PROJEKTY BUDYNKÓW WYSOKICH Opis ogólny zespołu budynków wysokich zaprojektowanego za pomocą zespolonego system konstrukcyjnego [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]

Transkrypt

1 OPIS OGÓLNY Głównym celem mojej działalności naukowej i zawodowej jest opracowywanie innowacyjnych rozwiązań architektonicznych oraz konstrukcyjnych, dzięki zastosowaniom których projektowane budynki mogą uzyskiwać interesujące i unikalne formy architektoniczne, a obiekty te mogą być sprawnie i wydajnie wznoszone na dowolnym terenie oraz posadowione na każdym rodzaju podłoża. Ważną rolę w procesach projektowych pełnią modele numeryczne struktur definiowane parametrycznie w stosownym języku programowania. Zakres tematyczny projektów jest szeroki począwszy od budynków mieszkalnych poprzez różnego rodzaju obiekty użyteczności publicznej. Oferta projektowa odnosi się w szczególności do innowacyjnych rozwiązań architektoniczno-konstrukcyjnych, których zastosowanie sprawia, iż montaż budynków halowych i lekkich przekryć dachowych jest stosunkowo prosty, szybki, dokonywany często bez konieczności użycia sprzętu w postaci np. specjalistycznych dźwigów i dzięki temu niezbyt drogi. Proponowane systemy konstrukcyjne są łatwe w produkcji, a po zmontowaniu odznaczają się dużą sztywnością przestrzenną. Odnosi się to głównie do systemów nośnych: - hal przemysłowych, handlowych, magazynowych, wystawowych, widowiskowych, sportowych i o innych przeznaczeniach funkcjonalnych, - hangarów lotniczych, budynków dworców lotniczych, kolejowych, itp., - konstrukcji zadaszeń trybun i całych stadionów sportowych. W zakres oferty projektowo-badawczej wchodzą również koncepcje rozwiązań technicznych składanych i rozkładanych przekryć dachowych, które mogą ułatwić szybkie i sprawne zamknięcie, a następnie otwarcie części lub całości przekrywanej powierzchni. Za najważniejszy wynik mojej pracy naukowej i projektowej uważam zespolony system konstrukcyjny fundamentu oraz integralnie z nim związany zespolony system konstrukcyjny budynku wysokiego. To przełomowe w skali światowej rozwiązanie techniczne umożliwia bezpieczne posadowienie obiektów silnie obciążonych na podłożu o niewielkiej nośności. System ten może być szczególnie przydatny dla budynków sytuowanych na terenach aktywnych sejsmicznie. Do najważniejszych pozycji mojego dorobku naukowego zaliczam także metodę deformacji siatki wtórnej, ponadto dwuetapową metodę obliczania kratownic statycznie niewyznaczalnych oraz monografię pt. Shaping of space structures. Examples of applications wydaną przez Oficynę Wydawniczą Politechniki Wrocławskiej w 2005 roku. Zwarty przegląd reprezentatywnych projektów architektonicznych, rozwiązań technicznych i wyników pracy naukowej jest zaprezentowany poniżej na wybranych przykładach stosownych opracowań.

2 PROJEKTY BUDYNKÓW WYSOKICH Opis ogólny zespołu budynków wysokich zaprojektowanego za pomocą zespolonego system konstrukcyjnego [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10] Rys. 1. Widoki ogólne oraz elewacja typowa kompleksu budynków o nazwie GeoDome Sky Towers zaprojektowanego dla południowej części Wrocławia w międzynarodowym konkursie architektonicznym evolo2012, autor: Janusz Rębielak; współpraca techniczna: Maciej Smoliński

3 a Rys. 2. Schematy rzutu parteru całości oraz przekroju pionowego centralnej, sferycznej części zaprojektowanego zespołu b Rys. 3. a) Widok wnętrza tzw. Wyspy Tropikalnej usytuowanej w górnej części struktury sferycznej, b) widok perspektywiczny centralnej części sferycznej z poziomu dachu konstrukcji podstawy całego zespołu Zespół budynków nazwany GeoDome Sky Towers składa się z czterech oddzielnych prostopadłościennych budynków wieżowych, z których każdy umieszczony jest na planie podstawy kwadratu o długości boku równej metrom, co jest wymiarem modułu głównego tego kompleksu zlokalizowanego w południowej części przestrzeni miejskiej Wrocławia. Pojedynczy budynek wysoki zawiera 80 kondygnacji typowych o wysokości równej 4.50 m. Budynki te są usytuowane na wspólnej poziomej podstawie ukształtowanej w proponowanej formie fundamentu zespolonego o wysokości łącznej równej metrom i zawierającej trzy kondygnacje techniczne. Ta pozioma strukturalna podstawa jest niemal bezpośrednio umieszczona na poziomie podłoża. Całkowita wysokość tego kompleksu jest

