现代风格建筑的结构实现:轻与薄

    2020/09/23 | 创新技术, 官方博客, 建筑设计, 最新资讯, 案例展示, 经典案例, 结构优化, 结构设计

    1.   概述

    “现代主义”是起源于上世纪初的建筑思潮,其逻辑起点在于“回归建筑的本质”。抛弃原有古典时代的矫揉造作,迎接机器时代所带来的材料和构造惊喜,这种理念从欧洲到美国,成为了现代建筑的标签。战后,美国建筑师将international style由“主义”变成了“形式”,表现给大众的视觉感受,就是由材料和构造逻辑得出的“轻与薄”,“比起维特鲁威时代的比例,建筑应当更像一个机器,轻巧而又符合高强材料独有的逻辑,这不仅仅是清教徒的狂欢,更是一种思想的升华”。

    建筑评论家常将这种思想的极致,称为“高技派”。以诺曼.福斯特先生的作品为例,建筑首先需要是一门技术。众所周知,福斯特热衷于飞机的驾驶,其建筑也常常朝着“机械”的方向进发。类似福斯特先生的风格,该类“高技派”“现代建筑”,对结构构件尺寸、悬挑的距离等有极致的要求,更轻、更薄的效果才能反应其建筑本质的逻辑。在这种建筑类型中,建筑绝不是建筑师一个人的独角戏,结构工程师所承担的作用,其实是从技术本身,影响建筑的表达和空间的构成,两者甚至不是简单的平行关系,完全可以说是难分彼此。

    结构工程师是建筑师天生的技术伙伴,结构的合理是建筑美观的核心逻辑。表达建筑的轻盈和坚固,是在新材料背景当中,结构师表达建筑思想的必经之路。

    需要注意的是,钢作为建筑材料,从主体结构到装饰,是有原生“合理性”的。因为现代建筑的出现,就是伴随着机器时代的出现。现代建筑之父柯布西耶先生更是直接采用了“机器”,来比喻建筑所需要的“精确性”。随着中国钢结构防火规范的完善,钢作为一种轻质高强的材料,在表现力方面,比混凝土更具有优势,尤其是那些需要暴露结构的建筑。上海都市建筑设计有限公司钢结构所专门从事复杂钢结构专业施工图设计,本文以近年来参与设计的几个项目为例,简要阐述结构工程师是如何助力建筑师完成轻与薄的要求的。

    2.   日播文化中心

    日播活动中心是日播时尚集团股份有限公司位于上海市松江厂区内的一个现代风格建筑,主要用于时装发布、员工活动等。

    该项目完成后的效果如图 1~图 3所示。在设计过程中我们与建筑师不断讨论,在以下几个方面对结构进行了特别设计。

    2.1.  无柱悬浮设计

    建筑师希望尽量少的立柱,使建筑看起来像悬浮在空中一样。我们仅在建筑底部设置了两个V型撑(图 2),除此之外,再无立柱。V型撑两端铰接,仅承受轴向力,直径仅140mm,非常轻巧。

    2.2.  创新板桁架解决方案

    建筑师希望结构完成面很薄。该结构存在诸多的悬挑,且支点极少,采用混凝土楼面不是理想解决方案,我们针对该项目进行了专项结构研究。

    如何使楼面厚度尽量小,还能双向悬挑?一般用于钢结构的楼板均为单向板结构,无法实现双向悬挑。而且钢结构建筑中楼板一般布置在钢梁之上,建筑完成面的厚度实际上为如下几项之和:

    1. 建筑面层
    2. 楼板
    3. 钢梁
    4. 底部吊顶

    按照这个方式做下来的楼面完成面厚度需要550mm,这会使建筑显得相当笨拙,无法体现建筑师所需的“悬浮效果”

    我们认为只有将楼板和钢梁合二为一,直接采用双向板式结构才能达到建筑师希望的厚度。鉴于此我们设计了一种钢结构的双向板结构——板桁架,并为此申请了国家发明专利。

    1日播活动中心-1

    2日播活动中心-2

    3日播活动中心-3 (室内)

    该种结构的做法来源于双向传力性能卓越的网架结构,其断面形式如图 4所示:上下弦采用了钢板作为受力结构,在上下弦钢板之间布置圆钢管斜腹杆,形成组合网架的受力形式。此做法的好处是显而易见的:

