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建筑设计中结构思维的思考
摘 要: 伴随着国内的经济飞速发展, 国内的建筑也发生了巨大的变化, 建筑的空间和类型呈现出多样化的状态。新技术的发展推动着结构技术的发展, 同时, 新的结构又促进着建筑的发展。从古至今, 结构设计在整个建筑设计中起极其重要的推动作用和决定作用。西班牙建筑师圣地亚哥 卡拉特拉瓦( Santiago Calatrava)说：“结构原本就是建筑”。建筑, 作为一个跨专业协调运作的体系, 也只有在各个专业协调一致完美体现的时候才能呈现出它最大的魅力。文章主要以某中学体育馆设计为例，阐述了建筑设计中结构思维的体现。
关键词：建筑设计；结构思维；项目；结构体系
一、项目的开始
开发商需要在某中学的操场南侧建一个小型的体育馆。整个设计受到工程造价和地块大小的严格控制。体育馆的主空间跨度为 39. 6 m 的篮球场, 体育馆主要满足学校的体育教学, 同时也要具备文娱活动的需求。比赛训练馆1 层, 其他附属用房 4 层。附属用房 1 层南侧部分为各种服务空间, 北侧的 2 层, 3 层为各种设备用房。由于受地块大小, 以及开发商对建筑面积的需求, 使得建筑的造型受到了较大的限制。基本造型确定为长方体, 这样的建筑形体也更容易在保证建筑安全性的基础上有效的控制工程造价。
二、当代建筑中结构思维的体现
通常情况下, 结构主要起承重作用, 其主要指的是把荷载通过其自身传至地基的建筑部分。从古罗马砖石结构的梁柱、穹隆结构体系, 到中世纪的哥特建筑的拱券、飞扶壁及高耸入云的尖塔都向我们展示了在当时结构技术条件下为体现建筑美学使结构设计创作发展到淋漓尽致的状态。中国的木结构, 在整个中国建筑史上有着举足轻重的地位。20 世纪的工业技术革命, 对建筑业产生了巨大的影响, 在其影响下创造了前所未有的建筑形式,同时对传统建筑技术产生了冲击。新材料、新技术以及当时社会形势的发展对工程师的设计产生了重要作用。
结构思维的体现, 不是简单的对结构的完全暴露, 而是通过缜密的推敲, 使结构达到一种具有艺术感的表现效果。而这样的效果是在有效控制成本的基础上进行结构的创新性设计, 是结构思维的主动性表现。如 1964 年落成的丹下健三设计的代代木体育馆( 见图 1, 图 2), 其设计完全脱离了传统的结构和造型。结构是利用钢索来吊挂混凝土屋盖的, 这种结构叫悬挂式结构, 其特点是: 充分利用钢索所具有的抗拉特点, 而减小钢筋混凝土屋盖所承受的弯曲力。这种结构的屋顶, 创造出了带有紧张感、运动感的大型内部空间。
图1 1层平面图(单位：m)
图2南侧立面图（单位：m）
20 世纪 70 年代, 高技派建筑推动了结构美学的发展。高技派建筑强调发挥材料的性能、结构的特性, 将技术升华为艺术, 并成为一种富于时代感的造型表现手段。其中钢结构建筑, 更是成为现代建筑的优质典范。例如福斯特设计的香港汇丰银行。
汇丰银行大厦以灵活宜人、视野开阔的室内空间见长, 新颖别致的造型设计对既往千楼一面的方盒子式工商业建筑形象进行了重新定义; 整座建筑物高 180 m, 使用了 30000 t 钢及 4500 t铝建成。建筑重点是“衣架计划”的设计方案。整个地上建筑用四个构架支撑, 每个构架包含两根桅杆, 分别在五个楼层支撑悬吊式桁架。每根桅杆由四根钢管组合而成, 在每层楼使用矩形托梁相互连接。这种布局使桅杆达到最大承载力, 同时把桅杆的平面面积降到最小。
卡拉特拉瓦设计的法国里昂机场 TGV 铁路客运站, 巨大的钢铁鸟翼站台(网壳结构) 在减轻自重的同时, 也在阳光下形成了这般迷离的几何光影效果。最简单、最朴实的结构功能, 造就了极其雅致而壮丽的美。这些建筑都向我们展示了钢构建筑中独特的结构之美。
建筑是主动性与被动性的结合物。在建筑功能一定的前提下, 需要建筑师的主动性与被动的工程条件相结合, 从主动的角度上思考建筑有利于建筑真实性的表达, 有利于结构有效地参与到设计过程中, 而不是被动的依存。这个过程就需要建筑师在合理的各种可能性下, 综合的作出选择。现代建筑的发展表现出一种对思维的开发。对思维的开发不是简单的个性的强烈追求,更不是对形式和表皮的异化处理, 而是在具体设计过程中, 从可能的多种选择中找到最适合的设计方案。
三、体育馆结构体系的选择
本方案采用框架网架混合结构, 球节点网架, 从科学理性的角度考虑非常实用。在整个设计过程中, 结构工程师在方案早期就介入整个工程, 使得结构思维能主动的参与在建筑设计方案构思的整个过程中。
甲方在该项目中资金相对比较紧张。基于这样的情况, 建筑设计师提出优先考虑采用框架结构, 因为混凝土的成本相对于钢材成本要低得多。钢结构每平方米的含量在 55kg ~ 62 kg 左右,每吨的价格在4400元左右, 但经过计算以后, 由于体育馆的空间跨度需要保证约 40 m, 如果采用框架结构则需要柱距 7 m, 截面尺寸为 900mm×900 mm 才能满足要求。所以在这样的情况下,最初的低造价实际并不能实现, 虽然单价相对低廉, 但其总造价已经超过采用钢网架的总造价。
在尽力控制总造价的情况下, 我们通过理性分析和选择, 最终决定采用框架网架混合结构。框架主要为附属部分和看台部分。4层的框架建筑有利于控制建筑成本。而训练馆屋顶部分采用网架结构既能获得良好的建筑空间, 又能获得良好的建筑效果。
空间网架屋盖落于钢筋混凝土框架上, 既符合结构特性, 又与建筑空间锲合。网架结构为混凝土框架支承, 网架为柱顶下弦支承, 网架形式为正放四角锥, 采用螺栓球节点连接方式。整个屋盖的跨度是 39. 4 m, 屋盖采用正交正放四角锥网架结构。网格尺寸取直径为 3. 2 m 3. 2 m, 高度取 1 m。屋顶网架剖面见图3。
图3 屋顶网架剖面图
钢架杆件采用直径为 76 mm, 壁厚为4 mm 的钢管, 钢球直径为 900 mm, 壁厚为 10 mm。在满足支座转动的前提下, 又能使网架有适量的自由伸缩, 以适应温差引起的变形要求。
竖向结构体系的重要性: 随着高度越来越高, 较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒; 侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大很多。
一般来说网架结构的高度: 一方面取决于网架结构上作用的荷载大小, 另一方面取决于网架结构的跨度。作用荷载愈大, 则网架高度取大一些, 以减少网架跨中挠度; 当跨度较大时, 在满足相对挠度要求的前提下, 高跨比可取小一些。
本体育馆面积相对较小, 具有易于操控的特点。但在实际的设计过程中, 通过对结构的分析比较, 对建筑设计的过程进行了深刻的思考。在整个设计中力求体现结构的合理性, 工程的经济性与建筑的个性有机的结合。
参考文献：
[1]大师系列丛书编辑部.诺曼 福斯特的作品与思想[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005.
[2] 张建荣. 建筑结构选型 [ M ] .北京: 中国建筑工业出版社,1999.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。