“2013建筑、結(jié)構(gòu)巔峰對(duì)話：結(jié)構(gòu)成就建筑之美”國(guó)際會(huì)議主題報(bào)告：
結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新助力建筑創(chuàng)作——范重 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)副總工程師
“對(duì)于建筑師與結(jié)構(gòu)師而言，我們各自的側(cè)重點(diǎn)是不一樣的，有的時(shí)候往往會(huì)有一定的分歧，特別是目前建筑形式的表現(xiàn)力越來(lái)越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)怎么去通過(guò)自身的提升來(lái)適應(yīng)建筑創(chuàng)作，這確實(shí)也是一個(gè)難題和挑戰(zhàn)。以我本人和我們的團(tuán)隊(duì)、中國(guó)建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)崔愷院士以及其他工程師為主、與境外建筑結(jié)構(gòu)師合作完成的一些項(xiàng)目為實(shí)例，把這些結(jié)構(gòu)上的一些想法、創(chuàng)新介紹給大家，看怎么通過(guò)結(jié)構(gòu)的變化來(lái)適應(yīng)建筑效果的改進(jìn)。”
一、用創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)建筑造型
1.晉江市品牌博覽廣場(chǎng)
總建筑面積約100,000m2，主要包括展廳、入口廣場(chǎng)、多功能廳、會(huì)議樓及附屬用房等部分。展廳主體結(jié)構(gòu)采用側(cè)向剛度較大、經(jīng)濟(jì)性好的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，展廳內(nèi)部不設(shè)柱，以滿足建筑對(duì)大空間的使用要求。大跨度屋蓋采用富有現(xiàn)代氣息的空間管桁架鋼結(jié)構(gòu)體系，截面采用自穩(wěn)定的空間菱形，跨度60～78m，但實(shí)際上桁架是4m。由于僅有一半桁架高度在人視覺(jué)范圍內(nèi)，室內(nèi)凈空較大。此外，屋面形成具有一定韻律的脊線，建筑造型大氣?？臻g桁架的桿件均為圓鋼管，鋼管之間采用直接相貫的焊接節(jié)點(diǎn)?？臻g鋼桁架支承在展廳框架柱上，桁架支座采用板式橡膠支座。通過(guò)簡(jiǎn)單改進(jìn)，雖然還是傳統(tǒng)的桁架，但是施工更方便，效果理想。
2.蘇州火車站
蘇州火車站改造工程屬原址改擴(kuò)建項(xiàng)目，地下3層，地上2層。地面以上由北站房、南站房與候車大廳組成。北站房廣廳的室內(nèi)空間非常高大，南站房結(jié)合廣場(chǎng)，為開放式的半室外空間。大跨度屋蓋平面呈工字形，南北方向最大長(zhǎng)度為352.2m，東西方向最大長(zhǎng)度為198m，屋蓋最大高度為31.855m，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)覆蓋面積達(dá)60000㎡左右。建筑方案創(chuàng)作中從蘇州園林中借景窗的造園藝術(shù)吸收靈感，用菱形表現(xiàn)站房的屋頂。屋蓋結(jié)構(gòu)采用雙向布置的空間桁架結(jié)構(gòu)；桁架截面為菱形，寬度為11m，高度為8m；為了滿足建筑造型與采光要求，菱形桁架在屋蓋短方向采用密排方式，在屋蓋長(zhǎng)方向則主要布置在柱頂位置。
60000㎡的結(jié)構(gòu)只有16根柱來(lái)支撐，原因是它采用了空間作用很強(qiáng)的聯(lián)排式、變形的空間結(jié)構(gòu)。該工程被評(píng)為蘇州的十大建筑之一。
3.鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)
鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)共有觀眾席40500座，總建筑面積為100451㎡。體育場(chǎng)固定屋蓋投影為橢圓形，長(zhǎng)軸為268m，短軸為220m。巨拱高度129m，跨度達(dá)330m，旁邊飄帶形狀建筑長(zhǎng)1000m左右，是它的附屬場(chǎng)館，包括游泳館、體育館及展廳。體育場(chǎng)帶有可開閉屋頂，其最大可開啟面積（水平投影）10076.2㎡。目前活動(dòng)屋蓋運(yùn)行情況良好，已經(jīng)成功舉辦過(guò)包括第62屆世界小姐總決賽在內(nèi)的多項(xiàng)重大活動(dòng)，以其極高的科技含量，贏得了很好的國(guó)際聲譽(yù)。
