王 超，王海林，杜安坤

（总装备部工程设计研究总院，北京 100028）

城市人馆大型装置复杂结构体的造型设计

王 超，王海林，杜安坤

（总装备部工程设计研究总院，北京 100028）

介绍上海世博会城市人馆大型装置复杂结构体的创意方案和设计要求，阐述总体设计方案的选择确定和具体实施。【关键词】 上海世博会；城市人馆；大型装置；结构体；空间结构

1 引言

上海世博会是中国举办的一次面向世界、探讨新世纪人类城市生活的伟大盛会。本届世博会以“城市，让生活更美好”为主题，凝聚了人类对城市建设的卓越智慧，展示了人类对未来生活的美好憧憬：城市多元文化的融合，城市和乡村的互动，城市经济的繁荣，城市社区的重塑，城市科技的创新。

为突出展示主题，主办方在浦东B片区内建设了城市人馆、城市生命馆和城市地球馆的主题馆群。其中，城市人馆以三种需求为主线，探讨城市如何满足人的需求、塑造人的生活，讲述城市中“人的故事”。为更好地展示这一主题，主办方采纳了荷兰kossmann.dejong公司关于世博会城市人馆大型机械的创意，将影像装置固定在相互嵌套运动的空间结构上，反映不同地区人民生活画面的屏幕在运动中交叉、变换，讲述关于城市与人的理念。如图1所示。此类装置并没有类似工程可以借鉴，需要兼顾结构、美学和空间关系，工程很新颖，设计工作具有挑战性。

2 创意方案及设计要求

该大型装置的驱动机构包括：旋转台-1、旋转台-2、旋转台-3和5个小转台。如图2所示。其中，旋转台-1是圆形转台，旋转台-2和旋转台-3是与旋转台-1同心的圆环形转台。另外，在旋转台-3上均布5个小转盘，小转盘可随旋转台-3共同转动，也可独立转动。根据创意，要在各转台上布置大型空间结构并架设影像装置，展现世界各地不同地域、种族、国家内人们的生活工作状况。其中，旋转台-1上布置塔状结构，沿塔身不同高度、不同方向布置8台42英寸显示器；旋转台-2上架设大型结构，要在结构内部均匀镶嵌6块4 m × 2.25 m投影幕，并在投影幕后部大约3.4 m的位置留投影机固定点，要保证投影机投到屏幕的影像不被遮挡，随着旋转台-2的转动，保证6张完整的屏幕渐次呈现在观众眼前；同时，在旋转台-3上的每个小转台布置形状各异，包含4台42英寸显示器的电视塔。系统工作时，8套大型空间结构载着6台投影仪和28台显示器，随着转台的转动进行自转和公转。

