結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何融入建筑設(shè)計(jì)之中，一直是結(jié)構(gòu)工程師追求的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，大跨度建筑設(shè)計(jì)為追求這類設(shè)計(jì)目標(biāo)創(chuàng)造了很好的工程實(shí)踐機(jī)會(huì)。

 

 

1   建筑造型與結(jié)構(gòu)體系相結(jié)合

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新首先要求結(jié)構(gòu)要與建筑造型、建筑功能和建筑室內(nèi)效果相協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)體系選擇要根據(jù)受力性能與建筑造型相結(jié)合，創(chuàng)造出力與形完美結(jié)合的受力體系。通過三個(gè)工程案例說明在實(shí)踐中如何實(shí)現(xiàn)建筑造型與結(jié)構(gòu)體系的完美結(jié)合。

 

1.1 復(fù)旦大學(xué)正大體育館

復(fù)旦大學(xué)正大體育館[1-2]（圖1）位于復(fù)旦大學(xué)南區(qū)體育中心內(nèi)，是復(fù)旦大學(xué)百年校慶主會(huì)場，也是復(fù)旦大學(xué)建校100周年的重點(diǎn)工程。體育館的主要設(shè)計(jì)理念為“海面上冉冉升起的太陽”，意寓著日日向上的復(fù)旦精神。

 

圖1 復(fù)旦大學(xué)正大體育館建成后效果

體育館采用鋼桁架-索-拱雜交體系。屋蓋主體結(jié)構(gòu)采用脊桁架+縱向桁架，次結(jié)構(gòu)采用拉索和飛拱結(jié)構(gòu)（圖2、圖3）。屋蓋上空與水平面呈76°斜置的鋼拱跨越整個(gè)結(jié)構(gòu)，大拱跨度為100m，象征復(fù)旦大學(xué)百年歷史。

 

 

(a）主體結(jié)構(gòu)室內(nèi)效果

 

 

(b）主體結(jié)構(gòu)布置

圖2 屋蓋主體結(jié)構(gòu)

 

 

（a）屋面次結(jié)構(gòu)室內(nèi)效果

 

(b）屋面次結(jié)構(gòu)布置

圖3 屋蓋次結(jié)構(gòu)

 

結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要通過合理的布置達(dá)到受力合理的要求，體現(xiàn)力與美的結(jié)合（圖4、圖5）。

 

圖4 建筑造型與結(jié)構(gòu)體系

 

 

(a）拱的造型

 

(b）拉索與吊點(diǎn)布置

圖5 拱吊主體結(jié)構(gòu)

 

復(fù)旦大學(xué)正大體育館采用拱結(jié)構(gòu)承擔(dān)部分屋面荷載，拱截面比較纖細(xì)，滿足建筑造型的需要（圖6）。屋蓋吊索形成琴弦式扇形布置，展現(xiàn)出力與形的輕柔之美。

 

 

圖6 屋蓋結(jié)構(gòu)荷載分配

 

弧形桁架以及次鋼管拱作為膜的支架，上覆白色具有較高透光率的PTET 膜材。白天，室外光線透過玻璃纖維膜進(jìn)入室內(nèi)，整個(gè)場館被一種柔和、均勻的光線包圍，通透而又舒適；夜晚，室內(nèi)的燈光透過屋頂漫射在夜空中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去像一個(gè)冉冉升起的太陽（圖7）。

 

(a）白天室內(nèi)效果

 

 

(b）夜晚室外效果

圖7 復(fù)旦大學(xué)正大體育館建筑白天與夜晚效果

 

1.2 上海東方體育中心室外跳水池

上海東方體育中心[1-2]（圖8）位于上海黃浦江畔，浦東三林地塊內(nèi)。體育中心包括主體育館、游泳館和室外跳水池，是2011年第14 屆國際泳聯(lián)世界錦標(biāo)賽的核心比賽場館。室外跳水池坐落于人工湖中的島上，包含一個(gè)50m×25m的標(biāo)準(zhǔn)比賽池和一個(gè)30m×25m的跳水池，其造型呈半月形，取名為“月亮灣”。

 

(a）外觀效果

 

 

(b）室內(nèi)效果

圖8 上海東方體育中心建筑效果

 

