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現(xiàn)代風(fēng)格建筑的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：輕與薄

概述

“現(xiàn)代主義”是起源于上世紀(jì)初的建筑思潮，其邏輯起點(diǎn)在于“回歸建筑的本質(zhì)”。拋棄原有古典時(shí)代的矯揉造作，迎接機(jī)器時(shí)代所帶來的材料和構(gòu)造驚喜，這種理念從歐洲到美國，成為了現(xiàn)代建筑的標(biāo)簽。戰(zhàn)后，美國建筑師將international style由“主義”變成了“形式”，表現(xiàn)給大眾的視覺感受，就是由材料和構(gòu)造邏輯得出的“輕與薄”，“比起維特魯威時(shí)代的比例，建筑應(yīng)當(dāng)更像一個(gè)機(jī)器，輕巧而又符合高強(qiáng)材料獨(dú)有的邏輯，這不僅僅是清教徒的狂歡，更是一種思想的升華”。

建筑評論家常將這種思想的極致，稱為“高技派”。以諾曼.福斯特先生的作品為例，建筑首先需要是一門技術(shù)。眾所周知，福斯特?zé)嶂杂陲w機(jī)的駕駛，其建筑也常常朝著“機(jī)械”的方向進(jìn)發(fā)。類似福斯特先生的風(fēng)格，該類“高技派”“現(xiàn)代建筑”，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸、懸挑的距離等有極致的要求，更輕、更薄的效果才能反應(yīng)其建筑本質(zhì)的邏輯。在這種建筑類型中，建筑絕不是建筑師一個(gè)人的獨(dú)角戲，結(jié)構(gòu)工程師所承擔(dān)的作用，其實(shí)是從技術(shù)本身，影響建筑的表達(dá)和空間的構(gòu)成，兩者甚至不是簡單的平行關(guān)系，完全可以說是難分彼此。

結(jié)構(gòu)工程師是建筑師天生的技術(shù)伙伴，結(jié)構(gòu)的合理是建筑美觀的核心邏輯。表達(dá)建筑的輕盈和堅(jiān)固，是在新材料背景當(dāng)中，結(jié)構(gòu)師表達(dá)建筑思想的必經(jīng)之路。

需要注意的是，鋼作為建筑材料，從主體結(jié)構(gòu)到裝飾，是有原生“合理性”的。因?yàn)楝F(xiàn)代建筑的出現(xiàn)，就是伴隨著機(jī)器時(shí)代的出現(xiàn)。現(xiàn)代建筑之父柯布西耶先生更是直接采用了“機(jī)器”，來比喻建筑所需要的“精確性”。隨著中國鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范的完善，鋼作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，在表現(xiàn)力方面，比混凝土更具有優(yōu)勢，尤其是那些需要暴露結(jié)構(gòu)的建筑。上海都市建筑設(shè)計(jì)有限公司鋼結(jié)構(gòu)所專門從事復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)施工圖設(shè)計(jì)，本文以近年來參與設(shè)計(jì)的幾個(gè)項(xiàng)目為例，簡要闡述結(jié)構(gòu)工程師是如何助力建筑師完成輕與薄的要求的。

案例

1、日播活動中心

日播活動中心是日播時(shí)尚集團(tuán)股份有限公司位于上海市松江廠區(qū)內(nèi)的一個(gè)現(xiàn)代風(fēng)格建筑，主要用于時(shí)裝發(fā)布、員工活動等。

該項(xiàng)目完成后的效果如圖 1~圖 3所示。在設(shè)計(jì)過程中我們與建筑師不斷討論，在以下幾個(gè)方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)。

1、無柱懸浮設(shè)計(jì)

建筑師希望盡量少的立柱，使建筑看起來像懸浮在空中一樣。我們僅在建筑底部設(shè)置了兩個(gè)V型撐（圖 2），除此之外，再無立柱。V型撐兩端鉸接，僅承受軸向力，直徑僅140mm，非常輕巧。

2、創(chuàng)新板桁架解決方案

建筑師希望結(jié)構(gòu)完成面很薄。該結(jié)構(gòu)存在諸多的懸挑，且支點(diǎn)極少，采用混凝土樓面不是理想解決方案，我們針對該項(xiàng)目進(jìn)行了專項(xiàng)結(jié)構(gòu)研究。

