前言：说到近两年北美的超大型商业地产开发项目，Hudson Yards无疑是最耀眼的明星项目。Hudson Yards是一个占地28英亩（11公顷）的超大型地产开发项目，位于纽约市曼哈顿的Chelsea和Hudson Yards区。项目分两期实施，其中一期（Eastern RailYard）已于去年（2019）开业，包括公共绿地和八栋形态各异的建筑，包括住宅、酒店、写字楼、购物中心和文化设施等。二期（Western RailYard）将包括住宅空间、写字楼和学校等，目前尚未开工建设。整体竣工后，South Midtown西侧规划的16栋单体建筑中，有13栋将坐落在西侧长岛铁路火车存放场上方新建的站台上。
哈德逊广场阶段图
哈德逊广场阶段图
哈德逊广场一期单体建筑群
在已经落成的哈德逊广场一期（Eastern RailYard）项目中，去年四月初盛大开业的The Shed艺术文化中心无疑是这个超大型明星开发项目中的一颗“明珠”。鉴于The Shed在哈德逊广场的特殊位置，每一位纽约人都可以以实惠的价格在其中参与或举办文化活动，同时享受周边独特的豪华物业，这无疑是该项目的显著特点之一。不过，The Shed本身也非常有特色。今天我们来聊聊它的结构设计。
棚屋 - 结构概览
The Shed 由一栋八层高的钢结构建筑（包括一个展览和活动空间、几个画廊、一个带有排练室的剧院和一个创意实验室）组成钢结构住宅立面图，该建筑在结构上与相邻的新高层建筑相连，还有一个巨大的倒“U”形移动钢结构盖板（The Shed，该建筑因此而得名），可以从东向西水平滚动进出。紧靠建筑东侧是一个 1,860 平方米的大型开放空间广场，可用于举办音乐会、活动和演出等聚会。当由 16 个滚动硬化锻钢轮支撑的钢结构盖板沿着由 12 个电动机驱动的轨道向东完全移动时（总滚动距离可达 35m），原本用作广场的开放空间就可以被钢结构盖板完全包围。
The Shed——已关闭
棚屋 - 开放
当可卷动的电动结构盖板完全移出后，带有9米高升降门的结构盖板内部创造出一个可容纳2700人的全封闭隔热的视听空间（McCourt）。这一空间的创造使一层固定结构的实际功能空间增加了一倍，而这一空间的灯光控制可以使空间内部完全变暗，与传统的室内空间光效一致。Shed建筑东侧的立面区域可以大面积打开，使得建筑内部的固定空间在打开时与结构盖板覆盖的空间直接相连。例如，当结构盖板打开进行室内观展或展览活动时，展品或观众的一部分可以布置在室内的固定空间中，另一部分可以灵活布置在结构盖板围合出的室外空间中。当不举办活动时，倒U型钢盖板结构连同其附着的148个银色闪亮的ETFE充气膜腔将卷回至其主钢结构建筑的外围，紧贴主钢结构建筑屋顶和侧面。
棚屋的倒U型可滚动钢制罩壳的结构设计，是一个由专门为此开发的钢型材制成的斜格栅形式的巨型网格结构。这些巨型网格在车间分段预制，最后在现场焊接安装在一起。这个巨大的倒“U”型钢制罩壳支撑在总共16个硬化锻造钢轮上，并由十二台协调的电动机在设定的轨道上来回移动。每个锻造钢轮与两条轨道之间的接触面承受约250吨的重量。因此，棚屋由两个完全独立的结构组成：带有固定中央支撑系统的钢结构主楼和可沿轨道滚动的倒“U”型移动钢结构外罩，如下图所示。
棚屋 – 3D 结构模型
棚屋 – 固定钢结构
35m高的不可移动钢结构，设有三个双层展厅空间和一个带天窗的单层顶层。支撑展厅层的结构层由南北方向净跨度30m、南北跨度各5m的悬臂复合波纹钢板和混凝土构成。钢蜂窝梁高1.6m，南北端端部悬臂延伸至南北立面。钢结构外形为三角箱体，南、北、西侧设有两个电梯核心筒和钢支撑，形成框架抗侧力体系。结构东立面无支撑、无柱，举办活动时底部双层楼面可完全打开，与伸展的可移动钢结构壳体围合的空间形成一个整体。张拉式玻璃幕墙体系保证了主楼南北两侧的最大视觉通透性。
The Shed – 3固定钢结构主体结构模型
The Shed——可拆卸的钢壳结构
可卷式机动钢结构外壳围护结构同样设计为三面一顶的倒U型箱体，西侧无结构构件，其余三面则由开口的对角巨型支撑网架结构组成。南北方向支撑屋面的钢桁梁在钢外壳的南北两侧与主体钢结构刚性连接，连接区域节点为圆弧形过渡。同时，屋面主体钢桁梁上下弦之间形成的空间可作为舞台设备层，安装演出的舞台设备。
棚屋 - 可移动钢壳结构的内部视图
棚屋 - 可拆卸钢棚 3D 模型