室外跳水池屋蓋為懸挑型挑篷，由18榀懸臂鋼桁架（圖9）組成，其平面投影由外側(cè)圓環(huán)和內(nèi)側(cè)偏心的橢圓環(huán)構(gòu)成。

 

圖9 單榀桁架結(jié)構(gòu)

 

18 榀形狀相似的懸臂鋼桁架沿著斜置的橢圓環(huán)排列，每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的構(gòu)思都來源于海上雄偉壯觀的帆船（圖10）。

 

(a）整體結(jié)構(gòu)布置

 

(b）單榀桁架間支撐和環(huán)梁布置

圖10 整體結(jié)構(gòu)

 

1.3 長沙國際會(huì)展中心

長沙國際會(huì)展中心[3]（圖11）位于城市南部綜合發(fā)展帶上，包括南北登錄廳、展館、連廊、室外展場四個(gè)部分，總建筑面積約445100m2。室內(nèi)展覽面積為177500m2，室外展覽面積85000m2。相鄰兩個(gè)展廳組成屋蓋結(jié)構(gòu)相連的整體，其平面投影為207m×162m，屋蓋結(jié)構(gòu)最大跨度81m，屋蓋結(jié)構(gòu)高度為18.9~32.1m。

 

 

 

圖11 長沙國際會(huì)展中心

 

（1）結(jié)構(gòu)體系

屋面曲線垂跨比僅1/38，屋蓋結(jié)構(gòu)跨度81m。屋蓋結(jié)構(gòu)體系選擇張弦梁結(jié)構(gòu)，主梁貼合屋蓋造型布置，彌補(bǔ)了下凹形態(tài)導(dǎo)致的剛度不足的缺點(diǎn)，又滿足通透的觀感要求，無需吊頂（圖12、圖13）。

 

圖12 設(shè)計(jì)理念

 

 

圖13 展廳結(jié)構(gòu)軸測圖

 

張弦梁拉索垂跨比為1/9.5，與主梁弧度相協(xié)調(diào)，形成韻律的水波，結(jié)構(gòu)受力與建筑美學(xué)相平衡（圖14、圖15）。

 

 

圖14 展廳結(jié)構(gòu)立面圖

 

 

圖15 單榀張弦梁軸測圖

（2）下凹形張弦梁平面外穩(wěn)定性

下凹形的展廳屋蓋張弦梁結(jié)構(gòu)易發(fā)生平面外穩(wěn)定性，采用以下措施防止其失穩(wěn)：

1）垂直張弦梁方向的次梁密布且與張弦梁主梁剛接連接，以保證屋蓋結(jié)構(gòu)具有足夠的整體抗彎剛度。

2）撐桿突破性地采用H型鋼，與主梁采用雙板鉸節(jié)點(diǎn)連接，在張弦梁平面內(nèi)可轉(zhuǎn)動(dòng)，面外具有足夠的抗彎剛度，滿足下凹型張弦梁施工張拉和面外穩(wěn)定性需求。

3）附加穩(wěn)定措施：設(shè)計(jì)中在較高的撐桿兩側(cè)設(shè)置隅撐，提高安全冗余度（圖16）。

 

 

 

 

圖16 保證張弦梁面外穩(wěn)定性措施

 

巨型且優(yōu)雅的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了通透簡潔的巨型空間，優(yōu)雅有力而富有韻律感的結(jié)構(gòu)線條彰顯建筑的美與力量感。同組展廳僅以間距18m的魚腹梁相連。

山墻立面柱主要抵抗風(fēng)荷載，以均勻開設(shè)圓角矩形孔的H型鋼作為構(gòu)件截面。張弦梁撐桿H型鋼截面高度較大，截面抗壓承載力富裕度較高，在H型鋼腹板上開圓角矩形孔，與山墻立面柱相互呼應(yīng)（圖17）。

 

 

 

圖17長沙國際會(huì)展中心建成后效果

 

2   建筑空間與結(jié)構(gòu)布置相協(xié)調(diào)

 

2.1 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館

同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館[1]（圖18）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)相融合，其構(gòu)件層面和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在表達(dá)建筑師理念上具有突出的亮點(diǎn)。該體育館采用單曲面的建筑造型，跨度為縱向76.5m，橫向60m，包括有看臺的體育館和游泳館（圖19）。