建筑創(chuàng)意中蘊(yùn)含了內(nèi)蒙古草原上弓箭、琴弦的寓意。拱并不是直立而是斜立，與南非世界杯足球賽場(chǎng)地的單拱不傾斜不一樣。這就出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)師與建筑師看法的差異，雖然從建筑效果出發(fā)有一定的傾斜度，整體的效果靈動(dòng)感會(huì)更好，但是從結(jié)構(gòu)角度來(lái)說(shuō)，兩邊的軌道不易保持平衡，難度比較大。設(shè)計(jì)中巧妙地借鑒了鋼管拱橋的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)鋼索將屋蓋大部分重力荷載傳給巨拱，結(jié)構(gòu)體系合理、新穎。巨拱采用近似懸鏈線形鋼管桁架，通過(guò)多根鋼索與屋蓋主桁架上弦節(jié)點(diǎn)相連，有效減小固定屋蓋在活動(dòng)屋蓋運(yùn)行時(shí)的變形量，桁架高度大大降低，建筑美觀，用鋼量小。
值得一提的是飄帶的部分有70m左右是很復(fù)雜不規(guī)則的平面，在此采用了一個(gè)新結(jié)構(gòu)，屋面是曲面，一般的桁架很難滿足要求，而我們?cè)陉幱安糠衷O(shè)一張弦，上面是比較薄的網(wǎng)架和折面，下面是一個(gè)拉索，上面鋼結(jié)構(gòu)不變，和底下張拉結(jié)構(gòu)形成對(duì)比，建筑師可以利用這個(gè)纖細(xì)的構(gòu)件做一些裝飾，若三角形桁架很笨重，室內(nèi)的效果和構(gòu)件力度就會(huì)很差。
4.國(guó)家網(wǎng)球館（鉆石球場(chǎng)）
國(guó)家網(wǎng)球館（鉆石球場(chǎng)）位于北京市朝陽(yáng)區(qū)奧林匹克公園北區(qū)，賽時(shí)看臺(tái)區(qū)總座席數(shù)為13598個(gè)，總建筑面積約51199㎡。國(guó)家網(wǎng)球館固定屋蓋最大直徑為140m，中間帶有可開啟的活動(dòng)屋蓋，開啟面積約為70m×60m。與建筑師密切配合，結(jié)合建筑立面效果，設(shè)置16組V形柱，使結(jié)構(gòu)的剛度大大增強(qiáng)。國(guó)家網(wǎng)球館是目前國(guó)際最先的網(wǎng)球比賽場(chǎng)館，已經(jīng)成功舉辦中國(guó)網(wǎng)球公開賽等重大國(guó)際賽事。
這個(gè)項(xiàng)目我們與建筑師配合得比較好，主要是表現(xiàn)在建筑的立面，建筑的立面是鉆石造型，設(shè)置了16組微型柱，既是建筑立面的效果也是建筑的支撐，屋頂蓋局部?jī)蓪?，周邊三層，從立面看不到屋頂，旁邊三層從整個(gè)立面來(lái)看是相當(dāng)有特色的。
5.奧運(yùn)瞭望塔
奧運(yùn)瞭望塔位于北京市奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)，主體建筑緊鄰中軸線景觀大道。建筑占地面積約為6500㎡，總建筑面積為1.8萬(wàn)㎡。瞭望塔由5個(gè)直徑與高低各不相同的單塔組成，最大高度約為248m。每個(gè)單塔均由圓柱狀塔身與頂部樹冠形的瞭望大廳與瞭望平臺(tái)組成。中間主塔直徑為14.8m，其余為7.2m與6m。建筑寓意為“生命之樹”。基座大廳最大高度為18m。
塔體之間的連接桁架是創(chuàng)新之處。由于每個(gè)單塔的高跨比很大，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與抗震要求。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向剛度，在五個(gè)單塔之間設(shè)置連接桁架，形成多連體結(jié)構(gòu)，大大提高了結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，滿足風(fēng)荷載作用下的舒適度要求，保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的安全性。連接桁架高度約3.0m，寬度約2.7m，并在主塔一側(cè)設(shè)有加腋。連接桁架同時(shí)可以作為各塔之間的聯(lián)絡(luò)通道。這種結(jié)構(gòu)我們起名叫組合塔式結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌邔影l(fā)展越來(lái)越快，建筑越來(lái)越高，發(fā)展方向不是單體，而是組合，這是一個(gè)很好的發(fā)展方向。