如何使樓面厚度盡量小，還能雙向懸挑？一般用于鋼結(jié)構(gòu)的樓板均為單向板結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)雙向懸挑。而且鋼結(jié)構(gòu)建筑中樓板一般布置在鋼梁之上，建筑完成面的厚度實(shí)際上為如下幾項(xiàng)之和：

建筑面層
樓板
鋼梁
底部吊頂

按照這個(gè)方式做下來的樓面完成面厚度需要550mm，這會使建筑顯得相當(dāng)笨拙，無法體現(xiàn)建筑師所需的“懸浮效果”

我們認(rèn)為只有將樓板和鋼梁合二為一，直接采用雙向板式結(jié)構(gòu)才能達(dá)到建筑師希望的厚度。鑒于此我們設(shè)計(jì)了一種鋼結(jié)構(gòu)的雙向板結(jié)構(gòu)——板桁架，并為此申請了國家發(fā)明專利。

▲圖 1日播活動中心-1

▲圖 2日播活動中心-2

▲圖 3日播活動中心-3 （室內(nèi)）

該種結(jié)構(gòu)的做法來源于雙向傳力性能卓越的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其斷面形式如圖 4所示：上下弦采用了鋼板作為受力結(jié)構(gòu)，在上下弦鋼板之間布置圓鋼管斜腹桿，形成組合網(wǎng)架的受力形式。此做法的好處是顯而易見的：

結(jié)構(gòu)與建筑同厚度，大幅增加截面慣性矩，甚至達(dá)到數(shù)倍。
兩側(cè)鋼板既是受力結(jié)構(gòu)又充當(dāng)圍護(hù)系統(tǒng)，建筑總造價(jià)不升反降。
由于鋼板良好的焊接性能，打磨光滑后表面可以做到無縫效果，這是其它裝飾材料如鋁板幕墻所不能比擬的。
設(shè)備管線可以走空腔，板底板頂簡潔干凈。

圖 4板桁架剖面示意

采用板桁架最終設(shè)計(jì)完成的樓板完成面厚度為300mm，效果出眾。板桁架后來又被運(yùn)用于其它項(xiàng)目中。

3、室內(nèi)無柱設(shè)計(jì)

為了做到室內(nèi)無柱，我們采用了幕墻龍骨與結(jié)構(gòu)立柱合二為一的設(shè)計(jì)方法。這樣一來，除了幕墻龍骨室內(nèi)再無立柱，建筑效果干凈純粹（圖 3）。

2、理想國藝術(shù)文化中心

普羅旺世理想國藝術(shù)文化中心位于河南省中牟縣，是普羅中國地產(chǎn)公司為附近居民提供文化生活場所的配套建筑，項(xiàng)目建成效果如圖 5所示，是典型的現(xiàn)代主義風(fēng)格建筑。

該項(xiàng)目的建筑方案設(shè)計(jì)方為上海建言建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所，施工圖設(shè)計(jì)方為河南省某大型設(shè)計(jì)院。本地設(shè)計(jì)院在進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，提出的結(jié)構(gòu)尺寸無法滿足建筑方案創(chuàng)作方的諸多要求。方案設(shè)計(jì)師Paul老師（同時(shí)是哈佛大學(xué)教授）認(rèn)為如果構(gòu)件尺寸控制不住，整個(gè)項(xiàng)目的效果將大打折扣。

上海建言希望我參與本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，希望可以解決結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)問題。

該項(xiàng)目中的圖書館是一棟3層建筑，建成效果如圖 5所示。該建筑二層一側(cè)懸挑超過14m（其中一個(gè)方向12m，另一個(gè)方向6m），此懸挑從建筑設(shè)計(jì)上是項(xiàng)目的亮點(diǎn)，但從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是項(xiàng)目的難點(diǎn)。本地設(shè)計(jì)院提供的鋼梁截面尺寸在1.2m高度左右，而建筑師則希望鋼梁高度控制在0.8m左右，使得懸挑部分不至于過于厚重。

圖 5強(qiáng)烈現(xiàn)代風(fēng)格的理想國藝術(shù)文化中心

由于建筑師不希望出現(xiàn)斜拉桿，對于雙向超大懸挑結(jié)構(gòu)，使其形成空間空腹桁架效應(yīng)是一個(gè)有效的方法。本地設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)的時(shí)候忽略了施工過程對結(jié)構(gòu)變形的影響，導(dǎo)致計(jì)算撓度過大。我們對施工過程進(jìn)行了復(fù)合設(shè)計(jì)思路的控制，通過形成整體后的空間效應(yīng)，大幅降低了結(jié)構(gòu)豎向位移。由于建筑師的需求是，結(jié)構(gòu)看上去越輕巧越好，因此我們進(jìn)行了多維度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括：

