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    現代風格建筑的結構實現:輕與薄

    現代風格建筑的結構實現:輕與薄

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    概述


    “現代主義”是起源于上世紀初的建筑思潮,其邏輯起點在于“回歸建筑的本質”。拋棄原有古典時代的矯揉造作,迎接機器時代所帶來的材料和構造驚喜,這種理念從歐洲到美國,成為了現代建筑的標簽。戰后,美國建筑師將international style由“主義”變成了“形式”,表現給大眾的視覺感受,就是由材料和構造邏輯得出的“輕與薄”,“比起維特魯威時代的比例,建筑應當更像一個機器,輕巧而又符合高強材料獨有的邏輯,這不僅僅是清教徒的狂歡,更是一種思想的升華”。


    建筑評論家常將這種思想的極致,稱為“高技派”。以諾曼.福斯特先生的作品為例,建筑首先需要是一門技術。眾所周知,福斯特熱衷于飛機的駕駛,其建筑也常常朝著“機械”的方向進發。類似福斯特先生的風格,該類“高技派”“現代建筑”,對結構構件尺寸、懸挑的距離等有極致的要求,更輕、更薄的效果才能反應其建筑本質的邏輯。在這種建筑類型中,建筑絕不是建筑師一個人的獨角戲,結構工程師所承擔的作用,其實是從技術本身,影響建筑的表達和空間的構成,兩者甚至不是簡單的平行關系,完全可以說是難分彼此。


    結構工程師是建筑師天生的技術伙伴,結構的合理是建筑美觀的核心邏輯。表達建筑的輕盈和堅固,是在新材料背景當中,結構師表達建筑思想的必經之路。


    需要注意的是,鋼作為建筑材料,從主體結構到裝飾,是有原生“合理性”的。因為現代建筑的出現,就是伴隨著機器時代的出現?,F代建筑之父柯布西耶先生更是直接采用了“機器”,來比喻建筑所需要的“精確性”。隨著中國鋼結構防火規范的完善,鋼作為一種輕質高強的材料,在表現力方面,比混凝土更具有優勢,尤其是那些需要暴露結構的建筑。上海都市建筑設計有限公司鋼結構所專門從事復雜鋼結構專業施工圖設計,本文以近年來參與設計的幾個項目為例,簡要闡述結構工程師是如何助力建筑師完成輕與薄的要求的。


    案例


    1、日播活動中心


    日播活動中心是日播時尚集團股份有限公司位于上海市松江廠區內的一個現代風格建筑,主要用于時裝發布、員工活動等。


    該項目完成后的效果如圖 1~圖 3所示。在設計過程中我們與建筑師不斷討論,在以下幾個方面對結構進行了特別設計。


    1、無柱懸浮設計


    建筑師希望盡量少的立柱,使建筑看起來像懸浮在空中一樣。我們僅在建筑底部設置了兩個V型撐(圖 2),除此之外,再無立柱。V型撐兩端鉸接,僅承受軸向力,直徑僅140mm,非常輕巧。


    2、創新板桁架解決方案


    建筑師希望結構完成面很薄。該結構存在諸多的懸挑,且支點極少,采用混凝土樓面不是理想解決方案,我們針對該項目進行了專項結構研究。

    如何使樓面厚度盡量小,還能雙向懸挑?一般用于鋼結構的樓板均為單向板結構,無法實現雙向懸挑。而且鋼結構建筑中樓板一般布置在鋼梁之上,建筑完成面的厚度實際上為如下幾項之和:


    • 建筑面層

    • 樓板

    • 鋼梁

    • 底部吊頂


    按照這個方式做下來的樓面完成面厚度需要550mm,這會使建筑顯得相當笨拙,無法體現建筑師所需的“懸浮效果”


    我們認為只有將樓板和鋼梁合二為一,直接采用雙向板式結構才能達到建筑師希望的厚度。鑒于此我們設計了一種鋼結構的雙向板結構——板桁架,并為此申請了國家發明專利。


    圖片

    ▲圖 1日播活動中心-1


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    ▲圖 2日播活動中心-2


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    ▲圖 3日播活動中心-3 (室內)


    該種結構的做法來源于雙向傳力性能卓越的網架結構,其斷面形式如圖 4所示:上下弦采用了鋼板作為受力結構,在上下弦鋼板之間布置圓鋼管斜腹桿,形成組合網架的受力形式。此做法的好處是顯而易見的:


