董靜萍

(云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650228)

1 建筑結(jié)構(gòu)概述

近幾年，建筑行業(yè)所呈現(xiàn)發(fā)展勢頭較為迅猛，在對項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)，有關(guān)人員更傾向于引入先進(jìn)理念與技術(shù)，希望能夠獲得更加理想的建設(shè)效果，而負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的人員，也逐漸將重心轉(zhuǎn)向創(chuàng)新與把控細(xì)節(jié)上，力求使所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足行業(yè)、項(xiàng)目所提出的要求。從宏觀層面來說，結(jié)構(gòu)所指代內(nèi)容不再是傳統(tǒng)觀念所認(rèn)為的堆砌梁柱，對其所提出要求自然也不再是隱藏和遮蓋。對大部分建筑而言，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過程，從本質(zhì)上來說就是對結(jié)構(gòu)加以表現(xiàn)的過程，建筑作為載體，可對結(jié)構(gòu)精致度和美觀性進(jìn)行直觀表達(dá)與呈現(xiàn)，以鋼結(jié)構(gòu)為代表的部分結(jié)構(gòu)，擁有較常規(guī)結(jié)構(gòu)更為夸張的表現(xiàn)力，負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的人員，其職責(zé)主要是對建筑想要傳達(dá)的理念，進(jìn)行系統(tǒng)而精準(zhǔn)的闡述[1]。部分對結(jié)構(gòu)語言擁有較高要求的建筑，所依托結(jié)構(gòu)的形式往往更加復(fù)雜，無論是辨認(rèn)、計(jì)算還是展開其他工作，均擁有較高難度，如何高效完成對結(jié)構(gòu)脈絡(luò)進(jìn)行理順的工作，在化繁為簡原則的指導(dǎo)下，完成梳理系統(tǒng)及后續(xù)環(huán)節(jié)，自然成為研究重點(diǎn)，下文將以具有代表性的建筑為例，對鋼結(jié)構(gòu)體系所適用設(shè)計(jì)策略進(jìn)行梳理，供有關(guān)人員參考。

2 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

2.1 確定規(guī)律

若建筑方案復(fù)雜度較高，通常難以在短時(shí)間內(nèi)對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行辨明，并對切實(shí)可行的設(shè)計(jì)思路加以確定，此時(shí)，設(shè)計(jì)師可先對建筑規(guī)律進(jìn)行辨別，再以傳遞力的方式與路徑為依據(jù)，得出可為日后工作提供指導(dǎo)的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)合計(jì)算結(jié)果調(diào)整體系，使其趨于平衡，設(shè)計(jì)軌跡隨之形成。

以某文化藝術(shù)中心為例(如圖1)，該建筑主要由音樂廳、歌劇院和多功能廳構(gòu)成，從外形來看，屬于典型的形態(tài)自由建筑，與科斯特地貌所特有山脈形態(tài)相似，屋頂多建設(shè)于主體建筑周圍，無論是獨(dú)有的造型，還是與自然相似的形態(tài)，均增加了辨認(rèn)結(jié)構(gòu)體系的難度。在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)對傳遞力的路徑進(jìn)行分析，“山峰”是不規(guī)則屋頂，參照拱的方向?qū)ψ鴺?biāo)進(jìn)行設(shè)置，確保各拱都有與之對應(yīng)的桁架曲線，且與屋頂走勢相契合。對各拱進(jìn)行連接的構(gòu)件為次梁，旨在使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性獲得有力保障。而山形大廳所對應(yīng)首根坐標(biāo)軸及末根坐標(biāo)軸，均為以鋼筋混凝土為主要材質(zhì)的墻壁，這樣做可使結(jié)構(gòu)擁有更加理想的抗側(cè)力性能。出于使建筑呈現(xiàn)出良好漂浮效果的考慮，設(shè)計(jì)師決定將山形屋頂和云彩屋頂斷開，要想實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)，關(guān)鍵要對人字形橋梁進(jìn)行建設(shè)，三個(gè)端點(diǎn)分別對應(yīng)三個(gè)支座，連接三個(gè)大廳，對傳遞力的路徑加以了解后，設(shè)計(jì)師自然會(huì)擁有更加清晰的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)難度隨之降低[2]。

圖1 文化藝術(shù)中心

2.2 增強(qiáng)穩(wěn)定性

在確定傳遞力的方向與路徑后，設(shè)計(jì)師就應(yīng)將重心轉(zhuǎn)向?qū)Y(jié)構(gòu)體系所擁有穩(wěn)定性、整體性進(jìn)行強(qiáng)化的方面，對設(shè)計(jì)工作而言，上述環(huán)節(jié)擁有無法被替代的作用。例如，某地所建設(shè)體育場，采用了懸索結(jié)構(gòu)，此體育場共有座位六萬余個(gè)，由于體育場需要滿足的功能相對具象，將輪輻式屋頂轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則屋頂，經(jīng)過數(shù)年實(shí)踐才趨于完善，對需要分階段建設(shè)的懸索結(jié)構(gòu)進(jìn)行融入，其難度自然不言而喻。此體育場的屋頂由兩部分構(gòu)成，分別是外圈壓力環(huán)、自錨拉力環(huán)，任意軸向結(jié)構(gòu)單元所對應(yīng)結(jié)構(gòu)均為五段結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成分為受拉鋼索及空氣柱，懸挑距離的最大值為20 m，對其進(jìn)行連接的構(gòu)件為鋼索節(jié)點(diǎn)，數(shù)百個(gè)經(jīng)過調(diào)整的鋼索節(jié)點(diǎn)，為懸空柱和拉力環(huán)的連接穩(wěn)定性提供了保障。在對此體育場進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，甲方要求分段施工，這是因?yàn)榇梭w育場所承辦比賽數(shù)量較多，施工方要把握不同賽季的間隔時(shí)間，完成對體育場進(jìn)行拆除及重建的工作。一般來說，只有完成主體結(jié)構(gòu)的建設(shè)后，施工方才能安裝懸索屋頂，要想如期完成施工，最有效的方法便是同時(shí)對拉力環(huán)及壓力環(huán)進(jìn)行建設(shè)，在此過程中，設(shè)計(jì)師應(yīng)對以下內(nèi)容引起重視：對壓力環(huán)進(jìn)行安裝的位置相對固定，即結(jié)構(gòu)上部，而對拉力環(huán)、軸向鋼索進(jìn)行安裝的位置，多為內(nèi)場地面，待壓力環(huán)安裝完成，再對二者進(jìn)行拉緊并提升。