1、加強(qiáng)整體受力的“空腹桁架”效應(yīng)

我們分析了本地設(shè)計(jì)院的結(jié)構(gòu)方案，發(fā)現(xiàn)他們之前受到“懸挑梁”概念的影響，設(shè)計(jì)方案是梁截面很大，但柱子截面很小。然而對于“空腹桁架”而言，很顯然光增加懸挑梁的剛度，過小的立柱無法提供足夠的剪切剛度，也就無法發(fā)揮“空腹桁架”效應(yīng)。因此我們優(yōu)化了立柱截面，使其具備一定的剪切剛度。

2、降低使用恒載

荷載是結(jié)構(gòu)撓度產(chǎn)生的外部因素，降低荷載就可以減小結(jié)構(gòu)撓度。我們?nèi)∠硕拥幕炷翗敲妫挠没y鋼板+二次找平的方式來降低樓面恒載。方案調(diào)整后，結(jié)構(gòu)自重降低了60%。

3、對結(jié)構(gòu)進(jìn)行起拱

結(jié)構(gòu)的撓度主要影響結(jié)構(gòu)的觀感和使用舒適性。撓度的產(chǎn)生主要基于恒載和活荷載。而恒載產(chǎn)生的撓度在使用階段是基本不變化的，故在結(jié)構(gòu)施工階段提前對結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)起拱，可以有效地提升結(jié)構(gòu)的觀感。預(yù)起拱的數(shù)值一般與恒載+1/2活荷載導(dǎo)致的撓度相當(dāng)。

4、優(yōu)化構(gòu)件截面類型

本地設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的梁和柱均采用了H型截面。然而如前所述，圖書館在兩個(gè)正交方向均有較大的懸挑（圖 6），這樣對于空腹桁架而言，兩個(gè)方向均需要較大的剛度。因此我們將立柱（空腹桁架的腹桿）改成了矩形管截面，使結(jié)構(gòu)形成空間“空腹網(wǎng)架”效應(yīng)，而不僅僅是平面“空腹桁架”。

通過以上幾個(gè)方面的優(yōu)化，最終我們將鋼梁截面控制在700高度，達(dá)到了建筑師希望的效果，“現(xiàn)代感”也油然而生。

另外我們對圖書館結(jié)構(gòu)進(jìn)行了其它幾點(diǎn)優(yōu)化：

5、優(yōu)化節(jié)點(diǎn)

之前的梁柱節(jié)點(diǎn)采用了梁貫通、柱斷開的連接方式。這種連接方式雖然能保證“空腹桁架”的弦桿貫通，但實(shí)際上矩形管腹桿與H型弦桿連接，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造無法保證節(jié)點(diǎn)傳力和節(jié)點(diǎn)剛度。因此，我們提出了采用腹桿貫通、弦桿打斷的方式來設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，并同時(shí)對節(jié)點(diǎn)區(qū)域弦桿的上下腹板進(jìn)行了貼板加強(qiáng)處理（類似于抗震構(gòu)造），其節(jié)點(diǎn)與框架結(jié)構(gòu)中的梁柱節(jié)點(diǎn)一致。雖然這種做法一般不用于桁架結(jié)構(gòu)中，但其做法簡單，力學(xué)性能可以得到保證。

▲圖 6圖書館（即將完工）

6、優(yōu)化材性

對于此類大懸挑結(jié)構(gòu)，一般為剛度控制，而截面強(qiáng)度均能滿足規(guī)范要求，該項(xiàng)目的計(jì)算結(jié)果也表明了這一點(diǎn)。本地設(shè)計(jì)院采用了Q345B的材性，我們提出可以采用Q235B材性。這樣做的好處是，在不降低結(jié)構(gòu)安全度的情況下，降低了材料采購價(jià)格，且使得型鋼截面的采購變得更加方便。

