黃昱銘，曹 雨，楊子涵，趙方曉，楊雨鑫，楊 定，劉金員，徐宗偉

（1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072）

隨著經(jīng)濟與技術(shù)的發(fā)展以及城市用地的減少，人類不能只在水平方向上進行拓寬，更需要在垂直方向中求取發(fā)展空間。因此，高層建筑的發(fā)展是一種必然，同時高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是建筑師關(guān)注的熱點之一。在結(jié)構(gòu)發(fā)展與創(chuàng)新的過程中，可以將TRIZ理論應(yīng)用于其中，以便指導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向與解決發(fā)展過程中產(chǎn)生的矛盾。本文首先介紹了TRIZ理論與高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀，并運用TRIZ理論對現(xiàn)有的部分高層建筑結(jié)構(gòu)的改進創(chuàng)新進行分析，得出了相關(guān)結(jié)論與評價，最終又通過TRIZ理論對高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，希望以此能夠解決現(xiàn)有轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中的矛盾。

1 TRIZ原理的發(fā)展概述

TRIZ理論從產(chǎn)生到發(fā)展至今，共經(jīng)歷了3個階段：①創(chuàng)立階段。蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒通過對世界各國250多萬件專利的分析研究，創(chuàng)造了40個發(fā)明原理與39個通用工程參數(shù)等可遵循的科學(xué)理論。②傳播階段。蘇聯(lián)解體后，大量的科學(xué)家移民到了美國、歐洲、亞洲，創(chuàng)辦了一系列的公司，開發(fā)基于TRIZ理論的軟件系統(tǒng)，并為一些公司提供咨詢服務(wù)。③應(yīng)用階段。從2005年開始更多世界知名大公司開始引入TRIZ理論，并開始在內(nèi)部推廣，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，TRIZ已進入成熟期。

TRIZ理論具有很強的實踐性，可廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，用TRIZ解決問題，首先要把問題轉(zhuǎn)換為問題的模型，然后從TRIZ解決問題的工具中找到解決問題的有效方法。TRIZ理論在解決技術(shù)矛盾時主要使用矛盾矩陣工具。

TRIZ研究的沖突是工程矛盾中的技術(shù)矛盾和物理矛盾。技術(shù)矛盾一般表現(xiàn)為以下3種：①在一個子系統(tǒng)中引入了某種有用功能導(dǎo)致某種有害功能的產(chǎn)生或增強；②某種有害功能削弱了另一子系統(tǒng)的有用功能；③有用功能的增強或有害功能的削弱導(dǎo)致另一子系統(tǒng)或系統(tǒng)變得復(fù)雜。將矛盾雙方的性能用39個通用工程參數(shù)表示后，運用矛盾矩陣找到對應(yīng)的發(fā)明原理可以解決技術(shù)矛盾。

物理矛盾是對同一個對象的某個特性提出了互斥的要求[1]。對此，物理矛盾一般是通過分離原理獲得解決方案。分離原理有11種，現(xiàn)代TRIZ將其總結(jié)為4種分離方法：空間分離、時間分離、條件分離和系統(tǒng)級別上的分離。

TRIZ有助于思考方案，尋找和創(chuàng)建能夠滿足既定需要的系統(tǒng)。在這過程中，遇到的一切技術(shù)矛盾與物理矛盾都可以從40個發(fā)明原理中找到答案。發(fā)明原理構(gòu)成了一個簡單的清單，從中可以得到基于不同情形和時間的解決方案，幫助創(chuàng)建所需要的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)也可以運用于指導(dǎo)建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。

2 中國高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

中國高層建筑結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)時間遠早于現(xiàn)代高層建筑。例如，堪稱世界木結(jié)構(gòu)奇跡的木塔，位于山西應(yīng)縣，建造于公元1056年。該建筑采用木結(jié)構(gòu)，67 m，9層[2]。當(dāng)然，這個時期的中國高層建筑并不是被世界所承認(rèn)的。對于現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)而言，其經(jīng)歷了從框架結(jié)構(gòu)→剪力墻結(jié)構(gòu)→框架-剪力墻結(jié)構(gòu)→筒體結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。目前，高層建筑有“輕、轉(zhuǎn)、強、超、巨、異”6個發(fā)展方向。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展方向“轉(zhuǎn)”中創(chuàng)新思維與方法的運用