4 nieco większa niż metrów. Przestrzenie wewnętrzne tych czterech wież są przeznaczone do pełnienia funkcji obiektów biurowych, hotelowych, mieszkalnych oraz szeregu innych. Potężna struktura geodezyjna stanowi centralną część całego zespołu. Średnica tej kuli jest niemal równa 100 metrom, a jej konstrukcja jest zamocowana w czterech narożnych węzłach usytuowanych w połowie wysokości każdej z wież. W dolnej części struktury geodezyjnej zaplanowano rozmieszczenie pomieszczeń technicznych, zespołu sal audytoryjnych oraz wielu innych hal wielofunkcyjnych. Górną jej część zaprojektowano w formie tzw. Wyspy Tropikalnej z dużym basenem i piaszczystymi plażami jako atrakcyjną część wypoczynkową dostępną dla wszystkich użytkowników kompleksu. Jest ona oparta na potężnej strukturze przestrzennej usytuowanej poniżej centralnej średnicy sfery i jest ona zaprojektowana w postaci odwróconej piramidy. Cztery wieże są ze sobą połączone za pomocą odpowiednich struktur łukowych rozmieszczonych pionowo wzdłuż przekątnych kwadratowej formy podstawy tego kompleksu. Forma tych struktur łukowych jest wzorowana na trajektoriach naprężeń głównych w belkach, a ich przestrzenie wewnętrzne przeznaczono na tzw. ogrody zielone z roślinnością pochodzącą z różnych części świata. Rys. 4. Schematy ogólne form podstawowych zespolonego systemu konstrukcyjnego budynku wysokiego i przykładowa postać mega-struktury Systemowy fundament zespolony może być zastosowany do posadowienia obiektów silnie obciążonych zlokalizowanych na obszarach morskich lub przybrzeżnych co przedstawiono w dwóch projektach przygotowanych dla potrzeb międzynarodowego konkursu architektonicznym evolo2015. Pierwszym z nich jest projekt koncepcyjny Ocean Agave, a drugi to również projekt koncepcyjny Floating Bay Tower [9,10].

5 Rys. 5. Plansza nr 1 projektu konkursowego pt. OCEAN AGAVE, autor: Janusz Rębielak, współpraca techniczna: Wojciech Kocki i Maciej Rębielak Rys. 6. Plansza nr 2 projektu konkursowego pt. OCEAN AGAVE Ocean Agave jest zaplanowana jako sztuczna stosunkowo mała wyspa, niezależna i samowystarczalna żywnościowo oraz energetycznie jednostka osiedleńcza dla grupy min osób pływająca swobodnie po oceanie w strefach około zwrotnikowych w dość dużym oddaleniu od lądu. Projektowany obiekt ma w rzucie poziomym kształt koła o średnicy ponad 400,00 metrów, a w jego centrum jest usytuowany budynek o wysokości 73,33 metra zawierający część mieszkalną, wokół której jest rozmieszczona część użytkowa uformowana w postaci kilkudziesięciu ukośnych struktur, których długość dochodzi do 100,00 metrów, a kierunki ich osi podłużnych ogniskują się w punkcie centralnym tego

6 koncentrycznego założenia. Przestrzeń tych ukośnych struktur jest przeznaczona dla uprawy roślin tzw. kontynentalnych natomiast roślinność dobrze znosząca klimat morski jest uprawiana na otwartym terenie Ocean Agave. Wokół obwodu na zewnątrz falochronu rozmieszczone są elementy mechaniczne służące do pozyskiwania energii z ruchu fal morskich, a w obszarach licznych niewielkich basenów są rozmieszczone urządzenia niezbędne dla hodowli ryb i innych stworzeń morskich. Projekt konkursowy Floating Bay Tower Rys.7. Plansza nr 1 projektu konkursowego pt. Floating Bay Tower, autor: Janusz Rębielak, współpraca techniczna: Wojciech Ciepłucha i Maciej Rębielak Rys.8. Plansza nr 2 projektu konkursowego pt. Floating Bay Tower

