陸洋

獨(dú)立結(jié)構(gòu)工程師

“作為一名結(jié)構(gòu)工程師，與建筑師合作表達(dá)建筑作品的設(shè)計語言是我的本職工作”——這句話本是山田憲明先生的自述，也非常貼合筆者的想法。筆者曾任職于德國建筑結(jié)構(gòu)咨詢公司Schlaich Bergermann und Partner（簡稱SBP），主要的工作和研究方向是大跨度鋼結(jié)構(gòu)、輕結(jié)構(gòu)及數(shù)字化結(jié)構(gòu)找形、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。因為對傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)不能割舍，后赴日本工作，工作和研究的重心涵蓋了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)以及地震的研究。雖然建筑材料截然不同，但是在工作的過程中，我慢慢發(fā)現(xiàn)，任何材質(zhì)都是被完整地包含在結(jié)構(gòu)體系之中，雖然變化繁多，但其機(jī)理和設(shè)計思路是相通的。

1 結(jié)構(gòu)是建筑語言之一

1 英國托特納姆熱刺隊主體育場

近年來，國內(nèi)建筑行業(yè)大量的新技術(shù)、新思路被運(yùn)用到實際項目的設(shè)計建造過程中，建筑設(shè)計中的創(chuàng)新和對細(xì)節(jié)的把控也逐步提升，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求也越來越高。結(jié)構(gòu)已不僅是簡單的梁柱堆砌，被極力遮蓋或隱藏在“幕后”。很多建筑的設(shè)計過程就是一種結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)過程，結(jié)構(gòu)的美與丑、粗糙與精致都會直接表達(dá)在建筑中、展現(xiàn)在人們面前。特別是一些特殊的結(jié)構(gòu)，比如輕結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)都是極具張力的建筑語言（圖1，2）。如何更完美地將其展示，更貼切地闡述建筑師所想表達(dá)的語言，是結(jié)構(gòu)工程師的重要工作。

一些更注重結(jié)構(gòu)語言表現(xiàn)的建筑，往往會涉及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，或難以辨認(rèn)，或難以計算。如何能更高效地理順復(fù)雜結(jié)構(gòu)的脈絡(luò)，化繁為簡地梳理整個系統(tǒng)，是結(jié)構(gòu)工程師需要思考的問題。筆者將結(jié)合幾個實際案例，介紹一下在鋼結(jié)構(gòu)建筑中結(jié)構(gòu)體系梳理的方法。

2 找規(guī)律

對于較為復(fù)雜的建筑方案，通常不能一眼辨明結(jié)構(gòu)體系，迅速確認(rèn)設(shè)計思路，可以先找到整個建筑的潛在規(guī)律，再分析力的傳遞路徑和方式，找到適合復(fù)雜建筑的結(jié)構(gòu)體系；通過對結(jié)構(gòu)體系的分析計算，逐步完善系統(tǒng)平衡，形成一條比較清晰的設(shè)計軌跡。

2 國際教養(yǎng)大學(xué)中島紀(jì)念圖書館鋼-木混合結(jié)構(gòu)

3 廣西文化藝術(shù)中心夜景

4 廣西文化藝術(shù)中心結(jié)構(gòu)計算模型

廣西文化藝術(shù)中心

業(yè)主：南寧威寧資產(chǎn)經(jīng)營有限責(zé)任公司

建設(shè)地點(diǎn)：廣西壯族自治區(qū)南寧市

建筑設(shè)計：德國gmp建筑事務(wù)所

結(jié)構(gòu)設(shè)計：Schlaich Bergermann und Partner

總建筑面積：113 764m2

建筑高度：50.75m、44.15m、39.65m

建成時間：2017

5 廣西文化藝術(shù)中心山形屋頂施工現(xiàn)場

6 廣西文化藝術(shù)中心“云狀”屋頂施工現(xiàn)場

7 廣西文化藝術(shù)中心漂浮屋頂

位于廣西壯族自治區(qū)南寧市的廣西文化藝術(shù)中心是一個第一眼看上去完全沒有規(guī)律的自由形態(tài)建筑（圖3），整個建筑由一個大型歌劇院、一個音樂廳及一個多功能廳三部分組成。整體造型重現(xiàn)了廣西較為多見的喀斯特地貌的山脈形態(tài)，而“漂浮”在三座高山之間的屋頂像云彩環(huán)繞山間一樣，圍繞在主體建筑之間。由于建筑獨(dú)特的造型和幾乎完全模擬自然的形態(tài)，如無規(guī)律的起伏屋頂，使得結(jié)構(gòu)體系很難一眼被辨認(rèn)出來。