    • 結構與建筑同厚度,大幅增加截面慣性矩,甚至達到數倍。


    • 兩側鋼板既是受力結構又充當圍護系統,建筑總造價不升反降。


    • 由于鋼板良好的焊接性能,打磨光滑后表面可以做到無縫效果,這是其它裝飾材料如鋁板幕墻所不能比擬的。


    • 設備管線可以走空腔,板底板頂簡潔干凈。


    圖片

    圖 4板桁架剖面示意


    采用板桁架最終設計完成的樓板完成面厚度為300mm,效果出眾。板桁架后來又被運用于其它項目中。


    3、室內無柱設計


    為了做到室內無柱,我們采用了幕墻龍骨與結構立柱合二為一的設計方法。這樣一來,除了幕墻龍骨室內再無立柱,建筑效果干凈純粹(圖 3)。


    2、理想國藝術文化中心


    普羅旺世理想國藝術文化中心位于河南省中牟縣,是普羅中國地產公司為附近居民提供文化生活場所的配套建筑,項目建成效果如圖 5所示,是典型的現代主義風格建筑。


    該項目的建筑方案設計方為上海建言建筑設計事務所,施工圖設計方為河南省某大型設計院。本地設計院在進行施工圖設計時,提出的結構尺寸無法滿足建筑方案創作方的諸多要求。方案設計師Paul老師(同時是哈佛大學教授)認為如果構件尺寸控制不住,整個項目的效果將大打折扣。


    上海建言希望我參與本項目的結構設計優化工作,希望可以解決結構尺寸的相關問題。


    該項目中的圖書館是一棟3層建筑,建成效果如圖 5所示。該建筑二層一側懸挑超過14m(其中一個方向12m,另一個方向6m),此懸挑從建筑設計上是項目的亮點,但從結構設計上是項目的難點。本地設計院提供的鋼梁截面尺寸在1.2m高度左右,而建筑師則希望鋼梁高度控制在0.8m左右,使得懸挑部分不至于過于厚重。


    圖 5強烈現代風格的理想國藝術文化中心


    由于建筑師不希望出現斜拉桿,對于雙向超大懸挑結構,使其形成空間空腹桁架效應是一個有效的方法。本地設計院在設計的時候忽略了施工過程對結構變形的影響,導致計算撓度過大。我們對施工過程進行了復合設計思路的控制,通過形成整體后的空間效應,大幅降低了結構豎向位移。由于建筑師的需求是,結構看上去越輕巧越好,因此我們進行了多維度的結構優化,包括:


    1、加強整體受力的“空腹桁架”效應


    我們分析了本地設計院的結構方案,發現他們之前受到“懸挑梁”概念的影響,設計方案是梁截面很大,但柱子截面很小。然而對于“空腹桁架”而言,很顯然光增加懸挑梁的剛度,過小的立柱無法提供足夠的剪切剛度,也就無法發揮“空腹桁架”效應。因此我們優化了立柱截面,使其具備一定的剪切剛度。


    2、降低使用恒載


    荷載是結構撓度產生的外部因素,降低荷載就可以減小結構撓度。我們取消了二層的混凝土樓面,改用花紋鋼板+二次找平的方式來降低樓面恒載。方案調整后,結構自重降低了60%。


    3、對結構進行起拱


    結構的撓度主要影響結構的觀感和使用舒適性。撓度的產生主要基于恒載和活荷載。而恒載產生的撓度在使用階段是基本不變化的,故在結構施工階段提前對結構進行預起拱,可以有效地提升結構的觀感。預起拱的數值一般與恒載+1/2活荷載導致的撓度相當。


    4、優化構件截面類型


    本地設計院設計的梁和柱均采用了H型截面。然而如前所述,圖書館在兩個正交方向均有較大的懸挑(圖 6),這樣對于空腹桁架而言,兩個方向均需要較大的剛度。因此我們將立柱(空腹桁架的腹桿)改成了矩形管截面,使結構形成空間“空腹網架”效應,而不僅僅是平面“空腹桁架”。


    通過以上幾個方面的優化,最終我們將鋼梁截面控制在700高度,達到了建筑師希望的效果,“現代感”也油然而生。


    另外我們對圖書館結構進行了其它幾點優化:


    5、優化節點


    之前的梁柱節點采用了梁貫通、柱斷開的連接方式。這種連接方式雖然能保證“空腹桁架”的弦桿貫通,但實際上矩形管腹桿與H型弦桿連接,節點構造無法保證節點傳力和節點剛度。因此,我們提出了采用腹桿貫通、弦桿打斷的方式來設計節點,并同時對節點區域弦桿的上下腹板進行了貼板加強處理(類似于抗震構造),其節點與框架結構中的梁柱節點一致。雖然這種做法一般不用于桁架結構中,但其做法簡單,力學性能可以得到保證。


