異形建筑構件結構方案設計比選
——以深圳世茂大運公園露臺項目為例

俞曉亮

荷蘭MVRDV國際建筑設計有限公司上海公司 上海 200031

1. 概述

公共建筑的用戶及游客體驗要求增高，部分建筑構件為增加美觀度與使用的趣味性，建筑設計形態越來越豐富。但復雜的形態的建筑構件對建筑專業及結構專業設計都提出了更高的要求。本文以深圳市龍崗區大運文化藝術公園項目為例，說明對于這樣的異形建筑構件在深化設計中，建筑及結構方案設計中所需考慮的注意事項。

2. 建筑方案

本項目位于深圳市龍崗區，大運體育公園地塊，為世茂集團開發。因規劃要求及項目整體構思需求，建筑各層設置大量室外公共空間，并設置層間樓梯，保持各層室外空間24h可達性。

根據建筑造型需要，各層間室外樓梯設置為曲面形式，并與建筑露臺融為一體。

建筑整體及局部跨層板效果圖

建筑面層及外觀材料及構造方式:

為強調建筑方案的自然生態外觀效果，依據方案概念設計，室外露臺及樓梯面層材料采用彩色混凝土材質。

露臺一般典型位置采用混凝土懸挑結構，露臺邊緣設置排水溝。而跨層樓梯部分采用面層厚度約為5mm。

3. 跨層樓梯結構方案

由于跨層樓梯部分的曲面造型，有些部分甚至為雙曲面造型，因此結構設計成為一個難點。根據一般結構設計方法，擬采用以下三種結構方案。三種方案，從結構設計計算角度均沒有問題，滿足承載力及正常使用要求。

三種結構設計方案有限元計算模型

4. 結構施工方案

據此意見，組織召開了包括成本，建筑設計，結構設計，施工部分等各單位的結構方案討論會。施工方案總體分為混凝土方案和鋼結構方案。對混凝土方案中的肋梁樓蓋方案，施工部分認為構造復雜，直接否定。對于鋼結構方案，結合面層的不同構造方案，延申出三種不同的施工方案。

方案一：混凝土板殼方案。一般配筋混凝土曲板。對曲板進行網格劃分，由建筑專業提供三維定位坐標，。工期約為普通梁板結構的4倍，模板造價約為普通梁板結構的2倍。

混凝土板殼三維定位及施工參考圖片

方案二：鋼結構方案

a. 鋼結構網殼，安裝鋁板或其他基層板材，對于面層區域采用現澆50厚裝飾混凝土。（相當于類幕墻施工做法。）

b. 安裝鋼結構網殼，安裝直立鎖邊壓型鋼板，通過兩塊板之間角度的微小調整，緊貼弧形自然形成曲面，為完成曲面效果。再對面層區域采用現澆50厚裝飾混凝土。

c. 安裝鋼結構網殼，網殼內部設置細分網格的角鋼，角鋼上鋪6.5直徑、間距150x150鋼筋網片，鋼筋網片上下部設置30x30鍍鋅六角網，最后噴射50厚混凝土。（實際上為一般景觀施工方案，在迪士尼樂園項目中使用較多。）

對這幾種方案，結構設計意見評價：混凝土曲板在成本、方案還原度方面均有較大優勢，但施工難度較大，在施工條件允許的前提下，建議采用方案一-混凝土曲板方案。若能有效控制人流，避免人群荷載直接作用在曲板面上，可考慮施工相對簡單荷載較輕的方案二c-鋼結構單層網殼+雙網噴漿工藝現澆50厚混凝土，采用此方案需注意：其作為屋面使用時，耐久性及防滲漏性能相對較低，可能會出現荷載裂縫。

蘇軾的母親程夫人出身名門，性格果敢而仁慈，重視儒家經典的傳授，言傳身教，對蘇軾思想、人格的形成起到了重要的作用。我們最常引用的故事就是程夫人帶著小蘇軾讀《后漢書·范滂傳》。范滂，漢代官員，鐵面無私，因而得罪了權貴，被判了死刑。臨刑時，他向媽媽告別:“兒子不能盡孝，請母親不要太過悲傷。”范母回答說:“一個人既想追求留名千古，又要追求長生富貴，怎么可能呢？你為了正義舍棄了性命，媽支持你。”這時蘇軾問母親:“我長大以后也做范滂這樣的人，您同意嗎？”程夫人很平靜地回答:“你能做范滂，我為什么不能做范滂的母親呢？”從此蘇軾立下“奮厲有當世志”。

5. 綜合考量，確定方案

依據各方意見：

（1）建筑方案效果。由于建筑面層采用彩色混凝土材料，為與下部基層有良好的連接，保證耐久性不脫落，材料供應商建議基層材料為混凝土材質，如果為鋁板等金屬板材材質，面層連接不牢固容易脫落。

