建筑師,往往想把建筑做得更輕、更薄。但是為什么要這么輕,這么薄?建筑師是否有合理的理由?又該用什么樣的理由去說服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師又是否能認(rèn)同這些理由?
中國院的總建筑師李興鋼和總工程師任慶英,從國家體育場“鳥巢”開始就一直在合作。作為多年的搭檔,兩個(gè)人如對話般,講述了三個(gè)實(shí)踐案例中建筑創(chuàng)作與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的精彩故事。
本文原載于DR《設(shè)計(jì)與研究》039期,轉(zhuǎn)載請征得本刊同意。
故事1 天津大學(xué)新校區(qū)體育館
李興鋼
中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司總建筑師
李興鋼工作室主持建筑師
天津大學(xué)新校區(qū)體育館,是一個(gè)非常功能性的建筑,有籃球、排球、網(wǎng)球等不同運(yùn)動(dòng)空間,還有游泳館和一條140m的跑道。我們的根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)所需要的空間尺度進(jìn)行設(shè)計(jì),形成不同的體量,用一個(gè)公共空間把它們串聯(lián)起來,形成整個(gè)建筑。通過室外臺階可以到達(dá)屋頂平臺,可以開展極限運(yùn)動(dòng)等。
結(jié)構(gòu)形體采用不同類型的拱殼覆蓋不同的運(yùn)動(dòng)空間。經(jīng)過與任總的配合,我們將拱殼系統(tǒng)進(jìn)一步合理化,形成四組直紋曲面拱殼。體育館采用筒拱拱殼,游泳館是交叉的錐形拱,將若干空間聯(lián)系在一起的公共大廳為線性空間,采用了波形的拱殼屋面,在外部可作為室外極限運(yùn)動(dòng)場地。
這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件朝向室內(nèi)一側(cè)均為直接外露的清水混凝土效果,豐富明顯的表面肌理是通過混凝土澆筑時(shí)小木模板的錯(cuò)縫拼接產(chǎn)生的。
任慶英
中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司總工程師
任慶英工作室主持人
這個(gè)項(xiàng)目以清水混凝土為主,有幾種不同的殼體結(jié)構(gòu)形式。我首先向李總提出了一個(gè)限制條件,殼體作為屋頂,本身沒有什么抗側(cè)力,同時(shí)框架的抗側(cè)力太弱,所以柱子需要采用Y型柱、V型柱來加大抗側(cè)力體系。
▲ 屋蓋類型 由左至右依次為:
?。?/span>體育比賽館 半圓筒形屋殼
?。?/span> 訓(xùn)練館 拱形桁架
3 游泳館 錐殼屋面
▲ 采用Y型柱、V型柱加大抗側(cè)力體系
屋蓋類型1 體育比賽館 半圓筒形屋殼
筒殼屋面相對比較簡單,剛度不變而且筒殼的矢高也比較高,值得注意的是筒殼的外邊沿一定要約束住,如果開放的話筒殼可能會(huì)變形,殼體就不成立了。但由于目前外邊沿沒有約束的構(gòu)件,我們就在邊殼位置加了兩個(gè)隔板,使它們的剛度比其他殼更大,在外側(cè)形成了約束,使殼體結(jié)構(gòu)成為可能。
▲ 比賽館的筒拱和V形柱
這種屋面形式看似簡單,實(shí)際上采用的是一種變截面殼,建筑上希望上邊緣很薄,但下邊緣處是需要受力的,鋼筋不可能太小,因此下邊緣交叉處比較厚,呈現(xiàn)出由上到下慢慢變厚的截面形態(tài)。
屋蓋類型2 訓(xùn)練館 拱形桁架
訓(xùn)練館的殼比較有意思,上邊緣是個(gè)拱形,底部則是直線。我們利用這個(gè)形狀把它當(dāng)作一榀一榀的拱形桁架來做。桁架的上弦是一個(gè)殼的上邊緣支點(diǎn),桁架的下弦則是前面一個(gè)殼的下邊緣支點(diǎn)。為了減少對天窗采光的影響,我們采用了比較細(xì)的豎腹桿——實(shí)際上相當(dāng)于是拉索。因?yàn)楣氨旧淼膫?cè)向力是穩(wěn)定的,就沒有采用交叉的拉索,而是豎向的拉索。
▲ 訓(xùn)練館的拱形桁架建造實(shí)景
屋蓋類型3 游泳館 錐殼屋蓋
游泳館的屋頂采用的是錐殼。這種形式我們以前沒有做過,從建筑上看,它能夠帶來非常豐富的室內(nèi)空間變化,效果也非常震撼。
▲ 游泳館的錐殼形實(shí)景
錐形柱 游泳館和體育館
