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??？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)計師？結(jié)構(gòu)設(shè)計師又是否能認同這些理由？

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，兩個人如對話般，講述了三個實踐案例中建筑創(chuàng)作與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的精彩故事。

 

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本文原載于DR《設(shè)計與研究》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，是一個非常功能性的建筑，有籃球、排球、網(wǎng)球等不同運動空間，還有游泳館和一條140m的跑道。我們的根據(jù)不同運動所需要的空間尺度進行設(shè)計，形成不同的體量，用一個公共空間把它們串聯(lián)起來，形成整個建筑。通過室外臺階可以到達屋頂平臺，可以開展極限運動等。

 

結(jié)構(gòu)形體采用不同類型的拱殼覆蓋不同的運動空間。經(jīng)過與任總的配合，我們將拱殼系統(tǒng)進一步合理化，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動場地。

 

 

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小木模板的錯縫拼接產(chǎn)生的。

 

 

 

任慶英

中國建筑設(shè)計院有限公司總工程師

任慶英工作室主持人

 

這個項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限制條件，殼體作為屋頂，本身沒有什么抗側(cè)力，同時框架的抗側(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，上邊緣是個拱形，底部則是直線。我們利用這個形狀把它當(dāng)作一榀一榀的拱形桁架來做。桁架的上弦是一個殼的上邊緣支點，桁架的下弦則是前面一個殼的下邊緣支點。為了減少對天窗采光的影響，我們采用了比較細的豎腹桿——實際上相當(dāng)于是拉索。因為拱本身的側(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，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散應(yīng)力。柱子的頂點是左右兩個殼的支撐點，我們在這里設(shè)置了橡膠支座，因為拱腳容易因為溫度、變形等產(chǎn)生一定的位移，要允許有一定的滑動量。殼的下面則設(shè)置了橫向的拉桿，同時用作窗戶的下弦，對于建筑來講不會有視覺上的遮擋。

 

▲　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

 

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 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，由四個單體建筑共同構(gòu)成，即一個大體育場、一個體育館、一個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，然后進行精確的幾何轉(zhuǎn)化及初步的結(jié)構(gòu)計算，最后形成這樣的一個空間形態(tài)。

 

▲　通過反向懸掛進行建筑找形

▲　由實物模型掃描細化為精確的數(shù)字模型 

  

 

任慶英

 

從李總開始用懸掛的方式進行建筑形態(tài)實驗，我們結(jié)構(gòu)工程師就已經(jīng)介入了項目的設(shè)計。他的這個投入和執(zhí)著讓我感動，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著地，難度非常大。李總問我殼體能不能實現(xiàn)，我回答，從道理上來講應(yīng)該沒有什么不能實現(xiàn)的，它的受力是合理的，但是有幾點一定要做到：

第一，支撐點間一定要有拉梁，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很高的臺座，我就建議用臺座把四點聯(lián)系起來，但經(jīng)過計算后發(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把整個基座空間擋死了，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驗獲得建筑形態(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)會發(fā)生變化。我們?yōu)榇诉M行了大量優(yōu)化，建立了計算機模型，可以根據(jù)建筑師的改動盡快修正，找到結(jié)構(gòu)參數(shù)都比較好的一個范圍，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翻檐，是實驗時模型邊緣翹起形成的，建筑師把它作為雨棚。剛開始，我們以為這個翻檐對于結(jié)構(gòu)是多余的，經(jīng)過計算發(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)計的最初階段，李總希望拱腳就只有四個尖點著地，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，要不然撐不起來，結(jié)構(gòu)設(shè)計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)

 

 

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 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)的單體概念進行設(shè)計，用了兩種結(jié)構(gòu)形式來形成相對標準化的無柱空間，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

 

這個項目規(guī)模并不大，但是很有趣味。剛開始李總找我的時候，我很不理解，我說你是不是因為正殼做多了，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，因為混凝土本身是帶裂縫工作的，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

 

后來我看了項目的地勘報告和當(dāng)?shù)厍闆r，就跟他說：“我給你找到說法了。”這是一個海邊的縣城，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)荷載會造成屋面受到很強的風(fēng)吸力，這樣反曲的屋面就成為一個反向的拱，可以避免屋頂被吸上去。當(dāng)然，我也給他提了一個條件：建筑的兩側(cè)要有一定數(shù)量的墻體，在整個跨度方向提供剛度。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，在混凝土強度達到、張拉錨固完成后，經(jīng)過一段時間再開始凝固，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)計也讓我產(chǎn)生了幾個擔(dān)憂。一是，兩邊剛度那么大的墻體，在向外張拉時，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，施工的時候整個結(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，張拉的時候由于板的剛度比墻小得多，板的底部會不斷上移，使板處于受壓狀態(tài)，也就是預(yù)應(yīng)力確實加到了板上。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)計非常費勁。一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計會說，我給你做個平板就是，下邊你用GRC也行，用其他材料也行，自己做個吊頂吧。

▲　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)計了，吊頂做出來也肯定不是清水混凝土的感覺，同時我也考慮到，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，魚腹狀恰好是這層梁需要的形狀。我就和李總說，干脆還是我給你做出來吧。同時，在魚腹梁上開若干個洞，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，是一個非常好的創(chuàng)意。DR

 

▲　地上結(jié)構(gòu)模型