扎哈, 福斯特, Heatherwick 的超复杂玻璃幕墙，是如何解决结构问题？｜ArchDaily 技术专家
建筑形态与建筑结构之间存在的矛盾由来已久，建筑师天马行空、大胆前卫的想法时常会因为需要满足结构要求和技术限制而仅仅停于纸面。如何实现突破了常规建筑形式的项目，如何将建筑师的奇思妙想实现从纸面走向现实？
#结构设计事务所 Eckersley O’Callaghan
#EOC Engineers
本期，ArchDaily 将为读者介绍这家专注于结构工程和外墙工程的结构设计事务所——Eckersley O’Callaghan。Eckersley O’Callaghan 与全球诸多著名建筑师做出了许多成功的尝试，与福斯特建筑事务所长期联手，创造全球多家经典“纯净玻璃墙”苹果店，与扎哈哈迪德事务所、SOM、Gensler、KPF、Snøhetta、Heatherwick 等事务所均有良好的合作关系。Eckersley O’Callaghan 在玻璃制造技术和结构设计上完成了许多创新与重大突破，具有全球领先的结构创新与实现能力。
01
俄罗斯储蓄银行科技园
扎哈哈迪德事务所
本项目由扎哈哈迪德建筑事务所设计，作为俄罗斯银行 Sberbank 的 IT 部门的新办公大楼，具有高度复杂的几何形状的玻璃围护结构。如何在实际建造过程将常见的垂直平铺的玻璃幕墙呈现出如此复杂的形态，Eckersley O’Callaghan 给出了一份令人满意的答卷。
© Eckersley O’Callaghan
在整个项目中 Eckersley O’Callaghan 为坚固的外墙、屋顶系统、檐口和中庭天窗开发了20种不同类型的玻璃模块。主要的外墙系统是作为一个单元化的幕墙实现的，倾斜的玻璃在7 x 2米的模块中，结构上与铝制框架粘合。该系统适用于平坦的、切面的和弯曲的几何形状的外部立面。在建筑内多个冬季花园空间中，外墙脱离了支持性的楼层结构，需要超过45米高的二级钢柱来抵御风载荷。Eckersley O’Callaghan 设计了这些二级钢柱，以确保与幕墙的紧密衔接。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
地面层和入口处的玻璃系统使用了专门为本项目开发的详细的框架系统，以适应这些区域的复杂曲率。中庭屋顶和桥梁采用网格壳型钢结构，跨度为80x30米， Eckersley O’Callaghan 还为中庭外墙和桥梁提供了二级系统以及关键的主要结构运动连接点。
幕墙拱桥结构诗意 © Eckersley O’Callaghan
主立面弧形接口与百叶风道节点 © Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
Eckersley O’Callaghan 在 Grasshopper 中开发了内部数字设计工具，对复杂的几何形状进行参数化分析，确定实现每个面板的形状、热能和视觉性能所需的制造工艺，确保能够在整个围护结构中保持玻璃的视觉一致性。
室内栏杆外立面系统 © Eckersley O’Callaghan
中庭立面连接节点 © Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
02
新加坡滨海湾金沙酒店苹果商店
福斯特建筑事务所
世界上第一家直接坐落于水面上的苹果店，完工于2020年，由福斯特建筑事务所和 Eckersley O’Callaghan 共同完成。这个“漂浮”在新加坡滨海湾金沙酒店旁的巨大透明玻璃球体，继承了苹果商店标志性的“挑战不可能”的极简主义外观，尽显苹果在探索玻璃结构上的野心。Eckersley O’Callaghan 成功实现了这个完全无其他支撑结构的全玻璃穹顶结构。
© Apple
© Apple
建造一个全玻璃穹顶结构，完全自我支撑，没有柱子，没有斜拉结构，没有梁或拱，尚属世界首例，是令人惊叹的工程创举。球体17米高、30米宽，仅由114块玻璃板组成，玻璃与玻璃间由10个狭窄的垂直中缝进行结构连接，最大的玻璃板宽10米x高3米，每片玻璃被热塑或层压成型，这种拼装方式也同样是世界上的首次尝试。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