（2）防水性能。本建筑設計中，實際有部分跨層板既為室外樓梯，又有部分作為建筑室內屋面，因此實際需要承擔較好的防水性能。而對于鋼結構構架加鋁板的類幕墻做法以及類似景觀的做法，防水性能存在風險。作為屋面板，防水性能最好的仍然是混凝土板。

（3）結構安全性。結構設計中，樓梯段設計考慮上人荷載，對于曲面部分，不考慮上人的要求。但根據世茂物業部分的反饋意見，實際使用中，不可能完全控制和阻止游客攀爬曲面板的可能性，因此從安全角度，要求仍然考慮上人荷載。而對于類幕墻及景觀的施工方案安全性上缺少保證。

（4）施工便利性。混凝土方案由于模板及鋼筋布置需要考慮曲面形式，因此施工難度較大，施工時間較常。鋼結構方案施工速度快。

（5）成本比較。雖然混凝土方案施工難度大，但由于材料上的絕對低成本，因此從總體成本上來看，仍然是建造成本最低的。

確定方案。綜合考慮以上各方面的因素，最終決定仍然采用混凝土曲面板的結構方案。此方案雖然施工難度較大，施工周期長。但最終完成效果最好。主要表現在：

作為屋面板，防水性能最佳，耐久性最好。

作為結構載體，可以承受較大的荷載，安全性有保證。

結構變形小，與面層材料可以有良好的銜接，面層材料也可以有更多樣性的選擇。

有較多建成案例，總體成本仍然是最低的。

綜上，本項目仍然采用了混凝土曲面板作為跨層樓梯的結構方案。

6. 3D打印施工方式隨想

隨著社會生活水平的提高，人們不再局限于傳統的建筑空間形式，越來越多的新穎的建筑空間形式會被市場所接受。因此現在的建筑師可以也必須思考更加創新的建筑空間形式。同時，由于計算機輔助設計技術的越來越深入，曲面，異形建筑空間變得越來越有可能，只要人腦可以想的到，計算機一定可以實現這樣的三維模型。甚至借助參數化設計，計算機可以實現人腦都無法想象到的三維空間形式。另一方面，結構工程師，由于借助有限元的數值計算，可以更加方便精確的進行結構分析及設計。

但建筑畢竟是空間實體，而非虛擬空間。以上的設計分析還需要借助施工手段，通過合適的材料才可以實現。當前最流行的概念為3D打印施工方式，只需要將建筑模型數據導入計算機，可以實現任意空間形式的建造。

混凝土3D打印施工方式（圖片來源百度）

本人對當前3D打印的施工方式是持否定態度的。3D打印只能夠實現各向同性均勻材料的形式塑造，但我們的建筑構造并非是這么簡單的。打一個簡單的比方，人體組織是由細胞組成的，而每一個細胞都有自身復雜的構造形式，絕非3D打印的簡單形式可以實現的。建筑構件沒有人體組織那么復雜，但是也是有相似的構造原理，例如混凝土結構除了混凝土還有配筋，混凝土也有自身材料的級配，并非石膏模型一個。另一個方面，3D打印暫時還只能適應少數的材料，而建筑材料類型眾多，無法實現。

建筑材料的各項異性，構造的復雜性本身也是建筑藝術的一部分，甚至施工工藝本身也是建筑的一部分。因此用3D打印完全替代已有的施工工藝，無論從技術性還是建筑的藝術性來說說，暫時的技術還是無法實現的。

當然，每一種技術都有其不斷完善與實踐的過程，同時有其擅長的一面與不利的一面。本文表達的觀點僅僅為，不應膚淺的看待3D打印，簡單的認為其可以取代傳統的建造方式。以暫時的技術，3D打印還有很多無法克服的缺陷。

總結

對于異形建筑構件的設計問題中，表面上看是一個存粹的結構設計問題，但實際上其中包含了各方面的因素，本文的案例中，需要考慮建筑設計要求，施工要求，以及后期運營維護的需求。另一方面，由于結構有限元技術結合計算機的應用，異形建筑構件的存粹結構分析問題已經變得越發簡單了，甚至不是綜合決策中的決定性因素，例如本案例中，建筑防水，后期運營的要求才是最決定性的因素。

由此可見，對于設計師，即使對于一個建筑構件的設計，也不僅僅需要掌握本專業的知識，更需要綜合了解其他各專業的相關知識，才能夠做出正確的判斷與決策。對于新技術如3D打印建造，也需要不斷關注。新的建造方式或許會對建筑設計本身產生徹底變化。