 

圖18 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館

 

 

圖19 體育館內(nèi)部空間

 

體育館采用張弦梁結(jié)構(gòu)體系，完美貼合建筑形象，創(chuàng)造了令人滿意的內(nèi)部建筑空間。游泳館采用了可開合的張弦梁體系（圖20），在滿足建筑功能的同時(shí)，開合屋蓋可以保證結(jié)構(gòu)綠色環(huán)保，節(jié)省運(yùn)營成本。

 

 

圖20 游泳館開合屋蓋

 

在構(gòu)件層面，體育館引入導(dǎo)光管的設(shè)計(jì)（圖21、圖22），將自然光引入室內(nèi)，節(jié)約能源，綠色環(huán)保。對張弦梁腹桿和導(dǎo)光管進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，將導(dǎo)光管放在撐桿內(nèi)部，避免導(dǎo)光管占有建筑空間，創(chuàng)造了滿天星的建筑藝術(shù)表達(dá)。

 

圖21 屋面導(dǎo)光管傍晚效果

 

 

圖22 撐桿與導(dǎo)光管的一體化設(shè)計(jì)

 

游泳館的滑動(dòng)屋蓋（圖23）采用了屋面立面一體化設(shè)計(jì)。將單層網(wǎng)格屋面和立面結(jié)構(gòu)結(jié)合的設(shè)計(jì)可以將屋蓋的軌道設(shè)置于地面，進(jìn)而減少屋蓋滑動(dòng)對整體結(jié)構(gòu)的影響，滿足建筑功能的需求。

 

（a）游泳館內(nèi)部效果

 

 

（b）滑動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)

圖23 游泳館屋面立面一體化設(shè)計(jì)

 

在節(jié)點(diǎn)層面，游泳館開合屋蓋的張弦梁撐桿與上弦采用了圓滑過渡（圖24），造型簡潔美觀。撐桿底部索夾節(jié)點(diǎn)采用了一體化設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)精細(xì)美觀。

 

 

圖24 游泳館張弦梁細(xì)部節(jié)點(diǎn)

 

對體育館張弦梁下部索夾節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)（圖25），將拉索布置在撐桿兩側(cè)，避免了結(jié)構(gòu)對導(dǎo)光管的影響。在施工張拉時(shí)，索夾節(jié)點(diǎn)可以允許拉索滑動(dòng)，張拉施工完成后鎖緊，避免了施工張拉過程中在撐桿上端產(chǎn)生較大的彎矩。

 

 

 

 

圖25 體育館腹桿拉索節(jié)點(diǎn)精細(xì)化設(shè)計(jì)

 

2.2 濟(jì)寧游泳館

濟(jì)寧游泳館（圖26）地上4層，地下1層，結(jié)構(gòu)總高度為23m。屋蓋主體呈現(xiàn)連續(xù)折板形態(tài)，以縱向中軸對稱。屋蓋縱向長度195m，橫向最大寬度102m。

 

 

 

圖26 濟(jì)寧游泳館建成效果

 

側(cè)部六邊形蜂窩立面采用方鋼管網(wǎng)格結(jié)構(gòu)下包至室外地面（圖27），承受豎向及水平荷載，并與屋蓋主結(jié)構(gòu)連為整體，使建筑造型直接表現(xiàn)于結(jié)構(gòu)形式。

 

 

 

圖27 結(jié)構(gòu)整體模型

 

濟(jì)寧游泳館屋蓋結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)在于采用“上部主梁分叉形、下部拉索分叉形”的雙Y形張弦梁作為中央屋蓋的布置方案。此方案在合理控制跨中撓度的前提下，有效減少了用鋼量；且自重和拉索預(yù)應(yīng)力下的反拱值較為合理（圖28、圖29）。

 

 

 

 

圖28 結(jié)構(gòu)構(gòu)思草圖

 

 

 

 

（a）平面布置

 

 

 

