是多種工具集成使用的一次成功嘗試，開創(chuàng)了一條復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，也是美學(xué)和結(jié)構(gòu)的一次完美結(jié)合。在上海世博會(huì)城市人館的大型裝置實(shí)物加工安裝完成后，對(duì)各個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查。試驗(yàn)效果與電腦模擬的結(jié)果完全一致。雖然空間極為緊湊，但空間上所有構(gòu)件均未發(fā)生干涉，設(shè)計(jì)取得了成功。世博會(huì)期間，大型裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔大氣，展示穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)想的展示效果，起到了展示城市文明成果、交流城市發(fā)展經(jīng)驗(yàn)、傳播先進(jìn)城市理念的良好社會(huì)效益，為世博會(huì)的成功添加了光彩。

（編輯 潘 浪）

Model Design of Large-Scale Equipment with Complex Structures in Urbanian Pavilion

WANG Chao, WANG Hai-lin, DU An-kun
(Center for Engineering Design and Research under the General Equipment Department, Beijing 100028, China)

The paper described the creative plan and design requirements of large-scale equipment with complex structures in Urbanian Pavilion in Shanghai World Expo, explained the chioces selection and implement of the overall design plan.

Shanghai World Expo; Urbanian Pavilion; large-scale equipment; structure; space structures

10.3969/j.issn.1674-8239.2010.z1.023