7 Koncepcja Floating Bay Tower jest proponowana dla potrzeb wznoszenia intensywnej zabudowy wysokościowej na obszarach przybrzeżnych, zatokowych bądź osłoniętych odpowiednimi falochronami lub łamaczami fal, ograniczającymi nierównomierny i gwałtowny wzrost poziomu morza szczególnie podczas tsunami, gdzie podczas największego możliwego odpływu utrzymuje się stosunkowo wysoki poziom morza. Obiekt wielofunkcyjny nazwany Floating Bay Tower jest utworzony przez zespół trzech osobnych budynków, z których każdy ma postać wydłużonego ośmiościanu o wysokości 150,00 metrów i podstawę trójkąta równobocznego o długości boku równej 30,00 metrom. Każdy z budynków ma system konstrukcji nośnej określony mianem framed polyhedron i może zawierać maksymalną liczbę 36 kondygnacji typowych o wysokości ok. 4,16 metra. Ich powierzchnie użytkowe są przeznaczone na cele biurowe, administracyjne, hotelowe, mieszkalne itp. Pomiędzy tymi trzema bryłami obiektów głównych znajduje się przestrzeń centralna ograniczona od zewnętrza całego kompleksu za pomocą niemal pionowo umieszczonych segmentów struktury przestrzennej nazywanej square on - square. Bibliografia: 1. Rębielak Janusz: Systemowy fundament zespolony (System of combined foundation in Polish), Patent registration, Patent Office of the Republic of Poland, Patent Application No P , Rębielak Janusz: Combined form of structural system proposed for tall buildings, Taller, Longer, Lighter - Proceedings of IABSE-IASS Symposium, London, September, 20-23, 2011, p. 308, full paper on CD. 3. Rębielak Janusz: Koncepcja systemu konstrukcyjnego budynku wysokiego (Concept of structural system for a tall building in Polish), Inżynieria i Budownictwo, No1, 2012, pp Rębielak Janusz: Model numeryczny GeoDome Sky Towers (Numerical model of the GeoDome Sky Towers in Polish), XVI Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa-Jurata, May 14-18, 2012, Vol 2, pp (artykuł opublikowany w czasopiśmie Mechanik, No 7, p. 604/CD p. 835, 2012) 5. Rębielak Janusz: New forms of combined structural system proposed for tall buildings, IABSE Conference, Global thinking in structural engineering: recent achievements, Sharm El Sheikh, May 7-9, 2012, Report volume 98, pp , (całość artykułu zamieszczono na CD). 6. Rębielak Janusz: Examples of forms of tall buildings designed by means of the combined structural system, Seoul, 2012, From Spatial Structures to Space Structures, IASS-APCS 2012 Symposium, May 21-24, 2012, Seoul, Korea, Book of Abstracts, p. 366, (całość artykułu zamieszczono na CD). 7. Rębielak Janusz: Review of some structural systems developed recently by help of application of numerical models, Lightweight structures in civil engineering contemporary problems, Local seminar of IASS Polish Chapter, Warsaw, 2012, pp Rębielak Janusz: System of combined foundation for tall buildings, Journal of Civil Engineering and Architecture, Vol. 6, No 12, December 2012, (Serial No 61), s Rębielak Janusz: Modele numeryczne wybranych rozwiązań architektonicznych i konstrukcyjnych, XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania,

8 Wytwarzania i Eksploatacji, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa-Jurata, maja 2015 r., Tom 2, s , artykuł opublikowany w miesięczniku MECHANIK, nr 7, lipiec 2015 r. 10. Rębielak Janusz: Some structural systems proposed for tall buildngs located in earthquake areas, 6th International Conference on Earthquake and Structures, Academic Center for Education, Culture and Research (ACECR), Shahid Bahonar University, Kerman, Iran, października 2015 r., s Budynki wysokie zaprojektowane w systemie wielościanu ramowego (Bliższe informacje na temat tego systemu są dostępne np. w: Rębielak Janusz: Some Proposals of Structural Systems for Long Span Roofs and High-Rise Buildings, Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures, Vol. 40, No 1, 1999, s ) Rys. 9. Budynek wysoki zaprojektowany przy zastosowaniu systemu konstrukcyjnego nazywanego wielościanem ramowym, koncepcję którego autor opracował w połowie lat 90-tych ubiegłego stulecia

