楊笑天 李彥鵬 顧樂明 彭超

YANG Xiaotian,LI Yanpeng,GU Leming,PENG Chao

華東建筑設(shè)計研究總院

在中小尺度項目中，結(jié)構(gòu)形式選擇多樣且構(gòu)件尺寸小，結(jié)構(gòu)不管是暴露還是隱藏都有較多的選擇余地。例如，直島海之車站通過極為纖細的柱子營造極致輕薄的建筑效果，讓纖細的結(jié)構(gòu)柱與環(huán)境融為一體（圖1）；HOKI美術(shù)館通過大尺度箱形截面實現(xiàn)讓人驚嘆的懸挑效果，讓結(jié)構(gòu)構(gòu)件與建筑功能及效果高度結(jié)合（圖2）；絲帶教堂通過螺旋步道描繪愛情故事，讓兩個相互依靠的螺旋型結(jié)構(gòu)取代通常意義上的梁柱（圖3）。

而對于機場、體育場館、街區(qū)覆蓋天幕等大尺度的項目，往往由于建筑功能要求，結(jié)構(gòu)跨度動輒高達50～100m甚至更大，可選的結(jié)構(gòu)體系實際是非常有限的。同時，結(jié)構(gòu)的重要性和設(shè)計使用年限往往也有更高的要求，加之考慮臺風、防爆、反恐等偶然因素下結(jié)構(gòu)的安全性，構(gòu)件尺度一般很難做到細小。在這種情況下，結(jié)構(gòu)與空間如何相互滲透影響，而不是簡單地被吊頂遮蓋，更加考驗建筑師和結(jié)構(gòu)師的功力。本文試圖從不同尺度的項目設(shè)計實踐中討論結(jié)構(gòu)與建筑之間的制約與互動，以及結(jié)構(gòu)作為建筑要素的表達方式。

1 小型建筑——空間主導的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)

2019年第二屆全國高校竹結(jié)構(gòu)設(shè)計建造大賽中，同濟大學“風之亭”的結(jié)構(gòu)材料采用了原竹——易彎的管材。本方案的出發(fā)點是做一條有趣的“隧道”對著周邊的三個主要出入口，隧道中部抬起宛如風拂竹簾，形成開合有度、可?？勺叩倪B續(xù)空間（圖4）。

基于通道斷面三角形及中部打開的形態(tài)，自然聯(lián)想到“人字柱+邊拱”作為主要的支撐結(jié)構(gòu)。通道的跨度15～20m不等，尺度較大，基于竹材的受力性能，中部立柱自然是最直接的選擇，但強烈的支撐感會破壞通道的連續(xù)性。為了消解這種不舒適的空間體驗，初步設(shè)想把周邊結(jié)構(gòu)及屋面結(jié)構(gòu)做強形成三鉸拱，推力由周邊結(jié)構(gòu)承擔（圖5），這一策略雖然有機會取消中部落柱，但是承重的屋面及周邊結(jié)構(gòu)有違“風拂竹簾”的輕盈感。隨后的方案推進重點考慮回應“輕盈”這個關(guān)鍵詞，或許高效的鋼拉索和原竹能產(chǎn)生雙贏的化學反應，于是順勢誕生了弦支梁的結(jié)構(gòu)方案（圖6）。對著三個入口，人字柱的鋼拉索托起竹梁形成中部主結(jié)構(gòu)，順應原有通道指向性的同時，中部的三角形拉索也剛好對應著天窗的形態(tài)。索與竹，這兩種極輕材料的組合最大程度弱化了多種元素的混沌感，甚至加強了輕盈屋面的觀感。拉索的出現(xiàn)也解放了屋面的結(jié)構(gòu)，得以實現(xiàn)較小截面的主梁、檁條及邊拱，最終地形方案從高處到低處依次為觀演舞臺和休憩空間（圖7）。舞臺一側(cè)屋面開口形態(tài)的最終跨度由16m增加到25m左右，所以采用空間竹拱桁架，也為觀演空間帶來一絲樂趣。

