李 娜 溫捷強(qiáng)

隨著中國的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,中國的建筑也發(fā)生了巨大的變化,建筑的空間和類型呈現(xiàn)出多樣化的狀態(tài)。新技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展,同時(shí),新的結(jié)構(gòu)又促進(jìn)著建筑的發(fā)展。從古至今,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在整個(gè)建筑設(shè)計(jì)中起極其重要的推動(dòng)作用和決定作用。西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)說:“結(jié)構(gòu)原本就是建筑”。建筑,作為一個(gè)跨專業(yè)協(xié)調(diào)運(yùn)作的體系,也只有在各個(gè)專業(yè)協(xié)調(diào)一致完美體現(xiàn)的時(shí)候才能呈現(xiàn)出它最大的魅力。

1 項(xiàng)目的開始

開發(fā)商需要在內(nèi)蒙古呼和浩特市土默特中學(xué)操場(chǎng)的南側(cè)建一個(gè)小型的體育館。整個(gè)設(shè)計(jì)受到工程造價(jià)和地塊大小的嚴(yán)格控制。體育館的主空間跨度為39.6 m的籃球場(chǎng),體育館主要滿足學(xué)校的體育教學(xué),同時(shí)也要具備文娛活動(dòng)的需求。比賽訓(xùn)練館1層,其他附屬用房4層。附屬用房1層南側(cè)部分為各種服務(wù)空間,北側(cè)的2層,3層為各種設(shè)備用房。由于受地塊大小,以及開發(fā)商對(duì)建筑面積的需求,使得建筑的造型受到了較大的限制?；驹煨痛_定為長方體,這樣的建筑形體也更容易在保證建筑安全性的基礎(chǔ)上有效的控制工程造價(jià)。

2 當(dāng)代世界建筑中結(jié)構(gòu)思維的體現(xiàn)

通常情況下,結(jié)構(gòu)主要起承重作用,其主要指的是把荷載通過其自身傳至地基的建筑部分。從古羅馬磚石結(jié)構(gòu)的梁柱、穹隆結(jié)構(gòu)體系,到中世紀(jì)的哥特建筑的拱券、飛扶壁及高聳入云的尖塔都向我們展示了在當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)技術(shù)條件下為體現(xiàn)建筑美學(xué)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)作發(fā)展到淋漓盡致的狀態(tài)。中國的木結(jié)構(gòu),在整個(gè)中國建筑史上有著舉足輕重的地位。20世紀(jì)的工業(yè)技術(shù)革命,對(duì)建筑業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響,在其影響下創(chuàng)造了前所未有的建筑形式,同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)建筑技術(shù)產(chǎn)生了沖擊。新材料、新技術(shù)以及當(dāng)時(shí)社會(huì)形勢(shì)的發(fā)展對(duì)工程師的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了重要作用。

結(jié)構(gòu)思維的體現(xiàn),不是簡單的對(duì)結(jié)構(gòu)的完全暴露,而是通過縝密的推敲,使結(jié)構(gòu)達(dá)到一種具有藝術(shù)感的表現(xiàn)效果。而這樣的效果是在有效控制成本的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì),是結(jié)構(gòu)思維的主動(dòng)性表現(xiàn)。如1964年落成的丹下健三設(shè)計(jì)的代代木體育館(見圖1,圖2),其設(shè)計(jì)完全脫離了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和造型。結(jié)構(gòu)是利用鋼索來吊掛混凝土屋蓋的,這種結(jié)構(gòu)叫懸掛式結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)是:充分利用鋼索所具有的抗拉特點(diǎn),而減小鋼筋混凝土屋蓋所承受的彎曲力。這種結(jié)構(gòu)的屋頂,創(chuàng)造出了帶有緊張感、運(yùn)動(dòng)感的大型內(nèi)部空間。

20世紀(jì)70年代,高技派建筑推動(dòng)了結(jié)構(gòu)美學(xué)的發(fā)展。高技派建筑強(qiáng)調(diào)發(fā)揮材料的性能、結(jié)構(gòu)的特性,將技術(shù)升華為藝術(shù),并成為一種富于時(shí)代感的造型表現(xiàn)手段。其中鋼結(jié)構(gòu)建筑,更是成為現(xiàn)代建筑的優(yōu)質(zhì)典范。例如福斯特設(shè)計(jì)的香港匯豐銀行。

匯豐銀行大廈以靈活宜人、視野開闊的室內(nèi)空間見長,新穎別致的造型設(shè)計(jì)對(duì)既往千樓一面的方盒子式工商業(yè)建筑形象進(jìn)行了重新定義;整座建筑物高180 m,使用了30 000 t鋼及4 500 t鋁建成。建筑重點(diǎn)是“衣架計(jì)劃”的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)地上建筑用四個(gè)構(gòu)架支撐,每個(gè)構(gòu)架包含兩根桅桿,分別在五個(gè)樓層支撐懸吊式桁架。每根桅桿由四根鋼管組合而成,在每層樓使用矩形托梁相互連接。這種布局使桅桿達(dá)到最大承載力,同時(shí)把桅桿的平面面積降到最小。