构成穹顶结构的钢框架及其纤细，满足了建筑的整体感，在纤细的结构中，藏着照明和喷淋系统等功能部件，承担起功能性。穹顶顶端的中央圆形玻璃面板，可以在发生火灾时升起；圆环形的挡板起到了防眩光和消音的作用。Eckersley O’Callaghan 从概念阶段就介入到设计之中，提供了从概念到现场监督直至完工的全部建筑上部结构设计。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
材料厂家：Terrazzo & Marble
© Apple
03
伦敦天空泳池
HAL Architects
伦敦天空泳池作为世界上第一个完全透明的游泳池，Eckersley O’Callaghan 为其提供了结构方案。本项目由 HAL Architects 设计，这是同类中的第一个，也是一项真正卓越的工程壮举，一个透明的长达15米的游泳池横跨在两栋十层高的公寓楼之间。由于两座建筑物都受到正常运动的影响，包括风摇和地基沉降，如何在高空上实现这一大跨度泳池，Eckersley O’Callaghan 解决了许多重大的工程挑战。
© Simon Kennedy
游泳池采用透明亚克力建造。水池侧壁厚180毫米，深3.2米。它的底座厚360毫米，水池悬空部分重达50吨，整个水池需要承载150吨水，其中100吨由亚克力桥“桥”承载。由于其尺寸过大，天空泳池实际是由单独的几部分拼接而成的，连接处巧妙设计了透明粘合接头，以最大化粘合面积并避免高应力区域。
© Eckersley O’Callaghan
材料厂家：雷诺兹聚合物制造公司—Reynolds Polymers (Fabrication)
水池结构在建筑物之间有15米的跨度，泳池侧壁形成的深梁能够实现跨越这个距离，同时承载水的重量，并抵抗侧面的静水压力和风荷载。这两座建筑物都受到正常运动的影响，这是这种规模的建筑物所固有的，包括风摇和地基沉降。泳池结构通过避免两端的刚性连接来处理这种运动；它在桥梁支座上滑动，同时保持水密性。
© Eckersley O’Callaghan
© Simon Kennedy
建筑物两端各有一个额外的5米长的游泳池，泳池总长为25米，这些部件由不锈钢连接。它们通过两个高强度、弹簧张紧的、直径为38毫米的不锈钢棒通过亚克力绑在一起，位于水池下方。粘合的丙烯酸结构提供更少的侵入性接头，实现更高的透明度。亚克力的折射率接近于水的值，当透过水或从外面观看时，变形也会小得多。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Simon Kennedy
04
香港新艺术博物馆
KPF | SO-IL Architects
在 KPF 和 SO-IL Architects 共同设计的香港新艺术博物馆项目中，Eckersley O’Callaghan 为该项目创造性的设计出了世界上半径最小的玻璃圆柱，不仅实现了建筑立面的独特性，更突破了玻璃制造技术的极限。
© Eckersley O’Callaghan
香港新艺术博物馆，在一个大型综合开发项目中占据两层楼。博物馆空间的全玻璃幕墙位于多层开发项目的六楼和七楼，环绕着建筑占地面积的一半（约 170 米）。立面由475个玻璃圆柱体组成，每个圆柱体高9米，半径450毫米，环绕着博物馆。以前从未有过这种尺寸的玻璃面板被弯曲到如此小的半径。这些圆柱体由两个半圆柱体制成，它们本身由热塌陷的夹层玻璃制成，然后用硅胶密封在一起。
© Eckersley O’Callaghan
材料厂家：Seele
Eckersley O’Callaghan 面临着设计管状结构玻璃幕墙的挑战，该幕墙无需额外支撑即可从底部跨越到顶部，同时满足项目的能源和性能要求。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
所有的面板都有底座支撑，入口和开口处的面板通过一个穿过玻璃的机械连接螺栓支撑在相邻的全高玻璃柱上。支撑结构的移动是通过顶部约束的垂直释放连接细节来实现的。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
05
Coal Drops Yard
Heatherwick Studio