游泳館和體育館的柱子也很有特點(diǎn),采用圓錐形的形式,與屋面的錐殼相對應(yīng)。如果柱子做成實(shí)心的,就太大、太重了,我們把它們也做成豎向的錐殼,也就是錐筒柱,這樣就增加了我們所需要的抗側(cè)力的剛度,另外上小下大的形式也便于擴(kuò)散應(yīng)力。柱子的頂點(diǎn)是左右兩個(gè)殼的支撐點(diǎn),我們在這里設(shè)置了橡膠支座,因?yàn)楣澳_容易因?yàn)闇囟?、變形等產(chǎn)生一定的位移,要允許有一定的滑動(dòng)量。殼的下面則設(shè)置了橫向的拉桿,同時(shí)用作窗戶的下弦,對于建筑來講不會(huì)有視覺上的遮擋。
▲ 錐形柱與錐殼屋蓋的交接
▲ 游泳館室內(nèi)
▲ 公共大廳的波形拱殼屋頂
故事2 呂梁體育中心
李興鋼
呂梁體育中心位于呂梁新城,周圍都是山地,由四個(gè)單體建筑共同構(gòu)成,即一個(gè)大體育場、一個(gè)體育館、一個(gè)游泳館和體校及室外訓(xùn)練場。不同功能以群組的方式串聯(lián)起來,圍合出一個(gè)半開敞的室外公共空間。室外空間既聯(lián)系了各場館的灰空間,本身又有可以有多種用途。
▲ 由功能和體量確定的單元體以群組的方式串聯(lián)起來
我們使用了一種反向懸掛的方式來進(jìn)行結(jié)構(gòu)找形的工作,獲得了這樣的結(jié)構(gòu)體形式。反向懸掛的找形主要是利用重力對材料的作用實(shí)現(xiàn)的:用紗布浸滿石膏溶液后,反向懸掛在圖版下面,等到凝固后形成建筑的基本形態(tài),我們可以據(jù)此獲得拱殼的矢高,再通過三維掃描的方式,將這一形態(tài)轉(zhuǎn)化成數(shù)字模型,然后進(jìn)行精確的幾何轉(zhuǎn)化及初步的結(jié)構(gòu)計(jì)算,最后形成這樣的一個(gè)空間形態(tài)。
▲ 通過反向懸掛進(jìn)行建筑找形
▲ 由實(shí)物模型掃描細(xì)化為精確的數(shù)字模型
任慶英
從李總開始用懸掛的方式進(jìn)行建筑形態(tài)實(shí)驗(yàn),我們結(jié)構(gòu)工程師就已經(jīng)介入了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。他的這個(gè)投入和執(zhí)著讓我感動(dòng),但是這么大跨度的混凝土殼體恐怕全世界還沒有過——體育場是160m×200m,體育館的跨度是120m,混凝土殼體還只有四點(diǎn)著地,難度非常大。李總問我殼體能不能實(shí)現(xiàn),我回答,從道理上來講應(yīng)該沒有什么不能實(shí)現(xiàn)的,它的受力是合理的,但是有幾點(diǎn)一定要做到:
第一,支撐點(diǎn)間一定要有拉梁,約束殼體的外推力,不然的話殼就垮掉了,正好體育場和體育館的下面有一個(gè)很高的臺座,我就建議用臺座把四點(diǎn)聯(lián)系起來,但經(jīng)過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)想得太容易了,拉桿差不多要有一層高,大量巨型的豎向鋼拉桿會(huì)把整個(gè)基座空間擋死了,后來改成讓四角插到地面以下,在地下做拉桿的方式;
▲ 屋蓋殼體采用四角點(diǎn)支撐方式,中部為變厚度雙層帶肋殼體,殼體落地區(qū)域由帶肋殼體過渡為實(shí)心殼體
第二,殼的四邊微微向內(nèi)傾斜,形成對殼體的約束,成為四個(gè)拱,它們的推力通過拱腳向下傳遞;
第三,基礎(chǔ)承臺與混凝土預(yù)應(yīng)力拉梁連接,形成自平衡體系,來抵消殼體通過隱形大拱傳來的水平推力,提高整個(gè)殼體的穩(wěn)定性。
▲ 體育館結(jié)構(gòu)體系分解
建筑方案中通過懸掛實(shí)驗(yàn)獲得建筑形態(tài),懸掛狀態(tài)是全截面受拉的。模型反轉(zhuǎn)過來后就是全截面受壓了。雖然以全截面找形最為合理,但通過分析我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)結(jié)構(gòu)的自重增加到一定程度,形態(tài)會(huì)發(fā)生變化。我們?yōu)榇诉M(jìn)行了大量優(yōu)化,建立了計(jì)算機(jī)模型,可以根據(jù)建筑師的改動(dòng)盡快修正,找到結(jié)構(gòu)參數(shù)都比較好的一個(gè)范圍,指導(dǎo)建筑師對形態(tài)的調(diào)整。由于體育場館的結(jié)構(gòu)還要滿足內(nèi)部看臺的制約條件,需要進(jìn)行很多結(jié)構(gòu)和建筑的配合工作。