图1 工程创意阶段模拟图

根据设备的运行需求，总结该结构体设计有如下特点和要求：

（1）结构体自身要有一定的强度和刚度，保证在安装影像设备后，结构体的应力和应变满足安全需要；

（2）各结构体间存在大量相对运动，为保证设备运行的安全，结构体间要保持足够的安全距离；

（3）为保证展示的效果，结构体设计时要考虑各影像装置的固定位置，尽量保证影像在高度和角度上的均匀布置；

（4）必须保证投影机投到屏幕的影像不被遮挡，投影屏幕前也不应有遮挡物；

（5）整个结构体也是展示的一部分，结构外形应符合美学，并有一定寓意，杆件的布置应流畅而无规律，整体外形具有雕塑感；

（6）为保证转台受力均匀，结构在转台的生根点应均匀布置在转台结构有支撑轮的节点上。

3 总体设计方案的选择确定

业主提出结构体在完成其功能性以外，外观轮廓要兼顾美学要求，并提出设计中的杆件必须无规则，不能有垂直和水平的杆件，杆件只能在不规则的折线中进行布置。根据此要求，设计方首先提出的设计思路是结构模型类似几棵顶端连接的树，由地面升起一些杆，再不断的延伸分支，最终杆件围成一个环，并把投影机和屏幕穿插在杆件中间进行布置。但经过与业主和创意单位交流，此方案被否决了。业主理想的结构体形状是有雕塑感的，有一定空间形状，而且杆件间的连接只能是在杆件的端部，而不能在杆件中部外伸支杆；杆件布置应该类似像很多大的肥皂泡堆积在一起，形成有厚度的复杂空间结构；杆件间相互组成很多个三角形，并最终围成一个大环。为了能让整个作品更有形状，更具有雕塑感，也更有寓意，经过比较，将设计方向设定为一个大的水晶簇造型：中间一个大型水晶块造型，而中间和四周的结构架则设为小的晶柱。作品呈现的效果为一簇天然的水晶柱，晶体上有复杂的切面。他们相互间嵌套转动，并投射出各种影像，有如场馆内蕴含的一件宝物，很有美感，很好地契合了场馆的思想。此设计思路获得了业主和创意单位的认同，成为设计造型的指导。

4 具体设计工作的实施

4.1 设计工作综合分析

由于台上结构属于极其复杂的空间无序结构，构件间还存在大量的相对运动，空间关系要求严格，常规二维设计软件完全不具备设计完成此项工作的能力。针对空间杆件排布是本次设计主要内容的特点，设计中选用了最简单、最快捷的AutoCAD Mechanical 2009为设计工具，使用ANSYS 10为结构验算工具。

通过对各个结构体的比较分析，投影幕的尺寸远大于显示器，具有不能被遮挡等特殊技术要求，所以，旋转台-2上的结构将是所有结构体中体量最大、最为复杂的结构体，是整个项目的核心。而其他结构体都是塔状结构，只悬挂显示器，造型要求相对简单。因此，解决好旋转台-2上的结构体设计将是整个项目成功的关键。

4.2 旋转台-2上的结构体设计

在旋转台-2上的结构的设计中，首先将底部转台结构画在三维空间里，为了便于发现投影光线是否被遮挡，将投影屏幕与投影光线做成一个五面体模型在空间摆放。如图3所示。在杆件排布中，如果有杆件进入了五面体内部，就挡住了影像的投影，必须进行调整。在具体设计中可以发现，投影光线形成的五面体尺寸非常大，无论怎样摆放，肯定都要伸入到旋转台-1和旋转台-3的区域。而且，如果屏幕是沿周向向外布置的话，旋转台-1的上空空间会完全被投影光束占满，旋转台-1上的8台显示器将无法布置。惟一可行的办法是投影屏幕沿切向布置，在保证旋转台-1和小转台上都有必要的空间安放结构架和显示器的前提下，伸入到旋转台-1和旋转台-3上空。经过反复比较，以进入旋转台-1区域950 mm和进入旋转台-3区域500 mm设定为旋转台-2上结构体尺寸设计控制红线。而为了避免投影屏幕间互相遮挡，投影幕将沿两条螺旋曲线布置，这样，屏幕在高度和角度上都错开了空间，实现了屏幕的均匀排布，也给后面结构设计提供了便利。如图4所示。

在6个投影屏幕位置基本排定后，接下来就是最主要的结构体设计。投影幕边框根据固定投影幕的需要使用的是60 mm方管；整个装置的高度为11 m，设计前估算结构杆件单根最长大概是5 m，而大部分杆件长度会在3 m左右，在自重产生的挠度可以接受的情况下，为控制整体重量和整体外观，最终杆件全部使用3 mm壁厚60 mm直径的圆管。在造型过程中，为了达到水晶般的外形效果，避免结构失去形状产生“水桶”的感觉。在坚守尺寸红线的同时，造型设计有意地作了些变化：由于屏幕呈螺旋式上升排布，设计时将屏幕的边框融入到结构杆件体系当中，所以，结构体也随之呈现一定的螺旋上升的感觉。同时，将结构体顶部在两个位置上抬高，撑起顶部结构，造型中配合使用大量长杆件，使此部分结构体上部显得更宽大，更丰满。而在结构体中间部位，屏幕间的连接使用了更多的短杆，布置上也尽量向里收缩，形成微微收起的腰身。而结构体底部承担了机构的全部重量，设计重点是将结构的重量分散到更多的转台台面节点上。杆件的排布尽量发散，材料的选择，则是长短结合，以短杆为主。如图5所示。