Coal Drops Yard 是 Heatherwick Studio 在伦敦的历史建筑改造项目，对两座维多利亚式仓库进行大规模翻新，打造新的地标性购物中心。Eckersley O’Callaghan 为本项目设计了锯齿状的玻璃幕墙，以适配改造项目独有的“接吻”屋顶。锯齿玻璃的每个角度都不同，每个角度都需要精确测量和仔细考虑，以适应结构运动、荷载和连接细节设计。
© Hufton + Crow
耗资 1 亿英镑的购物中心计划采用重达1350吨的“接吻”屋顶，将两座现有建筑连接起来，形成一个新的高层。Eckersley O’Callaghan 在这个接吻的屋顶下设计了一个锯齿状玻璃幕墙，玻璃在它的顶峰上升到 7 米高。
© Eckersley O’Callaghan
© Hufton + Crow
Eckersley O’Callaghan还设计了连接立面和屋顶梁的支撑钢结构，以及一楼六米高的玻璃面板。更新项目保留了历史拱形建筑的许多特色，包括将变成公共活动空间的遗产湾。为了保留和突出空间的鹅卵石地板，Eckersley O’Callaghan 创造了一个特色凸起的玻璃地板，它支撑着钢柱。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Hufton + Crow
06
苹果杭州西湖店
福斯特建筑事务所
杭州西湖苹果零售店是苹果在亚洲地区最大的零售店之一，是 Eckersley O’Callaghan 和福斯特事务所合作的又一苹果店项目。项目的立面由11块双层玻璃板组成，玻璃板高15米，是当时世界上最大的单片玻璃板之一。
© Eckersley O’Callaghan
玻璃板由竖向的玻璃竖挺支撑，构成一个纯玻璃的立面，以达到最大的通透性。立面充分考虑了抗风和抗震性，玻璃板块间可以在一定程度内自由移动。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
项目以“悬挑”为特色，玻璃楼梯仅依托一侧的墙壁，“悬浮”在半空，采用了与建筑师和玻璃加工商 Sedak 合作开发的新的夹层插入式配件；建筑中的二层是从后壁伸出的悬臂地板，12米宽，地板厚度从1.2米逐渐缩小到10厘米。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
门厅雨棚也由玻璃面板组成，以竖挺和承重玻璃板组合而成的力平衡玻璃板重心，形成无支撑挑檐。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
07
Vidre-Slide
Eckersley O’Callaghan
Vidre-Slide 玻璃滑梯由 Eckersley O’Callaghan 公司与玻璃制作公司 Cricursa 合作完工，二者决定在这个新的装置项目中，进一步探索之前香港新艺术博物馆项目中开发的、建造小弧度长条形玻璃半圆柱的新技术，并制造更多的应用机会。滑梯以四米高的三角玻璃结构和九米长的滑道组成，完全以玻璃和结构硅胶粘合，全梯没有使用任何机械固定。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
滑梯主要以两个长玻璃元件组成，相互支撑，底部由钢件固定在地板上。玻璃元件的半圆柱的半径为450毫米，长达九米，一体成型没有拼接。玻璃的弯曲在实现结构的长跨度方面起关键作用。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
整个项目的关键在于仅凭固定剂连接元件，Eckersley O’Callaghan 选择使用名叫 TSSA（Transparent Structural Silicone Adhesive）的透明结构硅胶黏合剂，这种黏合剂可以提供几乎看不见的粘合，能够抵御人在结构上的重量所带来的剪切负荷。玻璃踏板也由黏合剂粘接在弧形玻璃表面。
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
© Eckersley O’Callaghan
责编：韩双羽；编辑：邵珠琦，嵇瑞雪
*本文图片来自 Eckersley O’Callaghan
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