棚屋 - 可移动钢棚装载路径
钢制围护结构外墙和屋顶覆盖有由 ETFE 制成的充气气泡模块，ETFE 是一种半透明的轻质材料，比玻璃更节能、更经济。之所以选择三层或四层 ETFE 充气铝箔垫，不仅是因为它重量轻、隔热性能好，还因为它对钢制围护结构在进出时因移动而造成的磨损具有很高的耐受性。
The Shed - 可拆卸钢壳结构 – ETFE 充气膜单元
定制轧制壳体形状
在钢壳体的南北立面上，可卷式钢壳体结构南北立面的主要受力结构体系由竖向和斜向钢支撑斜构件定义。竖向构件为沿高度方向截面相等的梯形截面，这些梯形截面构件在向上延伸至屋面的曲线中汇合成倾斜的过渡型材。斜构件设计为渐变四边形截面，在节点区域宽度达到最大，向中心逐渐变窄。当构件在节点区域加宽时，其侧面也发生相应的翘曲形状变化。
棚屋 - 可移动钢棚组件
The Shed - 可移动钢结构房屋单元的现场安装
The Shed - 可移动钢结构房屋单元的现场安装
对于此类结构构件，在结构设计时，构成构件各边的钢板不仅要满足强度、刚度的要求，还要满足其几何形状和外观的要求。为减少加工制造的复杂性，它们设计得较厚，以避免在构件腹部设置内部加劲肋，将弯曲变形限制到最小。此外，还要限制钢板过厚，以保证构件角部过渡区翘曲变形造型在生产加工和安装时能顺利实施。因此，设计时主要采用厚度为10～50mm、强度为S355、S460的钢板，以保证加工制造时容易成型。
钢壳结构在重力荷载作用下的内力分布示意图
侧向风荷载作用下钢壳结构内力分布示意图
钢壳结构构件节点应力分析
活动钢盖结构驱动系统及电动机机构
在固定建筑物的屋顶上采用带有两个滑道的齿条齿轮传动装置来移动建筑物。两个滑道中的一个滑道上带有一个吊杆（如下图所示），吊杆仅以极高的水平力支撑在固定建筑物的屋顶上，从而使原本静止的独立建筑物相互支撑。该结构机构由电动机驱动，为钢壳结构的水平运动提供驱动力。
屋顶牵引轨道
屋面牵引机构
屋面牵引机构节点放大
整个钢盖的重量由安装在轨道上的六个淬硬锻钢滚轮支架承担，每个滚轮宽250毫米，直径1.8米，可在MRS 221钢轨上滚动（如下图所示）。
在硬化锻钢滚轮底座上滚动
其中四座支架各有两轮，东侧两座最重的支架有四轮，滚轮最大载荷在行进时为3500kN，空转时为4000kN。整个钢围护结构运行在一对长75m的轨道上，每对轨道之间的距离为1m，每对车轮上的不均匀载荷由万向节平衡。
硬化锻钢滚轮底座照片
水平驱动装置通过扭矩支座和滑动轴承与钢盖结构顶部桁架相连。两辆滑架分别由六台 15 马力的电动机驱动，电动机通过行星齿轮驱动小齿轮。动态控制系统和变速电机使传动过程中的加速和减速平稳。以每分钟约 7.5 米的速度，完全展开或收回 4000 吨钢盖结构大约需要五分钟。
屋面牵引机构加工照片
参数化几何造型的应用
结构设计采用有限元模型进行结构分析计算，设计阶段钢盖板斜撑系统经过多次设计优化调整，因此利用参数化几何模型的优势，这些调整被快速流畅地应用到结构分析模型中，并将设计结果快速反馈给设计团队，这一设计流程对保证设计进度起到了至关重要的作用。本项目的参数化几何模型调整采用了Thornton Tomasetti开发的模型处理平台Konstru和专为Grasshoppers开发的应用程序。可以预见，参数化几何建模的应用和调整在未来的复杂空间结构项目中将大有裨益。
结论与启示
作为优美的建筑造型与功能空间设计、合理的结构设计、精湛的制造施工工艺的结合，The Shed 无疑将成为哈德逊广场的新地标之一，吸引全世界的目光。但对于我们结构工程师来说，这不仅是一个工程杰作，也为未来的结构设计打开了一个新的想象空间。那就是结构工程与机动化机构、机械工程的结合，将使未来的结构设计更加强大，可以实现更多传统设计无法实现的效果，实现更加复杂的功能。我想这就是 The Shed 给我们最有价值的启示。创新永无止境！
The Shed 真实照片
项目设计团队：
建筑师：
Diller Scofidio + Renfro，美国纽约（首席建筑师）
罗克韦尔集团，美国纽约（合作建筑师）
结构、动力学和外观工程师：
桑顿·托马塞蒂，美国纽约
机械化系统顾问：
Hardesty + Hanover，美国纽约
客户：
The Shed钢结构住宅立面图，纽约，美国
ETFE垫层：
Vector Foiltec，德国不来梅