    ▲圖 6圖書館(即將完工)


    6、優化材性


    對于此類大懸挑結構,一般為剛度控制,而截面強度均能滿足規范要求,該項目的計算結果也表明了這一點。本地設計院采用了Q345B的材性,我們提出可以采用Q235B材性。這樣做的好處是,在不降低結構安全度的情況下,降低了材料采購價格,且使得型鋼截面的采購變得更加方便。


    7、震動控制


    對于剛度起控制作用的結構,我們需要注意其震動舒適度。計算表明該結構的豎向自振頻率約為3.0赫茲,剛好滿足規范要求。于是我們提出了適當加厚花紋鋼板厚度,且增強其與鋼梁上翼緣的焊接連接做法,用于提升結構剛度。同時,我們保留了增加TMD震動調諧器的空間,如后期使用階段結構震動較大,可以增加TMD對結構進行振動控制。實際使用過程中該結構具備舒適的震動特性,故并未加裝振動控制設備。


    該項目完工后,建筑尺度和使用感受均非常好。


    3、上海國際會議中心


    上海國際航運服務中心位于虹口區黃浦江濱江核心地段,是航運交易、航運辦公等多功能商務社區,正逐漸打造成亞洲乃至全球的航運經濟中心。


    該項目多棟塔樓均設置了玻璃中庭。玻璃本身是極具現代風格的材料,而如何將鋼結構設計成最具現代風格,則是結構設計的重點(建成外觀如圖 7)。


    整個幕墻高45m。按照常規設計,如此高度的幕墻,如果幕墻重量通過每根立柱支承在一層,則立柱將會具有相當大的尺度。如果將幕墻重量支承在兩側塔樓,則橫梁會具有相當大的尺度。


    本項目的設計策略是,在頂層設置一個跨層的桁架,而將將整個幕墻懸掛于頂層桁架之上。為了獲得更加“現代”的觀感,我們進行了精心設計:


    • 頂部桁架所有受拉構件均采用高強度鋼棒,直徑僅30mm


    • 除支撐頂部桁架重量的其它立柱變成了受拉構件,可以將尺寸做到最小。


    • 支撐桁架的立柱在每層上下兩頭與橫梁連接,使其不承受彎矩,僅承受純軸向力。而其軸壓穩定性由連接于兩側主體結構的橫梁保證,從而采用159外徑的圓管即可以滿足規范要求。


    • 所有橫梁為了獲得較小的看面高度,兩端與主體結構的連接設置成可以豎向滑動的鉸接,從而其僅僅承受水平風荷載造成的彎矩,不承受幕墻重量等豎向荷載造成的彎矩。因此橫梁的高度可以大幅減小到100mm,以保證最佳的通透感。


    • 連接層與層的豎向吊桿(同時作為幕墻的邊框),由于需要抵抗玻璃幕墻傳過來的風荷載,其截面形狀按照連續梁彎矩圖的形狀設計(圖 9),中部位置截面高度非常小,因而對視線的阻擋也最小。


    • 屋頂橫梁為了獲得最佳通透感,被設計成為上大下小的梯形截面。且底面寬度僅50mm。因此仰望屋頂鋼梁,截面寬度很小,對視覺的遮擋也是最小。


    通過上述6點設計,即使是45m高的幕墻,整個結構構件尺寸遠遠小于常規設計,甚至與單層結構的構件尺寸相當,從而現代建筑的特征也被進一步加強。

    ▲圖 7上海國際航運中心現代風格外立面


    圖片

    ▲圖 8上海國際航運中心中庭(內部視角)


    ▲圖 9與彎矩圖形狀一致的立柱截面


    結語


    我們的工作,絕不僅僅是探討建筑的“完成”,我們更像是建筑內在邏輯的精確表達者?!拜p與薄”,是現代主義建筑師的一個標簽,結構師所能做的是將這種“輕與薄”理性化,定量化,合理化。任何的建筑不單單是一個印象深刻的口號,更是合理邏輯推導后的結果?!皺C器”之所以可以“輕與薄”到幾乎不可再省略,是因為機械工程師將之優化到了極致。而對于建筑,“輕與薄”的獲得,正是結構師和建筑師對于建筑邏輯的極致探索,所以,結構師是“輕與薄”的藝術家。


    (責任編輯:何雯麗)



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    [責任編輯:Susan]

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