    1. 结构与建筑同厚度,大幅增加截面惯性矩,甚至达到数倍。
    2. 两侧钢板既是受力结构又充当围护系统,建筑总造价不升反降。
    3. 由于钢板良好的焊接性能,打磨光滑后表面可以做到无缝效果,这是其它装饰材料如铝板幕墙所不能比拟的。
    4. 设备管线可以走空腔,板底板顶简洁干净。

    4板桁架剖面示意

    采用板桁架最终设计完成的楼板完成面厚度为300mm,效果出众。板桁架后来又被运用于其它项目中。

    2.3.  室内无柱设计

    为了做到室内无柱,我们采用了幕墙龙骨与结构立柱合二为一的设计方法。这样一来,除了幕墙龙骨室内再无立柱,建筑效果干净纯粹(图 3)。

    3.   理想国艺术文化中心

    普罗旺世理想国艺术文化中心位于河南省中牟县,是普罗中国地产公司为附近居民提供文化生活场所的配套建筑,项目建成效果如图 5所示,是典型的现代主义风格建筑。

    该项目的建筑方案设计方为上海建言建筑设计事务所,施工图设计方为河南省某大型设计院。本地设计院在进行施工图设计时,提出的结构尺寸无法满足建筑方案创作方的诸多要求。方案设计师Paul老师(同时是哈佛大学教授)认为如果构件尺寸控制不住,整个项目的效果将大打折扣。

    上海建言希望我参与本项目的结构设计优化工作,希望可以解决结构尺寸的相关问题。

    该项目中的图书馆是一栋3层建筑,建成效果如图 5所示。该建筑二层一侧悬挑超过14m(其中一个方向12m,另一个方向6m),此悬挑从建筑设计上是项目的亮点,但从结构设计上是项目的难点。本地设计院提供的钢梁截面尺寸在1.2m高度左右,而建筑师则希望钢梁高度控制在0.8m左右,使得悬挑部分不至于过于厚重。

    5强烈现代风格的理想国艺术文化中心

    由于建筑师不希望出现斜拉杆,对于双向超大悬挑结构,使其形成空间空腹桁架效应是一个有效的方法。本地设计院在设计的时候忽略了施工过程对结构变形的影响,导致计算挠度过大。我们对施工过程进行了复合设计思路的控制,通过形成整体后的空间效应,大幅降低了结构竖向位移。由于建筑师的需求是,结构看上去越轻巧越好,因此我们进行了多维度的结构优化,包括:

    1. 加强整体受力的“空腹桁架”效应

    我们分析了本地设计院的结构方案,发现他们之前受到“悬挑梁”概念的影响,设计方案是梁截面很大,但柱子截面很小。然而对于“空腹桁架”而言,很显然光增加悬挑梁的刚度,过小的立柱无法提供足够的剪切刚度,也就无法发挥“空腹桁架”效应。因此我们优化了立柱截面,使其具备一定的剪切刚度。

    • 降低使用恒载

    荷载是结构挠度产生的外部因素,降低荷载就可以减小结构挠度。我们取消了二层的混凝土楼面,改用花纹钢板+二次找平的方式来降低楼面恒载。方案调整后,结构自重降低了60%。

    • 对结构进行起拱

    结构的挠度主要影响结构的观感和使用舒适性。挠度的产生主要基于恒载和活荷载。而恒载产生的挠度在使用阶段是基本不变化的,故在结构施工阶段提前对结构进行预起拱,可以有效地提升结构的观感。预起拱的数值一般与恒载+1/2活荷载导致的挠度相当。

    • 优化构件截面类型

    本地设计院设计的梁和柱均采用了H型截面。然而如前所述,图书馆在两个正交方向均有较大的悬挑(图 6),这样对于空腹桁架而言,两个方向均需要较大的刚度。因此我们将立柱(空腹桁架的腹杆)改成了矩形管截面,使结构形成空间“空腹网架”效应,而不仅仅是平面“空腹桁架”。

    通过以上几个方面的优化,最终我们将钢梁截面控制在700高度,达到了建筑师希望的效果,“现代感”也油然而生。

    另外我们对图书馆结构进行了其它几点优化:

    1. 优化节点

    之前的梁柱节点采用了梁贯通、柱断开的连接方式。这种连接方式虽然能保证“空腹桁架”的弦杆贯通,但实际上矩形管腹杆与H型弦杆连接,节点构造无法保证节点传力和节点刚度。因此,我们提出了采用腹杆贯通、弦杆打断的方式来设计节点,并同时对节点区域弦杆的上下腹板进行了贴板加强处理(类似于抗震构造),其节点与框架结构中的梁柱节点一致。虽然这种做法一般不用于桁架结构中,但其做法简单,力学性能可以得到保证。