二、用特殊構(gòu)件增強(qiáng)建筑的表現(xiàn)力
在大型復(fù)雜公共建筑設(shè)計(jì)時(shí)，建筑師有時(shí)希望結(jié)構(gòu)外露，直接用結(jié)構(gòu)構(gòu)件表現(xiàn)建筑效果，減小額外的建筑裝飾。對(duì)構(gòu)件的截面形式與表面效果要求較高。應(yīng)考慮特殊構(gòu)件的受力性能與加工制作工藝對(duì)構(gòu)件性能的影響。
1、首都博物館新館
首博新館工程地面以上平面呈長(zhǎng)方形，長(zhǎng)144m，寬65m，建筑總高度約40m，分為北側(cè)的主展覽樓、橢圓形展覽樓、南側(cè)的管理辦公樓及東側(cè)鋼平臺(tái)等幾個(gè)部分。其中橢圓形展覽樓地面以上6層，內(nèi)筒長(zhǎng)軸29.2m，短軸21.2m，外筒長(zhǎng)軸34.0m，短軸26.0m，以10：3的斜率向北傾斜，在距±0.000標(biāo)高約10m處突出墻面，屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高39.5m。
建筑屋蓋東西方向長(zhǎng)度為168米，南北方向長(zhǎng)度為89米，其中橢圓形展覽樓從大跨度屋蓋的頂部穿出，并在與屋蓋相交處設(shè)置環(huán)形采光帶。屋蓋在建筑北側(cè)的懸挑長(zhǎng)度達(dá)21米，在其它三面的外挑長(zhǎng)度為12米。屋蓋采用單坡排水，北側(cè)高，南側(cè)低，坡度為2％，南、北挑檐上表面與下表面夾角均為12°，東、西挑檐上表面與下表面的夾角由南到北從12°連續(xù)變化到16°，挑檐端部非常尖銳。
大跨度屋蓋采用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，主桁架南北向布置，間距為8m。在大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)體系設(shè)置了長(zhǎng)軸為41m、短軸為32m的橢圓形大洞，使屋蓋結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)完全脫開，避免了屋蓋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏心。
該工程屋蓋特殊，連接很多展廳連，周邊掏洞以做展廳，北側(cè)有在當(dāng)時(shí)北京甚至是全國(guó)這都是最大的21m的懸挑。在內(nèi)部通一桁架，在次方向與垂直的方向降低該構(gòu)件，端部做一變截面的H型鋼，這兩個(gè)構(gòu)件不在同一高度，以此實(shí)現(xiàn)尖端部分的效果，尖端非常薄。在前端4m距離范圍之內(nèi)設(shè)置懸挑百葉，它可以卸掉風(fēng)負(fù)載，光線的變化也可調(diào)節(jié)陰影覆蓋，建成后通過(guò)測(cè)試調(diào)整屋蓋的平均度，達(dá)到很好的效果。
2．國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢”
北京國(guó)家體育場(chǎng)是第29屆奧運(yùn)會(huì)的主會(huì)場(chǎng)，固定座席可容納8萬(wàn)人，活動(dòng)座席可容納1.1萬(wàn)人，總建筑面積約為25.8萬(wàn)㎡。國(guó)家體育場(chǎng)屋面呈雙曲線馬鞍型，長(zhǎng)軸為332.3m，短軸為297.3m，交叉布置的主結(jié)構(gòu)與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。
迄今為止，對(duì)于薄壁箱形構(gòu)件的研究主要著重于以薄壁為特征的直梁和曲梁的性能研究，對(duì)于扭曲薄壁箱形構(gòu)件的系統(tǒng)理論研究尚未涉及。而扭曲構(gòu)件在建筑工程中的應(yīng)用也尚屬首次，國(guó)內(nèi)外目前均無(wú)相關(guān)的技術(shù)規(guī)程與工程應(yīng)用實(shí)例。此外，箱形扭曲構(gòu)件空間關(guān)系非常復(fù)雜，常規(guī)設(shè)計(jì)軟件均無(wú)法完成其幾何構(gòu)型。同時(shí)，傳統(tǒng)的制圖方式無(wú)法表達(dá)其幾何定位與板件之間的相對(duì)關(guān)系。以上均為設(shè)計(jì)中亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)。
3．奧運(yùn)演播塔（玲瓏塔）