（b）立面剛架效果

圖29 結(jié)構(gòu)模型

此外，游泳館墻面蜂窩剛架結(jié)構(gòu)（圖30）在滿足建筑造型的同時(shí)，也為屋面張弦梁的延伸段提供了立面支撐，改善了結(jié)構(gòu)剛度，增強(qiáng)了自身的面外穩(wěn)定性，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)完美契合。

 

 

 

（a）外部效果

 

 

 

（b）內(nèi)部效果

圖30 蜂窩剛架效果

 

2.3 重慶西站

重慶西站（圖31）是中國西南地區(qū)規(guī)模最大的鐵路客運(yùn)交通樞紐，位于沙坪壩區(qū)與九龍坡區(qū)之間，以鐵路為主，集長途汽車、公交、軌道交通等多種交通方式于一體，是重慶市規(guī)劃的“三主兩輔”客運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)中的一主。

 

 

 

圖31 重慶西站建成后整體效果圖

 

站房東立面采用全國車站中最大跨度組合拱支撐結(jié)構(gòu)體系。下拱受力跨度為108m、上拱受力跨度為192m，組合拱結(jié)構(gòu)將屋面承重結(jié)構(gòu)與立面幕墻結(jié)構(gòu)完美組合起來，從而成就了車站主入口處無柱的大氣通透開敞空間（圖32）。

 

（a）主拱結(jié)構(gòu)

 

 

（b）建筑完成后的主拱

圖32 重慶西站主拱結(jié)構(gòu)體系

 

入口大廳幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)構(gòu)和建筑達(dá)到了完美結(jié)合，精彩展現(xiàn)了“重慶之眼”（圖33）。

 

圖33 “重慶之眼”效果

 

設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地提出“采用無站臺柱清水混凝土雨棚的設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐”方案（圖34），即以重慶西站雨棚為試點(diǎn)在國內(nèi)大型鐵路站房中首次采用現(xiàn)澆純清水混凝土雨棚設(shè)計(jì)方案。

 

 

 

 

 

圖34 清水混凝土站臺

 

3 數(shù)字化新技術(shù)的引入

 

隨著大跨建筑造型越來越復(fù)雜，將數(shù)字化技術(shù)引入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)提升了建筑與結(jié)構(gòu)的融合度。

3.1 上海交響樂團(tuán)

上海交響樂團(tuán)（圖35）屋面為異形的清水混凝土薄殼結(jié)構(gòu)（圖36）。為了找到結(jié)構(gòu)受力最合理的形式，采用數(shù)字化技術(shù)，通過多次循環(huán)找出最終屋蓋形態(tài)（圖37）。

 

 

圖35 上海交響樂團(tuán)建筑效果

 

 

圖36 屋蓋形態(tài)

 

 

 

圖37 找形過程

 

3.2 滇池水上樂園

滇池水上樂園（圖38）為一個(gè)跨度200m的殼體結(jié)構(gòu)，建筑造型和結(jié)構(gòu)體系（圖39）在方案階段受到的約束較少，設(shè)計(jì)比較自由。

 

 

 

圖38 滇池水上樂園建筑方案

 

 

 

（a）平面尺寸

 

（a）立面尺寸

圖39 結(jié)構(gòu)尺寸

 

在本項(xiàng)目數(shù)字化新技術(shù)應(yīng)用到了極致，結(jié)構(gòu)在滿足建筑造型和建筑空間的前提下，進(jìn)行了各種方案的比選（圖40~42）。

 

 

  

圖40 結(jié)構(gòu)方案 

 

 

 

 圖41 結(jié)構(gòu)找形過程

 

 

 

圖42 最終方案三維模型

 

 

4   結(jié)論與展望

 

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新不僅應(yīng)建立在對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系和材料特性有深刻理解的基礎(chǔ)上，還應(yīng)從解決工程實(shí)際問題出發(fā)；其次要切實(shí)掌握創(chuàng)新設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)中的權(quán)重，并讓這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)為各方所接受，最后要不斷提高自身建筑修養(yǎng)，并讓結(jié)構(gòu)創(chuàng)新之美與建筑之美和諧統(tǒng)一，以達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理想境界。

本文刊登于《建筑結(jié)構(gòu)》2019年第19期，題為《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新與實(shí)踐》，作者：丁潔民、張?jiān)聫?qiáng)、張崢，單位：同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司。敬請查閱！