Tokyo international Forum
建筑功能：展馆馆、会议厅、剧院、商业
建筑设计：Rafael Vinoly Architects K.K.
工程设计：结构设计集团SDG\渡边邦夫
东京国际会议中心是日本首个被国际建筑师大会(UIA)认证的综合文化设施设计。建筑包括4栋兼有会议\展览\剧院\商业功能的方形综合楼、1个平面呈梭形的玻璃大厅和会议楼、地下展览大厅和车库等，建筑的连廊、幕墙、屋面等设计也颇具特色，是日本最大胆和富有想象力的建筑结构之一。
基地环境
4栋方形综合楼和1个梭形的玻璃大厅/会议楼
四条地铁线和两条最频繁使用的列车站—东京站和有乐町站，分别位于该基地的北部和南部，为该建筑带来了大量的人流，也为建筑设计带来很大难度。
会议栋 玻璃大厅的外观
1988年12月目开始国际招标征集设计方案，吸引了几乎绝大多数的著名建筑师参加，共收到了50个国家的395个方案。最终Rafael Vinoly的方案中选。
建筑师Rafael vinoly的方案，被竞赛评委评价为“巧妙地结合了建筑用地特殊条件(弧形铁路线经过)，提出了最恰当的建筑方案和明确的功能规划。” 建筑师将结构、设备、音响、照明，以及其他门类的技术成就整合于一个空间之中。
为实现大空间和建筑功能，结构设计难度非常大
玻璃大厅，是一个体量巨大的透明建筑， 是整个建筑的灵魂所在。用建筑师Rafael Vinoly的话说“从玻璃大厅采入的自然光线，使地下展览馆显得明亮，它是使得多个展览厅群的空间成为一体的门廊”。
玻璃大厅的钢结构设计非常复杂，集合了当时最先进的结构和施工技术，是我们今天结构设计案例介绍的重点。
结构体系 6 要素
玻璃大厅的结构体系比较复杂，主要由6个结构要素组成：船形屋顶、巨柱、幕墙索桁架、幕墙水平桁架、连廊、端部立体桁架。
玻璃大厅的梭形平面和纵向剖面图
玻璃大厅的横向剖面图
1.船形屋顶
屋顶结构为梭形平面，全长约207m，平面最宽处32m。底面设计成像船底的悬链形，最厚处高度12.5m。屋顶结构由横向纵向两种结构组合而成。
屋顶横向由屋顶横梁和船形的钢梁组成
拱与悬索的传力机制
纵向由架在大柱子上的拱和悬链形的拉杆组成。拱和拉杆都被设计为空间双曲线形，因此在水平和竖向都能发挥刚度作用。
屋顶悬链线形状的拉杆与船形梁相交，被分割成一段一段。每段拉杆通过球形连接件固定在钢梁腹杆上。球节点能适应每段拉杆变化的角度，并且能够自由回转。
拉杆与钢梁连接的球形节点
2.巨形柱
屋顶结构竖向由两根巨形柱支承，巨柱之间跨度为124m，屋盖再从柱子向两端再各悬挑45m。
大柱子为双层钢管制作，并内灌混凝土，同时将雨水立管和电气管线也藏在其中。与其它构件连接处的作用力巨大，均采用了大型铸钢件。
巨形柱在+27.5米标高截面最大，上下两端线性收缩。巨柱柱脚设计为铰接，只承受轴向力，柱子截面最小。在防火方面，巨形柱+32.5米标高以下都采用了FR耐火钢。
下铰接的巨柱和玻璃大厅本身的抗侧刚度很小，其水平刚度和抗扭刚度主要由紧邻的会议楼提供。会议楼地上7层为钢结构框架结构，地下3层。巨柱与会议楼(混凝土框架结构)的第4和7层通过楼面钢梁铰接连接。
3.幕墙索桁架钢结构
玻璃大厅立面的玻璃幕墙，幕墙钢结构间距10.5米一榀，采用半刚性的索桁架结构，直撑杆间距2.5m。
玻璃幕墙—索桁架钢结构体系
索桁架在室内一侧沿竖向设置了波浪形(抛物线)的拉索，抵抗玻璃墙面上的水平力。会议楼一侧自屋面向上幕墙高约25米，拉索为1段波浪；广场一侧幕墙高约60米，拉索分为3段波浪。
在拉索中施加了预拉力形成张力状态，避免索桁架的拉索在风载作用受压松弛。索桁架拉索的预拉使钢立柱内产生压力，整体上呈自平衡式，减少了其支承结构的负担。
幕墙钢结构顶部和底部详图
上图为幕墙钢结构顶部和底部详图，节点刚度很大，作为钢索的锚固点。钢索端部是压接式接头，端部有螺纹和套筒，索长度可调节。
钢索与幕墙索桁架的直腹杆采用了一种特殊的铸钢件，U形铸钢件把钢索卡在桁架的平面内。在风和地震作用下，外力引起钢索内力和形状变化时，铸钢件绕着铰节点转动，避免钢索内产生复杂应力。
撑杆与索连接的铸钢件铰节点
为了防止索桁架直撑杆的向平面外变形和振动，在水平方向上用极细的钢丝将撑杆相互连接。