设计从转台结构有支撑轮的节点开始，向上逐渐延伸。设计中需要不断地检查杆件是否在尺寸红线以内，空间上有无干涉，并不断转动模型，观察外形效果。在模型基本完成后，将模型整体导入ANSYS进行应力和应变的计算，在应力集中的位置适当增加杆件，将集中的力量分散开；在应力很小的地方适当减少杆件，使模型显得更简洁。这样起到展示作用的结构杆件，同时也都是结构受力杆件。由于模型全部由稳定的三角形结构为单元组成的，在计算中表现出了很好的稳定性。经过几次修改，在运算中模型最大应力为32.6 MPa，最大变形为6.8 mm，而且应力分布已经很均匀了。如图6、图7所示。

4.3 中心塔结构体设计

中心塔的设计是本次设计的另一个难点。根据总体布局规划，中心塔高度为9 m，在不同方位安装总计8块42英寸显示器。为达到整个作品风格的一致，中心塔的设计要实现多棱面的晶体效果。由于旋转台-2上的结构体已经占用了很多旋转台-1的空间，中心塔外形必须控制在2.5 m直径范围内，已经无法在形状上做出很大的变化，设计中更多的是在结构的三角形排布上突出晶体感。设计中在塔的顶部用长杆拉出很大、很锋利的三角面，突出塔身高大挺拔的感觉。如图8所示。塔的中段设计中，考虑到有8台显示器要固定在这一段，为了提供更多节点用于悬挂显示器，选择用密集的短杆增加节点数量。塔基通过8根杆固定在旋转台-1的节点上，具备很强的稳定性。中心塔设计最大的困难是空间紧凑，需要要在直径2.5 m的范围内布置全部的设备。而42英寸显示器本身尺寸占去了相当大的空间，留给结构的空间非常有限，对造型构成危险。为此，设计中显示器局部有突出设计红线，并通过三维模拟检查与旋转台-2上结构体的干涉情况，针对安全距离小的部位对两个结构体做了调整。中心塔的设计表现了很强的整体性，通过结构件花纹式的布置，在小空间内表现的很有活力，也满足了显示器固定的需求。密集的杆件也使中心塔的坚固度非常高。计算结果在自重情况下，结构应力为4 MPa，最大变形为0.2 mm。如图9、图10所示。

图6 旋转台-2上的结构体应力计算结果（mm/kN/GPa）

4.4 小转台结构塔的设计

因为每个小转台上的结构塔只需要固定4台42英寸显示器，而且其只是以晶柱的形式作为辅助的展示，密集的杆件会对中心的影像产生遮挡，所以，在设计中力求简单。而小转台在随旋转台-3公转的同时，自身也在进行自传。为了突出结构的转动感，形状上采用了类似镰刀的造型，按照流畅的晶体造型排布。如图11所示。小转台上结构塔应力、变形计算结果如图12、图13所示。

5 结束语

在大型装置中，中心塔共使用杆件50根，旋转台-2上结构用杆100根，5个小转台上每个展示塔用杆18根，排布如此复杂的空间结构在没有三维辅助工具的情况下是无法做到的。本次设计是对复杂杆件设计的一次探索，是多种工具集成使用的一次成功尝试，开创了一条复杂结构的设计思路，也是美学和结构的一次完美结合。在上海世博会城市人馆的大型装置实物加工安装完成后，对各个旋转台分别进行运动干涉检查。试验效果与电脑模拟的结果完全一致。虽然空间极为紧凑，但空间上所有构件均未发生干涉，设计取得了成功。世博会期间，大型装置结构简洁大气，展示稳定可靠，达到了预想的展示效果，起到了展示城市文明成果、交流城市发展经验、传播先进城市理念的良好社会效益，为世博会的成功添加了光彩。

（编辑 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