卡拉特拉瓦設(shè)計(jì)的法國里昂機(jī)場(chǎng)TGV鐵路客運(yùn)站,巨大的鋼鐵鳥翼站臺(tái)(網(wǎng)殼結(jié)構(gòu))在減輕自重的同時(shí),也在陽光下形成了這般迷離的幾何光影效果。最簡單、最樸實(shí)的結(jié)構(gòu)功能,造就了極其雅致而壯麗的美。這些建筑都向我們展示了鋼構(gòu)建筑中獨(dú)特的結(jié)構(gòu)之美。

建筑是主動(dòng)性與被動(dòng)性的結(jié)合物。在建筑功能一定的前提下,需要建筑師的主動(dòng)性與被動(dòng)的工程條件相結(jié)合,從主動(dòng)的角度上思考建筑有利于建筑真實(shí)性的表達(dá),有利于結(jié)構(gòu)有效地參與到設(shè)計(jì)過程中,而不是被動(dòng)的依存。這個(gè)過程就需要建筑師在合理的各種可能性下,綜合的作出選擇。現(xiàn)代建筑的發(fā)展表現(xiàn)出一種對(duì)思維的開發(fā)。對(duì)思維的開發(fā)不是簡單的個(gè)性的強(qiáng)烈追求,更不是對(duì)形式和表皮的異化處理,而是在具體設(shè)計(jì)過程中,從可能的多種選擇中找到最適合的設(shè)計(jì)方案。

3 體育館結(jié)構(gòu)體系的選擇

本方案采用框架—網(wǎng)架混合結(jié)構(gòu),球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架,從科學(xué)理性的角度考慮非常實(shí)用。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,結(jié)構(gòu)工程師在方案早期就介入整個(gè)工程,使得結(jié)構(gòu)思維能主動(dòng)的參與在建筑設(shè)計(jì)方案構(gòu)思的整個(gè)過程中。

甲方在該項(xiàng)目中資金相對(duì)比較緊張。基于這樣的情況,建筑設(shè)計(jì)師提出優(yōu)先考慮采用框架結(jié)構(gòu),因?yàn)榛炷恋某杀鞠鄬?duì)于鋼材成本要低得多。鋼結(jié)構(gòu)每平方米的含量在20 kg～25 kg左右,每噸的價(jià)格在6 800元左右,但經(jīng)過計(jì)算以后,由于體育館的空間跨度需要保證約40 m,如果采用框架結(jié)構(gòu)則需要柱距7 m,截面尺寸為900 mm×900 mm才能滿足要求。所以在這樣的情況下,最初的低造價(jià)實(shí)際并不能實(shí)現(xiàn),雖然單價(jià)相對(duì)低廉,但其總造價(jià)已經(jīng)超過采用鋼網(wǎng)架的總造價(jià)。

在盡力控制總造價(jià)的情況下,我們通過理性分析和選擇,最終決定采用框架—網(wǎng)架混合結(jié)構(gòu)。框架主要為附屬部分和看臺(tái)部分。4層的框架建筑有利于控制建筑成本。而訓(xùn)練館屋頂部分采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)既能獲得良好的建筑空間,又能獲得良好的建筑效果。

空間網(wǎng)架屋蓋落于鋼筋混凝土框架上,既符合結(jié)構(gòu)特性,又與建筑空間鍥合。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為混凝土框架支承,網(wǎng)架為柱頂下弦支承,網(wǎng)架形式為正放四角錐,采用螺栓球節(jié)點(diǎn)連接方式。整個(gè)屋蓋的跨度是39.4 m,屋蓋采用正交正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格尺寸取直徑為3.2 m×3.2 m,高度取1 m。屋頂網(wǎng)架剖面見圖3。

鋼架桿件采用直徑為76 mm,壁厚為4 mm的鋼管,鋼球直徑為900 mm,壁厚為10 mm。在滿足支座轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下,又能使網(wǎng)架有適量的自由伸縮,以適應(yīng)溫差引起的變形要求。

豎向結(jié)構(gòu)體系的重要性:隨著高度越來越高,較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒;側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大很多。

一般來說網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的高度:一方面取決于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上作用的荷載大小,另一方面取決于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的跨度。作用荷載愈大,則網(wǎng)架高度取大一些,以減少網(wǎng)架跨中撓度;當(dāng)跨度較大時(shí),在滿足相對(duì)撓度要求的前提下,高跨比可取小一些。

本體育館面積相對(duì)較小,具有易于操控的特點(diǎn)。但在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中,通過對(duì)結(jié)構(gòu)的分析比較,對(duì)建筑設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行了深刻的思考。在整個(gè)設(shè)計(jì)中力求體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理性,工程的經(jīng)濟(jì)性與建筑的個(gè)性有機(jī)的結(jié)合。

[1]張建榮.建筑結(jié)構(gòu)選型[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[2]馬國馨.丹下健三[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989.

[3]大師系列叢書編輯部.圣地亞哥·卡拉特拉瓦的作品與思想[M].北京:中國電力出版社,2006.

[4][新西蘭]Andrew W.Charleson.建筑中的結(jié)構(gòu)思維[M].李 凱,邊東洋,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[5]大師系列叢書編輯部.諾曼·福斯特的作品與思想[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.