1 直島海之車站

2 HOKI 美術(shù)館

3 絲帶教堂

4 風之亭-初始設(shè)計理念

5 風之亭-三鉸拱方案

6 風之亭-弦支梁方案

7 風之亭-結(jié)構(gòu)圖解

8 風之亭-中部拉索與三角天窗

9 風之亭-拱桁架

10 風之亭-入口

在小尺度項目中，空間是主導的。“風之亭”這個項目中，為了避免交叉點的落柱，弦支竹梁的出現(xiàn)正是形態(tài)與動線共同塑形的結(jié)果，結(jié)構(gòu)讓位于空間，最終通過與流線、天窗的呼應反而成為空間體驗的重要組成，甚至會覺得弦支的結(jié)構(gòu)形態(tài)源自建筑設(shè)計理念而非出于理性的推導（圖8～10）。模糊的因果關(guān)系，讓結(jié)構(gòu)和建筑緊湊地交互、相得益彰。

2 中型建筑——空間與結(jié)構(gòu)的博弈

在中等尺度的項目中，結(jié)構(gòu)與空間的博弈更有張力，在互相制約中激發(fā)彼此的可能性。

虹橋國際機場T1航站樓是一個中等尺度的改造項目，這類項目對結(jié)構(gòu)約束較多，一般都面臨比較復雜的工況，讓既有結(jié)構(gòu)舒服地維持、新建結(jié)構(gòu)自然地呈現(xiàn)，都是值得努力的方向（圖11）。虹橋國際機場T1航站樓現(xiàn)存的A樓、B樓和樓前高架，自1960年代建成后，于1980、1990等不同年代多次擴建、改造而成。與虹橋T2航站樓相比，T1航站樓及周邊相對破舊、環(huán)境較差。原有建筑主要面臨三個棘手的問題：混雜的流線、凌亂破敗的幕墻系統(tǒng)及凈高偏低的室內(nèi)空間。

作為項目改建的門面擔當，A樓的出發(fā)大廳是最大也是最重要的區(qū)域。原15.8m標高的混凝土屋面抬高至24.0m，形成高大的室內(nèi)空間；懸挑雨篷由約5m加大至12m以上，使其擋雨范圍明顯增大。在改造策略上，對于原有的混凝土結(jié)構(gòu)，減小入口處支承柱的受力成為選擇結(jié)構(gòu)方案的出發(fā)點。采用鋼結(jié)構(gòu)輕型屋蓋是最直接的方法，最先被確定下來。新增結(jié)構(gòu)與原混凝土柱鉸接設(shè)計也是減少柱受力的有效方法，而能夠?qū)崿F(xiàn)鉸接連接的前提是屋面、立面、雨篷三者形成一體化的整體結(jié)構(gòu)，讓大懸挑雨篷的彎矩與大跨屋蓋的彎矩內(nèi)外自平衡，從而最大程度減小支承柱的彎矩，并能呈現(xiàn)出穩(wěn)重的混凝土基座支托輕盈屋蓋的漂浮感。

11 虹橋國際機場T1 航站樓-改造前后

與既有結(jié)構(gòu)連接部位的鉸接緩解了老結(jié)構(gòu)的受力壓力，但是由于鋼屋蓋高度較大，新建結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度很小，設(shè)置斜撐是提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的直接方法。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計建議將平屋面改為局部單坡，這一形狀修改不僅有利于結(jié)構(gòu)抗側(cè)，同時減少了建筑室內(nèi)空間，有利于綠色節(jié)能，結(jié)構(gòu)效率與空間關(guān)系緊密結(jié)合（圖12）。

12 虹橋國際機場T1 航站樓-出發(fā)大廳改造

13 虹橋國際機場T1 航站樓-屋蓋結(jié)構(gòu)比選

大致的結(jié)構(gòu)形態(tài)確定后，接下來就是解決橫向跨越問題，24.7m的屋蓋跨度和12m的懸挑雨篷若采用實腹鋼梁，構(gòu)件尺度會比較大，為了削弱刻板的支承觀感，采用以軸力桿件為主的更高效的單元化結(jié)構(gòu)體系。方案初步考慮采用拉索或者傘形柱的方案，基于拉索方案可能對空間產(chǎn)生的壓迫感，于是按照傘形柱方案進行深化，把結(jié)構(gòu)高度消化在幕墻一側(cè)，利用三角形穩(wěn)定性，從混凝土柱上立起傘形柱結(jié)構(gòu)和支撐桿件；同時，傘形單元和斜撐平衡雨篷荷載減小了屋面鋼梁截面，此時結(jié)構(gòu)作為韻律空間的構(gòu)成，輕松呈現(xiàn)（圖13）。