受人們對建筑功能需求的影響，現(xiàn)代高層建筑傾向于功能多樣化、用途綜合化。在同一座建筑中，上部樓層往往布置成小開間旅館、住宅；中部樓層需中等大小空間作為辦公用房；下部樓層需盡可能大的室內(nèi)空間來作商店、餐館和文化娛樂設(shè)施。這種不同用途的樓層需要大小不同的結(jié)構(gòu)形式，上部常采用較多墻體的剪力墻結(jié)構(gòu)，中部采用部分柱、部分剪力墻結(jié)構(gòu)，而下部常采用大柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)[3]。這種布置使建筑上部剛度大、下部剛度小，并不符合高層建筑結(jié)構(gòu)的合理布置。

3.1 建筑功能需求引起的第一個技術(shù)矛盾的產(chǎn)生

在滿足高層建筑功能需求的同時，需要保證建筑的穩(wěn)定性，即保證上部小開間、下部大空間的建筑結(jié)構(gòu)布置，這樣就產(chǎn)生了技術(shù)矛盾。將矛盾雙方的性能轉(zhuǎn)化為通用工程參數(shù)，即改善參數(shù)為11應(yīng)力或壓力（結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換處的受力），惡化參數(shù)為13結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。查詢矛盾矩陣得到4個發(fā)明原理：35物理或化學(xué)參數(shù)改變原理、33同質(zhì)性原理、02抽取原理、40復(fù)合材料原理。

基于TRIZ理論生成的解決該技術(shù)矛盾的流程設(shè)計圖如圖1所示，它包含了運用矛盾矩陣工具和結(jié)合發(fā)明原理的分析過程。

圖1 解決技術(shù)矛盾I流程設(shè)計圖

對于02抽取原理，即從物體中抽出必要的或產(chǎn)生負(fù)面影響（即干擾）的部分或?qū)傩?，分析后可以得出解決方法：抽取必要的承重屬性，在高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、剛度突變的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力模型示意圖如圖2所示。

圖2 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)受力模型圖

加設(shè)轉(zhuǎn)換層，將樓層上下部結(jié)構(gòu)形式進行轉(zhuǎn)換，即可為底部提供大空間，形成一個很好的解決方案，此即高層建筑“轉(zhuǎn)”的發(fā)展方向。如香港新鴻基中心，51層，總高度為178.6 m，筒中筒結(jié)構(gòu)體系。1—4層為大空間商業(yè)用房，5層以上為辦公樓。外框筒柱距為2.4 m，為解決底層大柱網(wǎng)入口處上、下不同結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)軸線的轉(zhuǎn)換，采用截面尺寸為2.0 m×5.5 m的預(yù)應(yīng)力混凝土大梁，進而將下層柱距擴大為16.8 m和12 m[4]。

3.2 加設(shè)轉(zhuǎn)換層的大梁引起的第二個技術(shù)矛盾的產(chǎn)生

轉(zhuǎn)換層常使用高而大的梁以保證轉(zhuǎn)換層的強度和剛度足夠。該梁截面尺寸大，影響該層的使用空間，而且自重大，耗費材料多，造價昂貴。在保證轉(zhuǎn)換層強度的同時，需要減輕轉(zhuǎn)換層大梁的自重，減小轉(zhuǎn)換層大梁的體積，從而留出更多使用空間，由此產(chǎn)生了新的技術(shù)矛盾。

將矛盾雙方的性能轉(zhuǎn)化為通用工程參數(shù)，即改善參數(shù)為14強度，惡化參數(shù)為2靜止物體的質(zhì)量與8靜止物體的體積。查詢矛盾矩陣，由參數(shù)14和2找到TRIZ推薦的4個發(fā)明原理：40復(fù)合材料原理、26復(fù)制原理、27廉價替代品原理、01分割原理。查詢矛盾矩陣，由參數(shù)14和8找到TRIZ推薦的4個發(fā)明原理：09預(yù)先反作用原理、14曲率增加原理、17空間維數(shù)變化原理、15動態(tài)特性原理。

基于TRIZ理論生成的解決該技術(shù)矛盾的流程設(shè)計圖如圖3所示，它包含了運用矛盾矩陣工具和結(jié)合發(fā)明原理的分析過程。

圖3 解決技術(shù)矛盾II流程設(shè)計圖

01分割原理在于把一個物體分割成相互獨立的，或容易組裝和拆卸的部分。17空間維數(shù)變化原理在于將一維線性運動的物體變?yōu)槎S平面運動或三維空間運動，單層排列的物體變?yōu)槎鄬优帕?，利用給定表面的反面，將物體傾斜或斜向放置。