▲ 體育館屋蓋殼體基本參數(shù)
我們注意到模型有一個(gè)翻檐,是實(shí)驗(yàn)時(shí)模型邊緣翹起形成的,建筑師把它作為雨棚。剛開始,我們以為這個(gè)翻檐對于結(jié)構(gòu)是多余的,經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn),翻檐的作用很大,和兩邊的板和拱共同起到了約束邊緣構(gòu)件的作用。
▲ 利用向內(nèi)側(cè)傾斜殼體翻檐,形成隱形拱形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)
對于體育館而言,通過調(diào)整拱的傾斜度和高跨比,結(jié)構(gòu)能夠明顯體現(xiàn)出殼的作用。但由于轉(zhuǎn)換為四角支撐,局部會(huì)產(chǎn)生一定的彎矩。在形狀優(yōu)化分析中,我們將初始厚度設(shè)為100mm,如果殼體最大主應(yīng)力超限即增加厚度,但經(jīng)過n次迭代,發(fā)現(xiàn)板厚達(dá)到500mm變形仍未滿足條件,這樣的殼自己都把自己壓垮了,而殼就是需要盡量輕、盡量薄,因此放棄了完全采用混凝土板殼的想法,改為雙層殼,內(nèi)部加上交叉網(wǎng)格密肋。在重量增加不大的情況下增加了截面的矢高比。底部的板采用現(xiàn)澆做法,上部的板由于受溫度影響較大,采用預(yù)制構(gòu)件,利于協(xié)調(diào)溫度變形,也解決在空腔不便于支模板的問題。
▲ 殼體肋截面示意及肋布置示意圖
拱腳和翻檐的交接處尺寸比較大,如果采用混凝土現(xiàn)澆會(huì)非常重——對于拱來說,自重是非常大的威脅。我們在這里做了一個(gè)鋼的空腔,在拱腳形體截面較小的位置向空腔內(nèi)澆筑混凝土,保證受力面積,在上部截面變大處維持空腔,這樣來提高整體的性能。
▲ 拱腳節(jié)點(diǎn)采用鋼空腔,截面較小位置內(nèi)澆混凝土,保證受力面積,截面變大處維持空腔
設(shè)計(jì)的最初階段,李總希望拱腳就只有四個(gè)尖點(diǎn)著地,看上去好像要飛起來一樣。但這在結(jié)構(gòu)上是不可能的,那么大的東西著地,一定要有一定尺度的支點(diǎn),要不然撐不起來,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是選擇讓拱腳的一部分入地,確保支座的尺寸。
▲ 結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程
體育場由于中部開了大洞,殼的作用就弱了很多,經(jīng)過試算,很難采用純混凝土結(jié)構(gòu),因此用鋼和混凝土混合,現(xiàn)場吊裝、焊接鋼拱,在鋼肋上加上預(yù)制的混凝土殼板。有規(guī)律的網(wǎng)格看上去也很美觀,有可能省去吊頂而直接展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的美感。
▲ 體育場中部開洞較大,無法形成完整混凝土殼體受力,故采用邊緣大拱帶鋼肋組合薄壁殼板結(jié)構(gòu)
故事3 玉環(huán)縣博物館、圖書館
李興鋼
玉環(huán)縣城是一處漁港,博物館和圖書館是兩座相對獨(dú)立又一起建設(shè)的建筑,位于填海后形成的空曠平地上。我們的總平面規(guī)劃吸收了很多當(dāng)?shù)貪O港的空間特征,結(jié)合水面,形成建筑之間一種對望的關(guān)系,并與周圍大的山形水勢相配合。
▲ 功能單元體—結(jié)構(gòu)單元體
▲ 結(jié)構(gòu)單元體的組合
我們希望以一種結(jié)構(gòu)的單體概念進(jìn)行設(shè)計(jì),用了兩種結(jié)構(gòu)形式來形成相對標(biāo)準(zhǔn)化的無柱空間,對應(yīng)不同的閱覽空間和展廳空間:一種是反曲的混凝土懸索屋面,懸索屋面固定在兩端的墻體上,以豎向墻體起到結(jié)構(gòu)支撐和固接作用;另一種是用魚腹梁的大跨度結(jié)構(gòu)來形成無柱空間,用結(jié)構(gòu)底板抵消所產(chǎn)生的水平推力。這兩種結(jié)構(gòu)單元的水平和豎向組合,形成不同的建筑形態(tài)和空間,對應(yīng)不同的功能,形成總體建筑群。
▲ 反曲混凝土懸索屋面+縱向片墻支撐體系