每個傘形單元形成后，縱向的相互聯(lián)系依托密而小的結(jié)構(gòu)橫梁，且橫梁兼作遮陽百葉，完成了結(jié)構(gòu)與幕墻的一體化設(shè)計（圖14，15）。由于立面支撐在水平力下會出現(xiàn)較大的壓力，支撐長度為11.8m，桿件截面較小時容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。因此采用BRB（防屈曲約束支撐）單元，外徑由250mm減小到180mm，突破極限以求空間韻律。

14 虹橋國際機場T1 航站樓-改造結(jié)構(gòu)體系圖解

15 虹橋國際機場T1 航站樓-改造后室內(nèi)全景

節(jié)點設(shè)計同樣重要，雨篷V形斜撐、傘形鋼柱等構(gòu)件均為鉸接節(jié)點，大量采用鑄鋼節(jié)點制作而成，受力明確且便于安裝。傘形柱、支撐、V形屋面梁等結(jié)構(gòu)以簡潔的三角形穩(wěn)定體系、清晰的受力邏輯，成為有趣的建筑空間中重要的表現(xiàn)要素，給旅客帶來輕松愉悅的享受（圖16，17）。

在中等尺度的項目中，結(jié)構(gòu)與建筑的互動產(chǎn)生了輕松的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和空間體驗，既沒有結(jié)構(gòu)炫技的強烈表達，也沒有結(jié)構(gòu)消極滯后服從建筑。相較于明確的梁柱支撐體系，本項目中通過離散的桿系單元將屋蓋、幕墻以及雨篷有機整合在一起，視覺的“粗細”暗示著背后的“拉壓關(guān)系”，對于傳遞水平力的需求則隱藏在BRB（Hide-tech）以及一系列三角形元素中，無法一眼看透激發(fā)理性的推測，這個過程也是充滿趣味的。比較有意思的是，建筑師有意加大了傘形立柱的尺寸（非受力需要），相較于對所有構(gòu)件“極細”的追求，這種強化粗與細的對比是否也增加了空間的層次感（圖18，19）？

16 虹橋國際機場T1 航站樓-改造后雨篷設(shè)計

17 虹橋國際機場T1 航站樓-幕墻屋蓋一體化設(shè)計

18 虹橋國際機場T1 航站樓-傘形立柱的視覺強化

19 虹橋國際機場T1 航站樓-傘形立柱鉸接鑄鋼節(jié)點

20 呼和浩特機場-鳥瞰圖

21 呼和浩特機場-室內(nèi)效果圖

22 呼和浩特機場-建筑吊頂邏輯

23 呼和浩特機場-結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

24 呼和浩特機場-軸測圖

25 呼和浩特機場-天窗建筑效果

26 呼和浩特機場-天窗結(jié)構(gòu)布置

3 大型項目——結(jié)構(gòu)主導的表現(xiàn)方式

在大尺度項目中，結(jié)構(gòu)往往處于主導地位。方案階段，我們便會介入建筑空間的討論、形態(tài)的生成，以下通過幾個大型項目中的結(jié)構(gòu)實踐，談談我們關(guān)于結(jié)構(gòu)表現(xiàn)方式的一些思考。

3.1 曖昧的結(jié)構(gòu)——呼和浩特機場

在呼和浩特機場的屋蓋設(shè)計中，我們試圖讓結(jié)構(gòu)構(gòu)件成為建筑肌理，同時又可以讓大家很容易猜測到背后的結(jié)構(gòu)邏輯（圖20，21）。設(shè)計初期建筑師提出了幾點構(gòu)想和要求，首先機場屋蓋作為大跨度結(jié)構(gòu)，出于功能考慮中柱跨度需要達到54m；受到當?shù)匚幕瘓D騰的啟發(fā)，希望將蒙古包的菱形網(wǎng)格元素用于室內(nèi)吊頂紋路中；希望以4個18m×72m的大天窗用于采光，同時希望柱子支撐在天窗處且要盡量纖細。

