建筑設計中結構思維的主動性思考

李 娜 溫捷強

隨著中國的經濟飛速發展,中國的建筑也發生了巨大的變化,建筑的空間和類型呈現出多樣化的狀態。新技術的發展推動著結構技術的發展,同時,新的結構又促進著建筑的發展。從古至今,結構設計在整個建筑設計中起極其重要的推動作用和決定作用。西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)說:“結構原本就是建筑”。建筑,作為一個跨專業協調運作的體系,也只有在各個專業協調一致完美體現的時候才能呈現出它最大的魅力。

1 項目的開始

開發商需要在內蒙古呼和浩特市土默特中學操場的南側建一個小型的體育館。整個設計受到工程造價和地塊大小的嚴格控制。體育館的主空間跨度為39.6 m的籃球場,體育館主要滿足學校的體育教學,同時也要具備文娛活動的需求。比賽訓練館1層,其他附屬用房4層。附屬用房1層南側部分為各種服務空間,北側的2層,3層為各種設備用房。由于受地塊大小,以及開發商對建筑面積的需求,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上有效的控制工程造價。

2 當代世界建筑中結構思維的體現

通常情況下,結構主要起承重作用,其主要指的是把荷載通過其自身傳至地基的建筑部分。從古羅馬磚石結構的梁柱、穹隆結構體系,到中世紀的哥特建筑的拱券、飛扶壁及高聳入云的尖塔都向我們展示了在當時結構技術條件下為體現建筑美學使結構設計創作發展到淋漓盡致的狀態。中國的木結構,在整個中國建筑史上有著舉足輕重的地位。20世紀的工業技術革命,對建筑業產生了巨大的影響,在其影響下創造了前所未有的建筑形式,同時對傳統建筑技術產生了沖擊。新材料、新技術以及當時社會形勢的發展對工程師的設計產生了重要作用。

結構思維的體現,不是簡單的對結構的完全暴露,而是通過縝密的推敲,使結構達到一種具有藝術感的表現效果。而這樣的效果是在有效控制成本的基礎上進行結構的創新性設計,是結構思維的主動性表現。如1964年落成的丹下健三設計的代代木體育館(見圖1,圖2),其設計完全脫離了傳統的結構和造型。結構是利用鋼索來吊掛混凝土屋蓋的,這種結構叫懸掛式結構,其特點是:充分利用鋼索所具有的抗拉特點,而減小鋼筋混凝土屋蓋所承受的彎曲力。這種結構的屋頂,創造出了帶有緊張感、運動感的大型內部空間。

20世紀70年代,高技派建筑推動了結構美學的發展。高技派建筑強調發揮材料的性能、結構的特性,將技術升華為藝術,并成為一種富于時代感的造型表現手段。其中鋼結構建筑,更是成為現代建筑的優質典范。例如福斯特設計的香港匯豐銀行。

匯豐銀行大廈以靈活宜人、視野開闊的室內空間見長,新穎別致的造型設計對既往千樓一面的方盒子式工商業建筑形象進行了重新定義;整座建筑物高180 m,使用了30 000 t鋼及4 500 t鋁建成。建筑重點是“衣架計劃”的設計方案。整個地上建筑用四個構架支撐,每個構架包含兩根桅桿,分別在五個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。這種布局使桅桿達到最大承載力,同時把桅桿的平面面積降到最小。

卡拉特拉瓦設計的法國里昂機場TGV鐵路客運站,巨大的鋼鐵鳥翼站臺(網殼結構)在減輕自重的同時,也在陽光下形成了這般迷離的幾何光影效果。最簡單、最樸實的結構功能,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建筑中獨特的結構之美。

建筑是主動性與被動性的結合物。在建筑功能一定的前提下,需要建筑師的主動性與被動的工程條件相結合,從主動的角度上思考建筑有利于建筑真實性的表達,有利于結構有效地參與到設計過程中,而不是被動的依存。這個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。現代建筑的發展表現出一種對思維的開發。對思維的開發不是簡單的個性的強烈追求,更不是對形式和表皮的異化處理,而是在具體設計過程中,從可能的多種選擇中找到最適合的設計方案。

3 體育館結構體系的選擇

本方案采用框架—網架混合結構,球節點網架,從科學理性的角度考慮非常實用。在整個設計過程中,結構工程師在方案早期就介入整個工程,使得結構思維能主動的參與在建筑設計方案構思的整個過程中。

甲方在該項目中資金相對比較緊張。基于這樣的情況,建筑設計師提出優先考慮采用框架結構,因為混凝土的成本相對于鋼材成本要低得多。鋼結構每平方米的含量在20 kg～25 kg左右,每噸的價格在6 800元左右,但經過計算以后,由于體育館的空間跨度需要保證約40 m,如果采用框架結構則需要柱距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,最初的低造價實際并不能實現,雖然單價相對低廉,但其總造價已經超過采用鋼網架的總造價。

在盡力控制總造價的情況下,我們通過理性分析和選擇,最終決定采用框架—網架混合結構?？蚣苤饕獮楦綄俨糠趾涂磁_部分。4層的框架建筑有利于控制建筑成本。而訓練館屋頂部分采用網架結構既能獲得良好的建筑空間,又能獲得良好的建筑效果。

空間網架屋蓋落于鋼筋混凝土框架上,既符合結構特性,又與建筑空間鍥合。網架結構為混凝土框架支承,網架為柱頂下弦支承,網架形式為正放四角錐,采用螺栓球節點連接方式。整個屋蓋的跨度是39.4 m,屋蓋采用正交正放四角錐網架結構。網格尺寸取直徑為3.2 m×3.2 m,高度取1 m。屋頂網架剖面見圖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。在滿足支座轉動的前提下,又能使網架有適量的自由伸縮,以適應溫差引起的變形要求。

豎向結構體系的重要性: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;側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大很多。

一般來說網架結構的高度:一方面取決于網架結構上作用的荷載大小,另一方面取決于網架結構的跨度。作用荷載愈大,則網架高度取大一些,以減少網架跨中撓度;當跨度較大時,在滿足相對撓度要求的前提下,高跨比可取小一些。

本體育館面積相對較小,具有易于操控的特點。但在實際的設計過程中,通過對結構的分析比較,對建筑設計的過程進行了深刻的思考。在整個設計中力求體現結構的合理性,工程的經濟性與建筑的個性有機的結合。

[1]張建榮.建筑結構選型[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.

[2]馬國馨.丹下健三[M].北京:中國建筑工業出版社,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.建筑中的結構思維[M].李 凱,邊東洋,譯.北京:機械工業出版社,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:中國建筑工業出版社,2005.