Tower of Light – фантастическая конструкция, вдохновлённая природой

Открытая в феврале 2022 года Tower of Light в Манчестере была спроектирована для поддержки пяти вытяжных труб новой теплоэлектроцентрали. Городской совет Манчестера и главный подрядчик Vital Energi предоставили проект архитекторам из Tonkin Liu и компании Arup осенью 2017 года. Основная идея заключалась в проектировании и постройке башни, в которой будет располагаться энергетический центр, снабжающий окружающие здания низкоуглеродной энергией. Башня также является частью проекта по созданию тепловой сети делового квартала Манчестера, которая будет обеспечивать теплом район протяженностью два километра, включая несколько особо ценных зданий, таких как Манчестерская ратуша и Бриджуотер-холл.

Готовый объект превзошёл желание заказчика по объединению фасада и конструкции, воспев в своей конструкции совершенство архитектуры и дизайна. Проект 40-метровой башни был вдохновлён миром природы, при этом в него была заложена идея по созданию прочной конструкции с минимальным количеством материалов. И для воплощения этой идеи в жизнь потребовались новейшие инструменты цифрового моделирования, анализа и строительства.

В чём заключается суть идеи?

Основным элементом дизайна башни служит её необычная оболочка, выступающая как в качестве основного каркаса, так и в качестве фасада. Этой синергии удалось достичь благодаря использованию уникальной техники «Shell Lace», разработанной Arup и Tonkin Liu более десяти лет назад под влиянием геометрии естественной природного.

Эта техника помогает создать легкую и элегантную конструкцию с использованием тонких стальных пластин. Для её создания потребовался многогранный подход к проектированию, центральное место в котором заняло параметрическое моделирование. Например, геометрия гофров и перфорации оболочки была разработана совместно Tonkin Liu и Arup с использованием цифровых инструментов, что позволило определить наиболее оптимальную форму конструкции.

В итоге были использованы такие программы для параметрического моделирования, как Rhino, Grasshopper и Karamba. С их помощью архитекторам удалось быстро создать и проанализировать несколько вариантов геометрии оболочки.

Кроме того, они позволили провести параметрическую оптимизацию геометрии фасада и сделать подробные расчёты прочности на изгиб, чтобы убедиться в надёжности девятиэтажной конструкции.

Благодаря такой тщательной разработке оболочки-фасада её можно было своевременно и с минимальными затратами изготовить и собрать на месте. При этом геометрические параметры трёхмерной модели настраивались вручную, а полученная конструкция анализировалась на каждой итерации проектирования.

В итоге эти принципы привели к созданию стойкой трёхмерной структуры, обеспечивающей максимальную прочность при минимальных затратах.

Создание структуры Shell Lace

Компания Arup провела несколько видов анализа и испытаний, чтобы удостовериться в прочности конструкции и точнее оценить, какой из процессов приведёт к более эффективному использованию ресурсов. Так, например, конструктивные характеристики башни должны были быть оценены и одобрены с помощью сочетания подробных конечно-элементных моделей (с использованием программ Oasys GSA и LS-DYNA), упрощённых моделей балочных элементов и ручных расчётов.

Устойчивость тонкой оболочки была проверена в программах Oasys GSA и LS-DYNA через анализ конечно-элементных моделей, усиление нагрузки и ручные расчёты. В одном особо уязвимом месте для подтверждения прочности материала была использована подробная нелинейная модель. Также была проведена оценка динамических характеристик башни, а некоторые детали были подвержены испытаниям на усталость в ветреной среде.

Кроме того, после анализа многочисленных рёбер и углов в корпусе башни существовал риск того, что система защиты от коррозии окажется недостаточно надёжной. Поэтому для обеспечения большей долговечности оболочки башни была выбрана нержавеющая сталь. Также, хоть башня окрашена в белый цвет по эстетическим причинам, это решение позволило использовать более низкую марку нержавеющей стали и избежать дорогостоящей обработки поверхности, что сократило в итоге стоимость проекта, никак не повлияв на степень прочности конструкции.

Эксплуатационные характеристики башни были учтены при проектировании конструкции, состоящей из нескольких модулей с болтовыми фланцевыми соединениями в верхней и нижней частях каждого модуля. Эти фланцы служили шаблонами при изготовлении и установке элементов фасада на месте. Кроме того, они позволили достичь максимально плотного прилегания модулей друг к другу и снизить степень напряжения для обеспечения оптимальных усталостных характеристик.

Передовые технологии производства

Конструкция здания может показаться сложным, но основные принципы построения геометрической структуры оболочки-фасада довольно просты.

Строительство башни потребовало высокого уровня мастерства от подрядчика по изготовлению металлоконструкций. Панели оболочки состоят из отдельных изогнутых поверхностей, которые соединяются друг с другом, образуя складчатую геометрию конструкции. Это было необходимо для обеспечения целесообразности всего проекта, поскольку двойные изогнутые стальные пластины значительно усложнили бы конструкцию и, как следствие, увеличили бы её стоимость. Допуски отклонений должны были быть минимальными. В связи с этим конструкция была изготовлена согласно Части 3 европейского стандарта EN 1090 по изготовлению стальных конструкций.

Проектная группа предоставила созданную в программе Rhino модель башни подрядчикам, которые также с помощью Rhino и Tekla разработали шаблоны для резки каждой из 432 панелей оболочки. Затем они были доведены до нужной кривизны и соединены вместе, чтобы сформировать девять модулей оболочки, из которых состоит башня.

Что дальше?

Tower of Light выходит за привычные рамки проектирования и изготовления стальных конструкций: для создания изысканной жёсткой поверхности использовались новейшие методы технологий информационного моделирования, анализа и производства. Это здание поистине может стать объектом вдохновения для инженеров, прокладывающих новые пути к сокращению использования материалов и стремящихся к более экологически устойчивому будущему.