奧運(yùn)演播塔位于奧林匹克公園中心區(qū)中部，是2008年北京第29屆奧運(yùn)會(huì)期間主要轉(zhuǎn)播現(xiàn)場(chǎng)，是一個(gè)坐標(biāo)性構(gòu)筑物。演播塔總高度為132m，總建筑面積4299㎡，地上沿高度方向共設(shè)有7層演播室。每層塔樓相隔13.5m，每個(gè)塔樓設(shè)有兩層，上層為演播室工作平臺(tái)，下層為衛(wèi)生間及設(shè)備用房。建筑平面為等邊三角形，三個(gè)角筒為垂直交通空間。 結(jié)合建筑平面，將角部的消防樓梯梁作為柱間支撐，形成巨型角筒；利用屋面斜梁作為巨型支撐，形成巨型柱＋巨型支撐。構(gòu)件大量采用異形截面，滿足建筑立面菱形體造型，方便玻璃幕墻安裝。
為了達(dá)到晶瑩剔透的效果，轉(zhuǎn)角到外墻有一個(gè)突變，我們采用很多特殊的構(gòu)件，構(gòu)件行不行誰(shuí)也沒(méi)有把握，做了有限元模型分析。最終圓滿地實(shí)現(xiàn)加工制作，值得一提的是該工程總用鋼量1000多噸，構(gòu)件尺寸都在200mm左右，很纖細(xì)，很多業(yè)內(nèi)人士說(shuō)用料太省了，簡(jiǎn)直像個(gè)大玩具，建筑外形很別致。
4、天津金融會(huì)議酒店
天津金融會(huì)議酒店為多層大跨度結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由8個(gè)結(jié)構(gòu)筒體+大跨度桁架梁與周邊的鋼管混凝土柱+H型鋼梁框架構(gòu)成。結(jié)構(gòu)筒體內(nèi)部主要作為樓電梯使用空間，是豎向承重與抗側(cè)力的主要構(gòu)件。由于筒體布置了門洞，若用鋼支撐形成框架-支撐筒體，將無(wú)法進(jìn)行門洞布置。該工程是多層大跨度結(jié)構(gòu)，有各種各樣的新的要求，該結(jié)構(gòu)完全是用造橋的概念來(lái)做的，有八個(gè)較小的核心筒，結(jié)構(gòu)太長(zhǎng)不能用混凝土，若用混凝土約束太大，故此，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了有洞口鋼板剪力墻。
三、用新技術(shù)改善建筑效果
1. 寧波國(guó)際會(huì)展中心
寧波國(guó)際會(huì)議展覽中心由由主展廳、小展廳、西展廳、東展廳、商務(wù)辦公樓和會(huì)議樓等子項(xiàng)構(gòu)成，總建筑面積約約為90,000㎡，主要用于舉辦每年一度的國(guó)際服裝節(jié)。 在主展廳兩側(cè)與南側(cè)為半室外廣場(chǎng)，覆蓋有圓柱殼形屋蓋，起到全天候條件下聯(lián)系各展廳的作用，不希望在結(jié)構(gòu)單元之間設(shè)置雙柱。 設(shè)計(jì)采用固定支座、單向滑動(dòng)與雙向滑動(dòng)支座等多種支座方式，將大跨度屋蓋支承在5棟獨(dú)立的結(jié)構(gòu)之上，達(dá)到了較好的建筑效果。
2、中關(guān)村金融中心
中關(guān)村金融中心塔樓150m高，連橋?qū)⑺桥c配樓連為一體，長(zhǎng)約140m，寬約30m，平面及空間均為弧形，造型復(fù)雜獨(dú)特，建筑師不希望在建筑一側(cè)設(shè)置雙柱。連橋由4個(gè)混凝土筒體及其支承的鋼結(jié)構(gòu)樓面及屋面組成。橋面采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)，上鋪設(shè)壓型鋼板混凝土樓面。鋼桁架最大跨度約35m，次桁架最大懸挑長(zhǎng)度約10m。連廊屋面采用空間門式剛架結(jié)構(gòu)。主桁架在主樓、副樓處支座為雙向可滑動(dòng)，設(shè)計(jì)滑動(dòng)量350mm。主桁架在筒體處支座施工階段可滑動(dòng)，使用期為固定鉸支座。
四、新型節(jié)點(diǎn)使建筑構(gòu)造更流暢
空間結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式多種多樣。螺栓球節(jié)點(diǎn)與焊接球節(jié)點(diǎn)主要適用于網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，相關(guān)焊接節(jié)點(diǎn)主要適用于管桁架結(jié)構(gòu)。隨著相交桿件數(shù)量不斷增多與桿件夾角的不規(guī)則性，鑄鋼節(jié)點(diǎn)在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也逐漸增多。構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力直接、降低制作成本，始終是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。