9 Rys. 10. Proponowana postać budynku o wysokości ok. 204 metrów będąca integralną częścią zespołu obiektów wielofunkcyjnych zaprojektowanego na miejscu nieistniejącego budynku Poltegoru we Wrocławiu (2006 r.), wizualizacje: Maciej Smoliński Rys. 11. Widok z lotu ptaka całego kompleksu zlokalizowanego przy ulicy Powstańców Śląskich we Wrocławiu złożonego z obiektów biurowych, hotelowych, mieszkalnych oraz centrum kongresowego

10 Projekt Centrum Królowej Jadwigi jako nowego kampusu Wyższej Szkoły Gospodarki w Bydgoszczy (2005 r.) ( 1-sza nagroda w konkursie architektonicznym, autor: Janusz Rębielak, współpraca techniczna: Anna Drozd (Trzebska), Lucyna Prucnal ) Rys. 12. Schemat planu sytuacyjnego nowego kampusu Wyższej Szkoły Gospodarki w Bydgoszczy przy ulicy Garbary 2 Rys. 13. Widok ogólny zaprojektowanego kampusu od strony rzeki Brdy

11 Projekt zespołu basenów w Białogardzie (2006 r.) (Zwycięski projekt na koncepcję programowo-architektoniczną autor: Janusz Rębielak, współpraca techniczna: Paweł Buck, Maciej Rębielak) Rys. 14. Schematy elewacji południowej oraz planu sytuacyjnego całego zespołu Rys. 15. Widok ogólny jednego z wariantów rozwiązania architektonicznego

12 Rys. 16. Widok wieży do skoków oraz zjeżdżalni wodnej Rys. 17. Widok wnętrza jednego z wariantów projektowych hali głównej zespołu basenów w Białogardzie zlokalizowanego przy ul. Moniuszki nr 49

13 Rys. 18. Autorska koncepcja projektowa kopuły Hali 2010 o rozpiętości 365,25 m przygotowana dla zespołu centralnego Expo 2010 planowanego uprzednio we Wrocławiu (2003 r.), autor projektu Hali 2010 Janusz Rębielak; autor projektu wieżowca Bramy 2010 Zbigniew Bać Rys. 19. Widok wnętrza kopuły o rozpiętości 365,25 metrów

14 Rys. 20. Widok struktury prętowo-cięgnowej VA(TH)No2 będącej konstrukcją nośną budynku głównego mającego wchodzić w skład proponowanego przez autora Centrum Geo Politechniki Wrocławskiej (2005/2006 r.) Rys. 21. Forma architektoniczna budynku głównego Centrum Geo mającego średnicę 32,5 m i zawierającego laboratoria naukowe oraz halę Planetarium

15 Rys. 22. Widok ogólny głównej części Centrum Geo Rys. 23. Jeden z widoków perspektywicznych Centrum Geo; wizualizacje: Anna Drozd (Trzebska)

16 Strukturę przestrzenną typu VA(TH)No2 zastosowano w jako konstrukcję nośną rozpiętą nad atrium budynku głównego w autorskim projekcie przygotowanym w 2007 roku na konkurs architektoniczny na nową siedzibę Bezalel Academy of Arts and Design w Jerozolimie, w Izraelu (autor: Janusz Rębielak, współpraca techniczna Grzegorz Kaliciak, Łukasz Kitka, Maciej Rębielak). Główną ideą mojego projektu konkursowego było czytelne uwydatnienie symboli graficznych trzech głównych religii monoteistycznych, dla których Jerozolima jest Miastem Świętym. Rys. 24. Widok z lotu ptaka planowanej nowej siedziby Akademii Bezalel Rys. 25. Widok zewnętrzny fasady projektowanego budynku głównego Akademii

17 Rys. 26. Widok z góry struktury dachu rozpiętego nad atrium budynku głównego Rys. 27. Widok konstrukcji dachu z przestrzeni atrium Zastosowanie płaskich i lekkich paneli pokrycia rozmieszczonych pomiędzy wybranymi elementami struktury VA(TH)No2 wraz ze stosownymi mechanizmami umożliwi częściowe otwarcie, a później po stosownym przemieszczeniu zestawów składanych możliwe będzie całkowite zamknięcie dachu.