在設(shè)計的過程中，首先單獨(dú)分析力的傳遞路徑：巨大的山峰其實就是拱形屋頂，由于形態(tài)不規(guī)則，只能沿拱的方向設(shè)置坐標(biāo)軸，每一拱單獨(dú)設(shè)計桁架的曲線，盡量貼合方案設(shè)計的屋頂走勢。各拱之間需要通過次梁連接，以保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。每一座山形大廳的第一根和最后一根坐標(biāo)軸均設(shè)置為鋼筋混凝土墻，以保證結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系完整（圖4，5）。為了達(dá)到“云彩屋面”漂浮的效果，建筑師希望在三座大山中間位置的云彩屋頂不與山形屋頂連接。單純從受力角度分析，需要搭建一座水平方向的人字形橋梁，在人字形的三個端點(diǎn)設(shè)置橋梁的支座，分別于三座山形大廳相連。當(dāng)力的傳遞路徑明確之后，結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路也就清晰了。三座山形屋頂在云彩屋面的高度設(shè)置環(huán)梁，整個建筑與云彩屋面相連，而在中間地帶讓屋面挑出，形成“漂浮”的視覺效果（圖6，7）。

在找到整個結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)和規(guī)律之后，設(shè)計過程也變得輕松很多。

8 海爾布隆科學(xué)博物館夜景

海爾布隆科學(xué)博物館

建設(shè)地點(diǎn)：德國海爾布隆市

建筑設(shè)計：Sauerbruch Hutton

結(jié)構(gòu)設(shè)計：Schlaich Bergermann und Partner

合作設(shè)計：Drees & Sommer Gmbh

總建筑面積：17 720m2

建成時間：2019

9 海爾布隆科學(xué)博物館平面圖

3 找路徑

有的建筑外表看起來并不是特別復(fù)雜，但是內(nèi)在結(jié)構(gòu)不規(guī)則，很難簡單地布置梁柱，甚至連力的傳遞都無法直接順暢地完成。遇到這樣的情況，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該從力學(xué)角度出發(fā)，找到最有效的力的傳遞路徑，探索最經(jīng)濟(jì)的傳遞形式，以力學(xué)路徑最優(yōu)解作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵線索。

海爾布隆科學(xué)博物館是一個看似并不復(fù)雜的建筑（圖8），結(jié)構(gòu)體系也比較清晰，主要承重結(jié)構(gòu)是位于中部的混凝土核心筒以及位于建筑外立面的鋼結(jié)構(gòu)桁架。然而在本項目中，力的傳遞路徑卻不那么簡單明了。建筑師為了營造“旋轉(zhuǎn)漂浮感”，在建筑的外立面規(guī)劃了一條“時空線”，同時作為整個博物館的公共交通動線?！皶r空線”中的樓梯圍繞建筑外側(cè)盤旋而上，從一層貫穿到五層，構(gòu)成完整連貫的參觀體驗，各層平面完全追隨樓梯的旋轉(zhuǎn)角度，逐級不規(guī)則旋轉(zhuǎn)。在外觀設(shè)計上，“時空線”與玻璃幕墻設(shè)計語言疊加，呈現(xiàn)出通透感，這也要求在整個“時空線”范圍內(nèi)，不能出現(xiàn)任何斜撐桿件。也就是說，在從一層旋轉(zhuǎn)上升至五層的“時空線”范圍內(nèi)，只能由立柱傳遞豎向荷載，而水平荷載和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性只能通過將力傳遞至沒有“時空線”的區(qū)域（圖9，10）。

由于各樓層旋轉(zhuǎn)角度不同，只有在上下層交叉點(diǎn)設(shè)置立柱，才能將力較為直接地傳遞。為了使豎向構(gòu)件上下能夠?qū)ξ?，不得不改變建筑桁架結(jié)構(gòu)的角度，為的只是能在交叉點(diǎn)將立柱對齊（圖11，12）。計算模型經(jīng)過反復(fù)的斟酌和修改，模型各部位的細(xì)節(jié)都盡可能還原實際的建造工藝，驗證了關(guān)于設(shè)計過程中力的傳遞的猜想，最終的建成效果令人滿意（圖13）。

在類似的方案中，力的傳遞路徑可以直接翻譯成結(jié)構(gòu)的布置形式。找到力的傳遞路徑，也就為復(fù)雜結(jié)構(gòu)找到了清晰的設(shè)計方向。

10 海爾布隆科學(xué)博物館建筑功能示意圖

11 海爾布隆科學(xué)博物館施工現(xiàn)場

12 海爾布隆科學(xué)博物館力的傳遞路徑

13 海爾布隆科學(xué)博物館外觀

14 托特納姆熱刺隊主場體育場效果圖

4 找平衡

找到分析力的傳遞路徑來探索結(jié)構(gòu)的設(shè)計方向后，就該考慮如何保證結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體性，這也是設(shè)計完成前最重要的一環(huán)。下面以柔軟的懸索結(jié)構(gòu)為例，來討論結(jié)構(gòu)的動態(tài)和穩(wěn)定。案例是位于英國倫敦的英超球隊托特納姆熱刺隊主體育場新建項目，新的球場是一座包括完整足球場的英超聯(lián)賽賽場，主場足球隊是位于倫敦北部的托特納姆熱刺。同時，這里還可以舉行NFL比賽、音樂會和其他活動，整個球場擁有62 000個觀眾席位。