對于跨度54m的屋蓋，很難做到結(jié)構(gòu)完全完美地外露，因此通常最經(jīng)濟的做法是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，而后通過吊頂將結(jié)構(gòu)構(gòu)件完全隱藏，但是這種物理性的隱藏使得建筑和結(jié)構(gòu)完全是兩張皮，乘客也就無法感知結(jié)構(gòu)的韻律美。

本項目中同樣遇到這個問題，結(jié)構(gòu)師并非不想發(fā)揮，而是建筑體量不允許結(jié)構(gòu)師隨意發(fā)揮。結(jié)合室內(nèi)吊頂?shù)牧庑尉W(wǎng)格，結(jié)構(gòu)選用平面桁架結(jié)構(gòu)體系，并嘗試和建筑網(wǎng)格尋找對位關(guān)系，經(jīng)過多次試算和協(xié)調(diào)后發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是能夠與建筑吊頂邏輯完全對應的。于是建筑師和結(jié)構(gòu)師開始討論結(jié)構(gòu)外露的可能性，如果結(jié)構(gòu)完全暴露，構(gòu)件尺度比較大且很難做到精致的表達，于是決定對結(jié)構(gòu)構(gòu)件做半暴露處理，僅露出下弦桿的一部分，這樣既能表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的邏輯，又能達到建筑的室內(nèi)效果，這種手法在早先的浦東機場二期屋蓋設(shè)計中也有應用。當乘客行走在辦票大廳時會被吊頂?shù)牧庑尉W(wǎng)格所吸引，而無法一眼察覺到吊頂?shù)木€條是由結(jié)構(gòu)構(gòu)件所勾勒，由此或許會引發(fā)一系列揣測；但如果有心人想要更深層次了解屋蓋時，就可以通過吊頂?shù)膭澐肿x懂結(jié)構(gòu)的生成邏輯，從而感知力流的方向，此時結(jié)構(gòu)網(wǎng)格就將抽象的力流可視化地表達了出來（圖22～24）。

此項目中天窗處的搖擺柱是建筑想要表達的亮點，但實際上這是與結(jié)構(gòu)受力相悖的。因為通常柱頂都是受力最大的地方，自然柱頂桁架的構(gòu)件尺度也會很大，天窗打亮后相當于將結(jié)構(gòu)最粗壯的地方暴露了出來。同時，中部四根柱子每根都要支承近3000m2屋蓋的重量和地震力，常規(guī)做法無法做到纖細，因此只能突破原有的結(jié)構(gòu)范式。

結(jié)構(gòu)也同樣從蒙古包中尋找靈感，將中部立柱均做成搖擺柱，宛如蒙古包中間的桅桿，同時加密周圈的鋼柱間距，這樣地震力就可以通過結(jié)構(gòu)剛度很大的交叉網(wǎng)格屋蓋傳到四周的鋼柱，而保證中部鋼柱的纖細（圖25）。同時天窗處桁架斷開并采用拉索吊掛于柱頂，這樣被天窗打亮的就會是纖細的鋼索。通過將結(jié)構(gòu)效率較低的抗彎桁架替換為效率更高的抗拉拉索，搖擺柱與拉索的組合在這樣一個超大尺度的空間內(nèi)顯得有趣而“格格不入”，這種強烈的不穩(wěn)定感也暗示著背后的力學邏輯——僅承擔豎向荷載，這種支承結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)在半藏半露的屋蓋結(jié)構(gòu)的襯托下大大加強了空間的張力（圖26）。