18 Koncepcja konstrukcyjno-architektoniczna przekrycia dachowego trybun Stadionu Ludowego w Sosnowcu Rys. 28. Schematy statyczne podstawowej, przykładowej postaci JR Tetra System opracowanego jako system konstrukcyjny lekkich przekryć dachowych (lipiec 2007 r.) Rys. 29. Widoki węzłów głównych tego system konstrukcyjnego Rys. 30. Schemat elewacji bocznej przekrycia trybun głównych Stadionu Ludowego w Sosnowcu; obliczone ugięcie tej wspornikowej konstrukcji dachu o rozpiętości równej 25 metrom pod działaniem wszystkich obciążeń normowych wyniosło tylko około 8,0 cm (!), podczas gdy ciężar własny konstrukcji stalowej dachu wyniósł jedynie około 70,0 kg/m 2 przekrywanej powierzchni; wizualizacje: Artur Iwański

19 Rys. 31. Widok konstrukcji dachowej rozpiętej nad trybunami głównymi Stadionu Ludowego w Sosnowcu zaprojektowanej w podstawowej formie JR Tetra System ( Zwycięski projekt na koncepcję architektoniczno-konstrukcyjną, 2007 r.) Rys. 32. Przykłady drewniano-stalowych typów hal systemu JR Tetra; wizualizacje: Paweł Buck

20 DŹWIGAR SOCZEWKOWY STRUKTURA PRĘTOWO-CIĘGNOWA (Zgłoszenie patentowe nr P z dnia 01 września 2008 r.) 1 Pv Ph 1 Pv 1 Ph Om Bw Ph Bw Bw Ph Pv 1 A 1 U 3 2 B N D V L D1 Rys. 33. Przykładowe schematy podstawowych płaskich postaci dźwigara soczewkowego wraz z formami węzłów konstrukcji wg. zgłoszenia patentowego As U Bs L Cs Rys. 34. Jedna z modularnych form przestrzennych dźwigara soczewkowego oznaczona symbolem MT oraz propozycja jej zastosowania w projekcie lekkiego i niewielkiego przekrycia trybun stadionu sportowego w Złotowie; wizualizacja: Piotr Skowron A U B L C Rys. 35. Schemat innej przestrzennej postaci modułu soczewkowego oznaczonej symbolem D oraz propozycja rozmieszczania takich modułów w przestrzeni powierzchniowej postaci struktury oznaczonej symbolem D -TH 1. J. Rębielak: Lenticular girder structural shape and proposals for applications, in: Evolution and trends in design, analysis and construction of shell and spatial structures, Symposium IASS, Valencia, Spain, 28 September 2 October, 2009, Book of Abstracts, s (cały artykuł na załaczonej płycie CD). 2. Rębielak: Koncepcje prętowo-cięgnowych systemów przekryć dachowych, Inżynieria i Budownictwo, nr 1, 2011, s. 3-8.

21 METODA DEFORMACJI SIATKI WTÓRNEJ Rys. 36. Schematy podstawowych etapów procedury wyznaczania wtórnej siatki trójkątnej na płaskiej ścianie 20-scianu foremnego; po zrzutowaniu tej odpowiednio zdeformowanej siatki można otrzymać sferyczną siatkę trójkątną o minimalnym zróżnicowaniu długości odcinków ją tworzących; metoda ta umożliwia wyznaczanie najbardziej regularnych trójkątnych siatek sferycznych dla geodezyjnych przekryć kopułowych 1. J. Rębielak: Wyznaczanie regularnych siatek sferycznych metoda deformacji siatki wtórnej, Inżynieria i Budownictwo, nr 8, 1983, s J. Rębielak: The method of secondary grid deformation, International Journal of Space Structures, Special issue on geodesic forms, Guest editor: T. Tarnai, 1990, Vol. 5, Nos. 3&4, s DWUETAPOWA METODA OBLICZEŃ KRATOWNIC STATYCZNIE NIEWYZNACZALNYCH Rys. 37. Schematy etapów głównych - istotą dwuetapowej metody obliczania kratownic statycznie niewyznaczalnych jest stosowne zdefiniowanie schematów dwóch kratownic statycznie wyznaczalnych, które po zastosowaniu zasady superpozycji dają w wyniku rezultat odpowiadający postaci kratownicy wyjściowej 1. J. Rębielak: Dwuetapowa metoda obliczania kratownic statycznie niewyznaczalnych, TH Delft, Afdeling der Bouwkunde, Vakgroep 4, Project nr , The Netherlands, March, J. Rębielak: Simple method of calculation of statically indeterminate trusses, Proceedings of 5 th Asia Pacific Congress on Computational Mechanics & 4 th International Symposium on Computational Mechanics (APCOM2013 & ISCM2013), Paper ID , December, 2013, Singapore.