水平梁位置处的钢索固定
4.幕墙面的水平桁架
在广场一侧的幕墙立面上，有2道水平放置的钢结构桁架。上部的1道桁架与会议楼屋顶同高。下部1道采用立体桁架形式，同时作为贴近幕墙的斜向走道。这两道桁架作为幕墙的面外水平支承。
第2道水平桁架：兼做斜向通道
水平桁架的自重没有用立柱支承的方式，而是利用幕墙索桁架的吊索吊挂在大厅顶部。
此外，在第1道水平桁架的标高，还设置有2根水平束杆连接会议楼，作为水平桁架的支承点。
水平束杆支撑
束杆的跨度比较大，为防止其失稳和在重力作用下挠曲，配置了预应力拉杆加强。
5.连廊
在玻璃大厅与会议楼之间有4座连廊相通。连廊采用钢结构桁架形式，两两与会议楼构成三角形的稳定形状。连廊钢结构将玻璃大厅的斜向通道与会议楼(混凝土框架)连成整体，在地震和风荷载作用时提供侧向刚度。
仰视连廊与幕墙水平桁架的连接
6.幕墙面端部的桁架结构
所前面所述，幕墙面外荷载由索桁架承受，并由2道水平桁架提供水平支承。但是，在+32.5米标高以上，即会议楼屋面以上突出部分的幕墙，缺少反力机制。所以在幕墙面的端部，设置了立体桁架和空腹梁的组合结构来抵抗水平力。
端部的立体桁架
以上6个结构要素经过结合，构成了玻璃大厅复杂的结构体系。而且，对于柔性结构和半刚性结构的预拉力控制、变形控制，给设计和施工增加了很大难度。
读到这里，你可能会问：为什么采用只有两根柱子的方案？对于狭长形的平面，沿幕墙面布置12对立柱，沿短边传力的方式难道不是效率更高吗？但是，那样立柱既要抗压又要抗侧，对于高烈度区57米高的钢柱来说，设计也是相当困难的。按压弯柱设计的立柱截面较大，对玻璃幕墙势必造成遮挡。
渡边邦夫在他的著作[3]中说，他不断尝试减少柱子的数量，5根、4根、3根、2根、1根，发现2根巨柱的方案与叶形平面最为协调，结构师对这种方案抱着坚定的态度。
最后，再分享建筑中的几处结构作法：
东京有乐町地铁站悬臂雨篷
为了不遮挡玻璃大厅，有乐町地铁站口的挑篷设计成全玻璃结构。10米长悬挑的玻璃结构，由四列平行相扣的胶合强化玻璃片组成。设计风载重为每平方米5kN与最高标准的地震作用。厚度19mm的玻璃平板开72mm直径之孔洞，玻璃板之间搭接、粘合。
会议楼7层的长廊(局部节点)
位于地下一层的展览大厅
展览大厅栋的一块曲面幕墙：18x18m
尽管建筑体型巨大，但是每个构件和节点都设计得很精巧，形成了完整可靠的结构体系，从而造就了这栋建筑独树一帜的的风格。难以想象，将近30年前的设计，不追潮流却似乎永远不会过时。
玻璃大厅的结构体系复杂，谈不上简洁直接、经济合理。但站在它面前，人们感受到的惊喜和震撼是非同寻常的。我想这是结构合理性之外的，另一种存在的意义。
参考资料：
1.日本结构技术典型实例100例，日本建筑构造技术者协会.
2.钢结构技术总览，日本钢结构协会著，陈以一,傅功义译.
3.结构设计的新理念.新方法，渡边邦夫著,小山广等译.
http://4.www.t-i-forum.co.jp/en/
http://5.en.wikipedia.org/wiki/Tokyo_International_Forum
http://6.www.gooood.hk/tokyo-international-forum.htm
http://7.blog.sina.com.cn/s/blog_5399974e010005ys.html
转载请注明出处 iStructure
交流合作
我们很高兴与结构同行探讨，也很愿意为建筑师提供结构方案、咨询建议、找形分析等。如有需求，请联系小i 微信号，或者在公众号首页留言。欢迎交流讨论！欢迎投稿！
iStructure的初衷是分享建筑结构领域的见闻、优秀的设计和自己一些的思考，向更多人呈现结构设计有趣的一面。
本文首发于iStructure公众号，此为小i运营的知乎账号，希望能让更多人了解不一样的结构设计。
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：iStructure
【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载