7、震動控制

對于剛度起控制作用的結(jié)構(gòu)，我們需要注意其震動舒適度。計(jì)算表明該結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率約為3.0赫茲，剛好滿足規(guī)范要求。于是我們提出了適當(dāng)加厚花紋鋼板厚度，且增強(qiáng)其與鋼梁上翼緣的焊接連接做法，用于提升結(jié)構(gòu)剛度。同時(shí)，我們保留了增加TMD震動調(diào)諧器的空間，如后期使用階段結(jié)構(gòu)震動較大，可以增加TMD對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動控制。實(shí)際使用過程中該結(jié)構(gòu)具備舒適的震動特性，故并未加裝振動控制設(shè)備。

該項(xiàng)目完工后，建筑尺度和使用感受均非常好。

3、上海國際會議中心

上海國際航運(yùn)服務(wù)中心位于虹口區(qū)黃浦江濱江核心地段，是航運(yùn)交易、航運(yùn)辦公等多功能商務(wù)社區(qū)，正逐漸打造成亞洲乃至全球的航運(yùn)經(jīng)濟(jì)中心。

該項(xiàng)目多棟塔樓均設(shè)置了玻璃中庭。玻璃本身是極具現(xiàn)代風(fēng)格的材料，而如何將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成最具現(xiàn)代風(fēng)格，則是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)（建成外觀如圖 7）。

整個(gè)幕墻高45m。按照常規(guī)設(shè)計(jì)，如此高度的幕墻，如果幕墻重量通過每根立柱支承在一層，則立柱將會具有相當(dāng)大的尺度。如果將幕墻重量支承在兩側(cè)塔樓，則橫梁會具有相當(dāng)大的尺度。

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)策略是，在頂層設(shè)置一個(gè)跨層的桁架，而將將整個(gè)幕墻懸掛于頂層桁架之上。為了獲得更加“現(xiàn)代”的觀感，我們進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)：

頂部桁架所有受拉構(gòu)件均采用高強(qiáng)度鋼棒，直徑僅30mm
除支撐頂部桁架重量的其它立柱變成了受拉構(gòu)件，可以將尺寸做到最小。
支撐桁架的立柱在每層上下兩頭與橫梁連接，使其不承受彎矩，僅承受純軸向力。而其軸壓穩(wěn)定性由連接于兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)的橫梁保證，從而采用159外徑的圓管即可以滿足規(guī)范要求。
所有橫梁為了獲得較小的看面高度，兩端與主體結(jié)構(gòu)的連接設(shè)置成可以豎向滑動的鉸接，從而其僅僅承受水平風(fēng)荷載造成的彎矩，不承受幕墻重量等豎向荷載造成的彎矩。因此橫梁的高度可以大幅減小到100mm，以保證最佳的通透感。
連接層與層的豎向吊桿（同時(shí)作為幕墻的邊框），由于需要抵抗玻璃幕墻傳過來的風(fēng)荷載，其截面形狀按照連續(xù)梁彎矩圖的形狀設(shè)計(jì)（圖 9），中部位置截面高度非常小，因而對視線的阻擋也最小。
屋頂橫梁為了獲得最佳通透感，被設(shè)計(jì)成為上大下小的梯形截面。且底面寬度僅50mm。因此仰望屋頂鋼梁，截面寬度很小，對視覺的遮擋也是最小。

通過上述6點(diǎn)設(shè)計(jì)，即使是45m高的幕墻，整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)設(shè)計(jì)，甚至與單層結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸相當(dāng)，從而現(xiàn)代建筑的特征也被進(jìn)一步加強(qiáng)。

▲圖 7上海國際航運(yùn)中心現(xiàn)代風(fēng)格外立面

▲圖 8上海國際航運(yùn)中心中庭（內(nèi)部視角）

▲圖 9與彎矩圖形狀一致的立柱截面

結(jié)語

我們的工作，絕不僅僅是探討建筑的“完成”，我們更像是建筑內(nèi)在邏輯的精確表達(dá)者。“輕與薄”，是現(xiàn)代主義建筑師的一個(gè)標(biāo)簽，結(jié)構(gòu)師所能做的是將這種“輕與薄”理性化，定量化，合理化。任何的建筑不單單是一個(gè)印象深刻的口號，更是合理邏輯推導(dǎo)后的結(jié)果。“機(jī)器”之所以可以“輕與薄”到幾乎不可再省略，是因?yàn)闄C(jī)械工程師將之優(yōu)化到了極致。而對于建筑，“輕與薄”的獲得，正是結(jié)構(gòu)師和建筑師對于建筑邏輯的極致探索，所以，結(jié)構(gòu)師是“輕與薄”的藝術(shù)家。

（責(zé)任編輯：何雯麗）