基于上述發(fā)明原理分析，根據(jù)01分割原理，在構(gòu)成上將轉(zhuǎn)換層大梁分割為上下弦桿與腹桿等互相連接的直桿，在受力上將其分割為一個個堅固的三角形區(qū)格；再依據(jù)17空間維數(shù)變化原理，將三角形區(qū)格集合成平面或空間結(jié)構(gòu)單元，即桁架。由多個單層桁架（空腹桁架、混合空腹桁架等）迭合組成的結(jié)構(gòu)稱為“迭層桁架結(jié)構(gòu)”[5]。由此將轉(zhuǎn)換層大梁變?yōu)樽灾嘏c體積更小的迭層桁架形式，形成一個很好的解決方案。此外，轉(zhuǎn)換層可以采用桁架、箱型結(jié)構(gòu)、空腹桁架、托梁、雙向梁、厚梁厚板、傳力墻、間接的拱作用、有交叉端的柱和傳力拱等形式。如吳江農(nóng)村商業(yè)銀行泰州管理總部，采用跨越4～6層共2層層高的疊層桁架在建筑底部形成跨度25.2 m的轉(zhuǎn)換構(gòu)件[6]。上海裕年國際商務(wù)大廈在轉(zhuǎn)換的樓層（層4、5）設(shè)置跨度為4.6 m、高度為（3.9 m＋3.9 m）的預(yù)應(yīng)力混凝土疊層轉(zhuǎn)換桁架[7]。

4 TRIZ理論對于新型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的猜想

第三節(jié)所述的鋼結(jié)構(gòu)的桁架體系轉(zhuǎn)換層盡管形成了一個很好的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)方案，但仍存在耗鋼多、未能材盡其用的問題，因此本文基于TRIZ理論提出了一種對于新型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以期解決問題。

將矛盾雙方的性能轉(zhuǎn)化為通用工程參數(shù)，即改善參數(shù)為2靜止物體的質(zhì)量，惡化參數(shù)為12形狀與13結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。查詢矛盾矩陣，由參數(shù)2和12找到TRIZ推薦的4個發(fā)明原理：13反向作用原理、10預(yù)先作用原理、29氣動與液壓結(jié)構(gòu)原理、14曲率增加原理。由參數(shù)2和13又找到TRIZ推薦的4個發(fā)明原理：26復(fù)制原理、39惰性環(huán)境原理、01分割原理、40復(fù)合材料原理。

01分割原理在于把一個物體分割成相互獨立的，或容易組裝和拆卸的部分。14曲率增加原理在于由直線、平面向曲線、球面化方向或功能轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)充分利用提高效率。

基于上述發(fā)明原理分析，根據(jù)01分割原理，將桁架轉(zhuǎn)換層分割成單個桁架梁，再將桁架梁重新分割成基本單元三角形區(qū)格；根據(jù)14曲率增加原理，將直線型的桁架轉(zhuǎn)化為以鋼構(gòu)件為基本單元分段組成的拱形鋼桁架，將桁架轉(zhuǎn)換層由平面轉(zhuǎn)化為跨層的曲面網(wǎng)格狀拱形桁架網(wǎng)，并與拱形桁架單體在樓板的截面處埋入連接鋼管網(wǎng)以形成空間剛體，利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

將轉(zhuǎn)換層由桁架體系變?yōu)楣靶舞旒芫W(wǎng)，將向量作用結(jié)構(gòu)體系改為形態(tài)作用結(jié)構(gòu)體系，拱形桁架使得轉(zhuǎn)換層梁上相當(dāng)部分垂直荷載的傳力方向發(fā)生改變，保證承受荷載，同時該形態(tài)又節(jié)省了鋼材，故將其作為一種新型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計提出。該創(chuàng)新設(shè)計對應(yīng)的示意圖如圖4和圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)換層拱形桁架結(jié)構(gòu)猜想的軸測示意圖

圖5 轉(zhuǎn)換層拱形桁架結(jié)構(gòu)猜想的剖透視示意圖

5 結(jié)語

本文基于TRIZ理論的有關(guān)內(nèi)容對高層建筑結(jié)構(gòu)已有的創(chuàng)新內(nèi)容進行了分析與檢驗，通過對2項已有的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新成果的分析，驗證了將TRIZ理論應(yīng)用于指導(dǎo)高層建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的可行性。在參照了國內(nèi)各地相關(guān)建設(shè)案例過后，又基于TRIZ理論中的矛盾矩陣與發(fā)明原理的相關(guān)內(nèi)容，針對現(xiàn)有轉(zhuǎn)換層桁架結(jié)構(gòu)的局限性提出了創(chuàng)新設(shè)計——嘗試將路橋工程中的拱結(jié)構(gòu)作為高層建筑一種新型的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來替代現(xiàn)有的一般轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，從而減少建設(shè)用材。但該設(shè)計尚處于概念階段，并未更進一步地從工程建設(shè)的層面論證其合理性和可行性，希望在未來能夠?qū)Υ藛栴}進行進一步的探究，為中國建筑工程建設(shè)提供一種全新的解決思路。