3.2 極限的結(jié)構(gòu)——杭州世紀中心懸鏈

在大尺度的項目中，結(jié)構(gòu)完全外露作為一個大概率的導向更值得關(guān)注，我們期望結(jié)構(gòu)哪怕完全展現(xiàn)在面前，卻不會讓人感覺其孤立、壓迫甚至高高在上，而是作為空間的一部分自然地呈現(xiàn)。天幕作為街區(qū)覆蓋、商場中庭、景觀廊道等公共空間遮風擋雨的上部覆蓋，也需要保證明亮的采光。一方面，通過選用高效的結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)化形態(tài)以盡可能減小結(jié)構(gòu)的尺度，減小結(jié)構(gòu)對視線和采光的遮擋；另一方面，通過結(jié)構(gòu)形式、拓撲關(guān)系和節(jié)點細部的精細化設(shè)計，使結(jié)構(gòu)貼合并融入建筑的一體化設(shè)計中。

杭州世紀中心項目由兩幢高約310m的塔樓和商業(yè)裙樓組成，是杭州市目前已批復規(guī)劃的最高地標建筑。雙塔造型呈獨特的“H”形，寓意融合精致、和諧、開放、大氣的城市精神（圖27）。兩棟塔樓形成空間與力學上的連接，二者之間的互動與制約最終磨合為統(tǒng)一的整體。

“柔性”與“高效”是我們首先想到的，“H”形雙塔之間的懸鏈形天幕主要作為塔樓之間宴會大廳和屋頂花園的遮陽，跨度和垂度都比較大，懸鏈頂前開口52～87m，垂度最大約73m，表皮面積約9400m2，是一個大跨度的復雜曲面結(jié)構(gòu)，同時也要求結(jié)構(gòu)形式簡潔、通透，構(gòu)件尺寸盡可能纖細，這給結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了挑戰(zhàn)（圖28）。

由于杭州世紀中心天幕主要承受的幕墻和自重恒荷載都是沿構(gòu)件長度均勻分布的，符合懸鏈線的理想荷載分布。巧妙的懸鏈方案使得天幕懸垂為自然曲線并吊掛在塔樓上，同時在地震下又不會產(chǎn)生相互拉扯影響。最終，懸鏈形式的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面寬度僅150mm、高度300mm（選用H300×150×6.5×9型鋼），截面高度與跨度的比值達到1/300，結(jié)構(gòu)效率非常之高。通過參數(shù)化設(shè)計與曲面優(yōu)化，微調(diào)懸鏈曲面的形態(tài)，進一步改善結(jié)構(gòu)在風荷載等復雜工況下的受力性能，同時優(yōu)化減小四邊形玻璃板塊的翹曲，實現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、幕墻的一體化設(shè)計（圖29）。

3.3 異規(guī)的結(jié)構(gòu)——上海馬術(shù)谷

體育建筑因其特殊性，一般球場和田徑場為圓形或橢圓形，結(jié)構(gòu)設(shè)計也可以充分利用這一形體通過張拉索做到極致輕薄，由此將結(jié)構(gòu)構(gòu)件很好地隱藏于環(huán)境當中。上海馬術(shù)谷項目中，建筑屋蓋分為飄帶形和貝殼形兩部分，懸挑跨度約為30m，結(jié)構(gòu)設(shè)計“迫不得已”選用了相對粗壯的桁架結(jié)構(gòu)體系（圖30）。

通常懸挑桁架均采用由上弦、下弦和腹桿組成的規(guī)律性強的平面桁架或空間桁架，但交叉腹桿的建筑效果不好（圖31，32）。如果暴露區(qū)都采用常規(guī)的桁架形式，會讓結(jié)構(gòu)構(gòu)件在整個環(huán)境中顯得尤為突出，并且與馬術(shù)運動優(yōu)雅的屬性不甚契合。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計將桁架異化處理，原有的平行上弦被改為弧線，使得結(jié)構(gòu)線條更加優(yōu)雅；將原交叉腹桿改為平行腹桿并進行加密，這樣腹桿在充當受力構(gòu)件的同時也可像吊頂一樣起到裝飾作用；通過計算其受力方式與馬骨的構(gòu)造也有相似之處，當有觀眾注意結(jié)構(gòu)時也可以產(chǎn)生聯(lián)想、共鳴（圖33，34）。