國(guó)家體育場(chǎng)大跨度屋蓋的24根桁架柱均由一根垂直的菱形內(nèi)柱、兩根傾斜的外柱以及內(nèi)柱與外柱之間的腹桿組成，如同垂直放置的變高度三角形空間方管桁架。桁架柱的腹桿分別位于各自主桁架的平面內(nèi)，外柱截面近似為方形，除有多根腹桿與內(nèi)、外柱相交外，還有與立面次結(jié)構(gòu)相交的情況，且構(gòu)件的角度規(guī)律性差。桁架柱的內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)，相交腹桿的數(shù)量多，角度復(fù)雜，對(duì)稱性差。內(nèi)柱與主桁架下弦之間的柱頂節(jié)點(diǎn)，最多有13根桿件交匯在一起。節(jié)點(diǎn)形式特殊，構(gòu)造復(fù)雜，在國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)中均無(wú)先例，合理進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，是保證國(guó)家體育場(chǎng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
國(guó)家網(wǎng)球館鋼筋混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)的A型節(jié)點(diǎn)共有12個(gè)，由兩根內(nèi)V柱、兩根外V柱以及一根內(nèi)斜柱組成，內(nèi)、外V柱均為鋼骨混凝土柱，內(nèi)斜柱為鋼筋混凝土柱，五根柱子在6.030標(biāo)高處匯交。在節(jié)點(diǎn)域采用帶豎向隔板與加勁肋的鋼套筒，便于與V形柱的型鋼連接，型鋼混凝土柱的鋼筋則通過(guò)與鋼套筒側(cè)壁焊接，從而避免了大量交叉鋼筋的連接、錨固問(wèn)題，有效增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，大大簡(jiǎn)化了施工難度，施工實(shí)施情況良好。
五、利用結(jié)構(gòu)表現(xiàn)特殊形態(tài)
許多功能特殊的造型是以構(gòu)筑物或雕塑的形態(tài)出現(xiàn)。此時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件更能體現(xiàn)出造型的骨骼與肌理。可以從生態(tài)的角度詮釋建筑。
1、奧運(yùn)景觀燈柱
北京奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)的中軸景觀大道旁及慶典廣場(chǎng)上。共有29根燈柱，燈柱高均為25m，上有5片或4片扇形葉子沿?zé)糁叨嚷菪仙蚋叩吐溴e(cuò)布置，主要供功能為照明、視頻信息發(fā)布、安全監(jiān)控、廣播。外形酷似北京的銀杏葉，由葉脈、葉片、葉柄、葉莖組成，平面呈傘狀布置，冠部投影直徑達(dá)12m。
結(jié)合建筑創(chuàng)意，采用變截面H型鋼作為葉脈，變截面箱形構(gòu)件作為葉柄。枝干由10根焊接箱形構(gòu)件合并而成，空腔用作管線安裝。在葉莖的上部，異形箱形構(gòu)件兩兩一組，在不同的高度向外傾斜并逐漸張開，截面高度逐漸減小，形成葉片兩側(cè)的葉柄，承托葉片的荷載。非常美觀大氣。
2. 奧運(yùn)公園下沉廣場(chǎng)——禮樂(lè)重門“鼓墻”的鋼結(jié)構(gòu)
奧林匹克公園下沉廣場(chǎng)禮樂(lè)重門，是用斜交叉的結(jié)構(gòu)，很多構(gòu)件是斷的，下沉廣場(chǎng)的幕墻等都是用結(jié)構(gòu)來(lái)表現(xiàn)造型。奧運(yùn)工程給我們提供了一些舞臺(tái)，很多構(gòu)件都可以去完善和改進(jìn)建筑的效果，這里面也做了很多嘗試，可能有些也不一定完全合適，在這條研究的道路上，我們還需更加努力。
后記:
“范總談到的五點(diǎn)不禁讓人聯(lián)想到新現(xiàn)代建筑，這五點(diǎn)當(dāng)中有一點(diǎn)比較重要，即結(jié)構(gòu)化形式，無(wú)論是鳥巢還是鈴瓏塔，都反映了建筑師與結(jié)構(gòu)師的配合越來(lái)越緊密，造橋的技藝用到建筑當(dāng)中也體現(xiàn)了學(xué)科間的穿插，正在逐步實(shí)現(xiàn)技術(shù)和藝術(shù)的完美結(jié)合，也讓看到這些成果的人收獲很多。”
——崔彤 中科院建筑設(shè)計(jì)研究院