▲ 魚腹梁大跨度結(jié)構(gòu)+結(jié)構(gòu)地板抵消水平推力
任慶英
這個(gè)項(xiàng)目規(guī)模并不大,但是很有趣味。剛開始李總找我的時(shí)候,我很不理解,我說你是不是因?yàn)檎龤ぷ龆嗔?,就想嘗試反過來的?下凹、反曲的形態(tài)對于混凝土結(jié)構(gòu)來說是比較困難的,因?yàn)榛炷帘旧硎菐Я芽p工作的,反曲的屋面對于裂縫處理是很困難,而且也沒有一個(gè)合理的說法,說明為什么要做成這樣。
▲ 懸索線 垂跨比1/20
后來我看了項(xiàng)目的地勘報(bào)告和當(dāng)?shù)厍闆r,就跟他說:“我給你找到說法了。”這是一個(gè)海邊的縣城,風(fēng)荷載特別大,北京五十年一遇的風(fēng)是0.45,??谑?/span>0.9,當(dāng)?shù)夭畈欢嗍?/span>1.2,是北京的好幾倍。風(fēng)荷載會(huì)造成屋面受到很強(qiáng)的風(fēng)吸力,這樣反曲的屋面就成為一個(gè)反向的拱,可以避免屋頂被吸上去。當(dāng)然,我也給他提了一個(gè)條件:建筑的兩側(cè)要有一定數(shù)量的墻體,在整個(gè)跨度方向提供剛度。反曲的混凝土屋面,必須有相當(dāng)大的預(yù)應(yīng)力,才能讓混凝土在重力作用下處于受壓狀態(tài),才不會(huì)開裂。因此要求屋面兩側(cè)有相對固定的支座,能夠在屋面張拉的情況下提供足夠的預(yù)拉力,如果是一般的柱子會(huì)被拉變形,必須有足夠?qū)挾鹊膲w。
▲ 縱向片墻提供支撐
李總提供了非常好的條件,每個(gè)3.6米的跨度就有一堵墻,剛度很大,在功能上也可以利用這些隔間作為辦公空間。反曲的混凝土屋面板采用變厚度的預(yù)應(yīng)力混凝土曲面,由于目前的規(guī)范要求慎用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土,預(yù)應(yīng)力鋼絞線外包裹一種減緩凝固的材料,在混凝土強(qiáng)度達(dá)到、張拉錨固完成后,經(jīng)過一段時(shí)間再開始凝固,與混凝土粘結(jié)起來。
▲ 屋面懸索結(jié)構(gòu)張拉過程分析
這樣的設(shè)計(jì)也讓我產(chǎn)生了幾個(gè)擔(dān)憂。一是,兩邊剛度那么大的墻體,在向外張拉時(shí),預(yù)應(yīng)力是被墻吃掉了還是加到板上來?如果被墻紙掉,板上沒有預(yù)應(yīng)力,施工的時(shí)候整個(gè)結(jié)構(gòu)就垮了。我們和預(yù)應(yīng)力廠家做了很多研究和分析,隨后發(fā)現(xiàn),如果屋面是平板的,預(yù)應(yīng)力是加不上去的,只有墻變形之后板才能受壓;但對于反曲的板而言,張拉的時(shí)候由于板的剛度比墻小得多,板的底部會(huì)不斷上移,使板處于受壓狀態(tài),也就是預(yù)應(yīng)力確實(shí)加到了板上。消除了我們的擔(dān)心。
▲ 結(jié)構(gòu)單元內(nèi)景
第二個(gè)擔(dān)心的地方,有的建筑是兩層的,李總要求下面的樓板和頂部屋面一樣,也能在室內(nèi)呈現(xiàn)出反曲的清水混凝土造型。這給結(jié)構(gòu)造成很大的難題。樓面從使用功能考慮應(yīng)該是平的,而下邊又要求是曲面的,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常費(fèi)勁。一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)說,我給你做個(gè)平板就是,下邊你用GRC也行,用其他材料也行,自己做個(gè)吊頂吧。
▲ 結(jié)構(gòu)選型
但后來我想,這樣做等于把問題留給建筑設(shè)計(jì)了,吊頂做出來也肯定不是清水混凝土的感覺,同時(shí)我也考慮到,由于頂部的張拉屋面給兩側(cè)墻體造成很大的側(cè)推力,中間這層樓板就處于受壓狀態(tài),而壓桿需要中部截面較大,承受較大的彎矩,兩端的截面可以相對較小。因此,魚腹?fàn)钋『檬沁@層梁需要的形狀。我就和李總說,干脆還是我給你做出來吧。同時(shí),在魚腹梁上開若干個(gè)洞,便于設(shè)備管線的穿行。既能將管線封閉起來,又較好地體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的受力,是一個(gè)非常好的創(chuàng)意。DR
▲ 地上結(jié)構(gòu)模型