另外，此體育場還對懸吊觀景廊進(jìn)行了建設(shè)，位于屋頂內(nèi)沿的觀景廊，能夠給人以最直觀的震懾力。事實(shí)證明，懸索結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出特征較為明顯，即用鋼量小、質(zhì)量輕，當(dāng)然，由此而產(chǎn)生的問題也十分明顯，其穩(wěn)定性往往難以得到有力保障，風(fēng)荷載成為屋頂形變的主要原因，由此可見，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析很有必要，只有逐一核實(shí)不同工況所對應(yīng)振動(dòng)與形變情況，才能減小風(fēng)荷載所帶來影響。驗(yàn)算結(jié)果表明，柔性結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)振動(dòng)，其持續(xù)時(shí)間往往較剛性結(jié)構(gòu)更長，疲勞分析自然也成為需要設(shè)計(jì)師關(guān)注的重點(diǎn)，上文所提及景觀廊所處位置為拉力環(huán)之上，箱體所處位置均為軸向鋼索間，這也導(dǎo)致箱體運(yùn)動(dòng)、錯(cuò)位與懸索屋頂擁有較高一致性，無論是變形的程度，還是其不規(guī)則性，均以較為明顯的方式被表現(xiàn)了出來，只有全面分析并設(shè)計(jì)箱體的連接細(xì)部，才能使其擁有更為理想的穩(wěn)定性。

2.3 掌握傳遞路徑

調(diào)查所得結(jié)果表明，目前，一定比例建筑兼有簡潔的外表和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)來說，就是外觀并不復(fù)雜，對內(nèi)在結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究，卻發(fā)現(xiàn)對其規(guī)律加以掌握的難度較大，設(shè)計(jì)師既無法對梁柱進(jìn)行簡單布置，又難以確保力得到順利傳遞。要想使上述問題得到解決，最有效的方法是以力學(xué)原理為切入點(diǎn)，對傳遞力的路徑加以確定，保證所選定傳遞形式可滿足高效且經(jīng)濟(jì)的要求，待上述工作告一段落，設(shè)計(jì)師便可將力學(xué)路徑所得計(jì)算結(jié)果的最優(yōu)值作為依據(jù)，展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作[3]。

此類建筑的代表為海爾布隆博物館，此博物館擁有相對清晰的結(jié)構(gòu)體系，鋼結(jié)構(gòu)桁架和混凝土核心筒是承重的主要結(jié)構(gòu)，但是，此博物館對力進(jìn)行傳遞的路徑并不清晰，出于增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)漂浮感的考慮，設(shè)計(jì)師在外立面對貫穿建筑的時(shí)空線進(jìn)行了規(guī)劃，并將此時(shí)空線打造成為交通動(dòng)線，這樣做的目的是給參觀者帶來連貫且完整的體驗(yàn)，不同樓層均以樓梯角度為依據(jù)，不規(guī)則地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在對外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師對玻璃幕墻和時(shí)空線進(jìn)行了疊加處理，突出了建筑的通透感，時(shí)空線所在區(qū)域，均無斜撐桿件存在，換言之，此博物館的一層到五層，均借助立柱對豎向載荷進(jìn)行傳遞，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、水平荷載，則要將力向其他區(qū)域進(jìn)行傳遞。不同的旋轉(zhuǎn)角度，決定各樓層對立柱進(jìn)行設(shè)置的區(qū)域，僅為下層與上層的交叉點(diǎn)，這樣設(shè)計(jì)可使力獲得更為直接且有效的傳遞。出于使豎向構(gòu)件達(dá)到對位要求的考慮，設(shè)計(jì)師選擇對桁架結(jié)構(gòu)所對應(yīng)角度進(jìn)行調(diào)整，旨在確保交叉點(diǎn)擁有對齊立柱。除此之外，設(shè)計(jì)師還綜合考慮多方因素，對計(jì)算模型進(jìn)行了多次調(diào)整，使模型擁有和實(shí)際高度一致的細(xì)節(jié)，以此來達(dá)到驗(yàn)證猜想的目的，所建設(shè)博物館自然也擁有了和預(yù)期相符的良好效果。綜上，對此類建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師可將傳遞力的路徑簡化為結(jié)構(gòu)布置，以傳遞路徑為依據(jù)，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向，真正做到化繁為簡。

3 結(jié) 論

通過對上文所敘述內(nèi)容進(jìn)行分析可知，要想對復(fù)雜建筑進(jìn)行高效設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是確定規(guī)律，對結(jié)構(gòu)體系所對應(yīng)內(nèi)在聯(lián)系加以明確，在此基礎(chǔ)上增強(qiáng)穩(wěn)定性，通過對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)加以完善的方式，確保各構(gòu)件所擁有性能均可獲得應(yīng)有發(fā)揮，待上述工作告一段落，再以化繁為簡原則為指導(dǎo)，按部就班地完成后續(xù)環(huán)節(jié)，使結(jié)構(gòu)體系展現(xiàn)出最優(yōu)性能。

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