27 杭州世紀中心-效果圖

28 杭州世紀中心-懸鏈結(jié)構(gòu)的尺寸

29 杭州世紀中心-懸鏈局部效果圖

30 上海馬術(shù)谷-鳥瞰圖

31 常規(guī)平面懸挑桁架

32 常規(guī)空間懸挑桁架

33 上海馬術(shù)谷結(jié)構(gòu)馬骨意象

34 上海馬術(shù)谷異規(guī)后的懸挑桁架

35 上海馬術(shù)谷外露區(qū)結(jié)構(gòu)效果

36 G60 科創(chuàng)云廊

37 G60 科創(chuàng)云廊網(wǎng)格實景

在外露結(jié)構(gòu)中無法通過纖細的構(gòu)件獲得物理上的透明觀感時，通過對結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件進行建筑化的處理，使其更加自然地融入建筑與環(huán)境，亦可弱化強支承的體驗（圖35）。

4 結(jié)語

在不同尺度的項目中，結(jié)構(gòu)與空間之間的話語權(quán)重是不同的，小空間中結(jié)構(gòu)更應該注意不能喧賓奪主，而在中大型空間中，結(jié)構(gòu)與空間的沖突、妥協(xié)與融合讓結(jié)構(gòu)成為可感受、可欣賞的“特殊空間”。上述項目實踐中結(jié)構(gòu)都是外露或者半消隱，相較于單純地把構(gòu)件做小做細以獲得純物理上的透明觀感，通過合理的規(guī)劃力流路徑來決定構(gòu)件是否參與抵抗風、地震等橫向荷載以及構(gòu)件與幕墻吊頂結(jié)合的一體化設(shè)計，模糊了“強支撐”的刻板印象，努力追求合理的或者合理近旁的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)，同時這些表現(xiàn)作為一種圖形化的肌理滲透于空間中，讓人感到輕松愉悅。這既是我們對于小、中、大三種尺度項目中結(jié)構(gòu)與建筑的形態(tài)互相滲透、互相糾纏以獲得多義解讀的空間的理解，也是我們對于“虛的透明性”的理解。

與“虛的透明性”相對的，是結(jié)構(gòu)主宰形態(tài)的“實的透明性”。G60科創(chuàng)云廊就是一個在以上語境中頗顯爭議的項目，位于上海南部門戶G60高速旁，是一個11棟建筑上方的巨型覆蓋。長約700m、寬約200m、跨度約100m的單層鋁合金網(wǎng)殼在天空中閃閃發(fā)光，可謂是結(jié)構(gòu)強勢的表達，在結(jié)構(gòu)造價和設(shè)計難度上都付出了巨大的代價（圖36，37）。

值得討論的是，為什么要選擇這樣一個高技派的策略？從建成結(jié)果上看，乘飛機或沿高速進入上海第一眼就會注意到這座結(jié)構(gòu)成就的纖薄的金屬云朵，它的地標效應所帶來的經(jīng)濟效益遠超過它的造價。在這里，視覺化的技術(shù)表現(xiàn)成為更符合該項目特質(zhì)的權(quán)宜策略。

由此引申出一個話題，“虛的透明”這種均衡狀態(tài)固然是很多項目的追求，但是否也會形成一種所謂正確的結(jié)構(gòu)倫理？G60科創(chuàng)云廊這種特殊工況下的“High-tech”是否因為完全結(jié)構(gòu)主導而僅存物理的透明？這些問題可能超出了建筑結(jié)構(gòu)本身的范疇。最后引用結(jié)構(gòu)工程師巴爾蒙德的一句話：“對于高技派的鋼架、鋼索之類的有限建筑語匯的熱衷，或者只滿足于橫平豎直梁柱體系都是值得質(zhì)疑的。我們所探尋的結(jié)構(gòu)，既非強加的形態(tài)，亦非笨拙的骨架?！?/p>

圖片來源

圖1～3，33 來源于網(wǎng)絡(luò)；圖4～10 來源于同濟大學風之亭設(shè)計小組；圖11～13，15，20～26 來源于華東建筑設(shè)計研究總院；圖14，16～19 來源于見聞影像；圖27，29 來源于綠地集團、宋都集團；圖28，31，32，34，35 由作者自繪；圖30 來源于華建集團科創(chuàng)中心；圖36，37 來源于上海通正鋁合金結(jié)構(gòu)工程技術(shù)有限公司。