    6图书馆(即将完工)

    1. 优化材性

    对于此类大悬挑结构,一般为刚度控制,而截面强度均能满足规范要求,该项目的计算结果也表明了这一点。本地设计院采用了Q345B的材性,我们提出可以采用Q235B材性。这样做的好处是,在不降低结构安全度的情况下,降低了材料采购价格,且使得型钢截面的采购变得更加方便。

    • 震动控制

    对于刚度起控制作用的结构,我们需要注意其震动舒适度。计算表明该结构的竖向自振频率约为3.0赫兹,刚好满足规范要求。于是我们提出了适当加厚花纹钢板厚度,且增强其与钢梁上翼缘的焊接连接做法,用于提升结构刚度。同时,我们保留了增加TMD震动调谐器的空间,如后期使用阶段结构震动较大,可以增加TMD对结构进行振动控制。实际使用过程中该结构具备舒适的震动特性,故并未加装振动控制设备。

    该项目完工后,建筑尺度和使用感受均非常好。

    4.   上海国际会议中心

    上海国际航运服务中心位于虹口区黄浦江滨江核心地段,是航运交易、航运办公等多功能商务社区,正逐渐打造成亚洲乃至全球的航运经济中心。

    该项目多栋塔楼均设置了玻璃中庭。 玻璃本身是极具现代风格的材料,而如何将钢结构设计成最具现代风格,则是结构设计的重点(建成外观如图 7)。

    整个幕墙高45m。按照常规设计,如此高度的幕墙,如果幕墙重量通过每根立柱支承在一层,则立柱将会具有相当大的尺度。如果将幕墙重量支承在两侧塔楼,则横梁会具有相当大的尺度。

    本项目的设计策略是,在顶层设置一个跨层的桁架,而将将整个幕墙悬挂于顶层桁架之上。为了获得更加“现代”的观感,我们进行了精心设计:

    1. 顶部桁架所有受拉构件均采用高强度钢棒,直径仅30mm;
    2. 除支撑顶部桁架重量的其它立柱变成了受拉构件,可以将尺寸做到最小。
    3. 支撑桁架的立柱在每层上下两头与横梁连接,使其不承受弯矩,仅承受纯轴向力。而其轴压稳定性由连接于两侧主体结构的横梁保证,从而采用159外径的圆管即可以满足规范要求。
    4. 所有横梁为了获得较小的看面高度,两端与主体结构的连接设置成可以竖向滑动的铰接,从而其仅仅承受水平风荷载造成的弯矩,不承受幕墙重量等竖向荷载造成的弯矩。因此横梁的高度可以大幅减小到100mm,以保证最佳的通透感。
    5. 连接层与层的竖向吊杆(同时作为幕墙的边框),由于需要抵抗玻璃幕墙传过来的风荷载,其截面形状按照连续梁弯矩图的形状设计(图 9),中部位置截面高度非常小,因而对视线的阻挡也最小。
    6. 屋顶横梁为了获得最佳通透感,被设计成为上大下小的梯形截面。且底面宽度仅50mm。因此仰望屋顶钢梁,截面宽度很小,对视觉的遮挡也是最小。

    通过上述6点设计,即使是45m高的幕墙,整个结构构件尺寸远远小于常规设计,甚至与单层结构的构件尺寸相当,从而现代建筑的特征也被进一步加强。

    7上海国际航运中心现代风格外立面

    图 8上海国际航运中心中庭(内部视角)

    9与弯矩图形状一致的立柱截面

    5.   结语

    我们的工作,绝不仅仅是探讨建筑的“完成”,我们更像是建筑内在逻辑的精确表达者。“轻与薄”,是现代主义建筑师的一个标签,结构师所能做的是将这种“轻与薄”理性化,定量化,合理化。任何的建筑不单单是一个印象深刻的口号,更是合理逻辑推导后的结果。“机器”之所以可以“轻与薄”到几乎不可再省略,是因为机械工程师将之优化到了极致。而对于建筑,“轻与薄”的获得,正是结构师和建筑师对于建筑逻辑的极致探索,所以,结构师是“轻与薄”的艺术家。

    ©文|彭礼