作為懸索結(jié)構(gòu)的體育場屋頂，如果說“蛋形”平面的不規(guī)則程度對體育場輪輻式屋頂已經(jīng)是一個不小的挑戰(zhàn)，那么不規(guī)則豎向支撐、分階段建設(shè)、屋頂懸吊式觀景空中走廊等的加入，無疑又大大增加了項目的難度（圖14）。體育場屋頂?shù)闹饕Y(jié)構(gòu)部分由兩組自錨式拉力環(huán)以及一個位于外圈的壓力環(huán)組成。每根軸向結(jié)構(gòu)單元都是由空氣柱和上下兩組受拉鋼索組成的五段式結(jié)構(gòu)，最內(nèi)側(cè)為玻璃屋頂部分，最大懸挑距離約20m。約600個特殊設(shè)計的鋼索節(jié)點(diǎn)滑動連接，將拉力環(huán)與位于軸線上的懸空柱相連（圖15）。

在設(shè)計過程中，業(yè)主明確提出分段施工的要求，由于處于夏季賽時期，托特納姆熱刺隊的老體育場要繼續(xù)為球隊提供主場比賽的場地，因此新球場只能先施工約3/4的范圍（圖16）。賽季結(jié)束后，要利用短暫的空檔迅速拆除老體育場，同時完成新球場剩余部分的建設(shè)，這給施工帶來了極大的挑戰(zhàn)。由于懸索結(jié)構(gòu)的屋頂需要在體育場主體結(jié)構(gòu)完成之后才可以進(jìn)行安裝，為了保證施工進(jìn)度，壓力環(huán)和拉力環(huán)幾乎同步進(jìn)行施工。不同的是，壓力環(huán)在混凝土結(jié)構(gòu)上部安裝至預(yù)定位置，而軸向鋼索以及拉力環(huán)則同步在體育場內(nèi)場的地面上進(jìn)行布置和預(yù)安裝，等壓力環(huán)安裝就位之后再進(jìn)行提升、拉緊等施工操作（圖17，18）。

托特納姆熱刺隊主體育場

業(yè)主：Tottenham Hotspur Football & Athletic Co Ltd

建設(shè)地點(diǎn)：英國倫敦

建筑設(shè)計：Populous

結(jié)構(gòu)設(shè)計：Schlaich Bergermann und Partner

施工單位：Mace Group

建成時間：2019

15 托特納姆熱刺隊主場體育場屋頂結(jié)構(gòu)計算模型

16 托特納姆熱刺隊主場體育場施工現(xiàn)場，原體育場仍在使用中

17 托特納姆熱刺隊主場體育場輕結(jié)構(gòu)屋頂施工準(zhǔn)備階段

18 托特納姆熱刺隊主場體育場屋頂懸索連接細(xì)部

19 托特納姆熱刺隊主場體育場空中走廊Skywalk整體計算模型

20 托特納姆熱刺隊主場體育場屋頂總覽，Skywalk懸吊觀景廊施工現(xiàn)場

21 托特納姆熱刺隊主場體育場屋頂總覽，Skywalk懸吊觀景廊

22 托特納姆熱刺隊主場體育場體育場內(nèi)景

除了巨大的屋頂結(jié)構(gòu)，另一個非常引人注目的設(shè)計是被稱作“空中走廊Skywalk”的懸吊式觀景廊（圖19），沿著拉力環(huán)布置在屋頂內(nèi)沿，具有非常強(qiáng)的功能及視覺震撼力。

懸索/索膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是輕、用鋼量小，但同時帶來難以克服的穩(wěn)定性問題。在風(fēng)荷載的作用下，屋頂?shù)呢Q向形變可達(dá)1m。整個結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析也非常重要，各種工況下的振動和形變都需要一一驗算核實。而柔性結(jié)構(gòu)的振動往往會持續(xù)較長的時間，連接細(xì)部的動態(tài)穩(wěn)定和疲勞分析也都馬虎不得?！翱罩凶呃萐kywalk”直接布置在拉力環(huán)上（圖20，21），每一個箱體都位于兩組軸向鋼索之間，箱體之間的運(yùn)動和錯位完全跟柔性的懸索屋頂一起，變形幅度和不規(guī)則性都十分顯著，需要通過箱體間連接細(xì)部的設(shè)計實現(xiàn)相對穩(wěn)定（圖22）。

5 結(jié)語

面對復(fù)雜的建筑，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)通過找規(guī)律，去發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)在關(guān)系；通過找路徑，明確力學(xué)模型的框架，著重分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)中最核心的部件；通過找平衡，完善結(jié)構(gòu)的各個細(xì)節(jié)，讓所有的構(gòu)件都充分發(fā)揮性能。無論多么復(fù)雜的建筑，在這樣層層透視、步步簡化的設(shè)計思路下，最終都會褪去復(fù)雜的外表，展現(xiàn)最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)體系。