TRIZ理論視角下高層建筑結構的創新＊

黃昱銘，曹 雨，楊子涵，趙方曉，楊雨鑫，楊 定，劉金員，徐宗偉

（1.天津大學建筑學院，天津 300072；2.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072）

隨著經濟與技術的發展以及城市用地的減少，人類不能只在水平方向上進行拓寬，更需要在垂直方向中求取發展空間。因此，高層建筑的發展是一種必然，同時高層建筑的結構設計也是建筑師關注的熱點之一。在結構發展與創新的過程中，可以將TRIZ理論應用于其中，以便指導結構發展的方向與解決發展過程中產生的矛盾。本文首先介紹了TRIZ理論與高層建筑結構的發展現狀，并運用TRIZ理論對現有的部分高層建筑結構的改進創新進行分析，得出了相關結論與評價，最終又通過TRIZ理論對高層建筑的轉換層結構進行創新設計，希望以此能夠解決現有轉換層結構中的矛盾。

1 TRIZ原理的發展概述

TRIZ理論從產生到發展至今，共經歷了3個階段：①創立階段。蘇聯發明家阿奇舒勒通過對世界各國250多萬件專利的分析研究，創造了40個發明原理與39個通用工程參數等可遵循的科學理論。②傳播階段。蘇聯解體后，大量的科學家移民到了美國、歐洲、亞洲，創辦了一系列的公司，開發基于TRIZ理論的軟件系統，并為一些公司提供咨詢服務。③應用階段。從2005年開始更多世界知名大公司開始引入TRIZ理論，并開始在內部推廣，經過幾十年的發展，TRIZ已進入成熟期。

TRIZ理論具有很強的實踐性，可廣泛地應用于各個領域，用TRIZ解決問題，首先要把問題轉換為問題的模型，然后從TRIZ解決問題的工具中找到解決問題的有效方法。TRIZ理論在解決技術矛盾時主要使用矛盾矩陣工具。

TRIZ研究的沖突是工程矛盾中的技術矛盾和物理矛盾。技術矛盾一般表現為以下3種：①在一個子系統中引入了某種有用功能導致某種有害功能的產生或增強；②某種有害功能削弱了另一子系統的有用功能；③有用功能的增強或有害功能的削弱導致另一子系統或系統變得復雜。將矛盾雙方的性能用39個通用工程參數表示后，運用矛盾矩陣找到對應的發明原理可以解決技術矛盾。

物理矛盾是對同一個對象的某個特性提出了互斥的要求[1]。對此，物理矛盾一般是通過分離原理獲得解決方案。分離原理有11種，現代TRIZ將其總結為4種分離方法：空間分離、時間分離、條件分離和系統級別上的分離。

TRIZ有助于思考方案，尋找和創建能夠滿足既定需要的系統。在這過程中，遇到的一切技術矛盾與物理矛盾都可以從40個發明原理中找到答案。發明原理構成了一個簡單的清單，從中可以得到基于不同情形和時間的解決方案，幫助創建所需要的系統，這個系統也可以運用于指導建筑結構的創新。

2 中國高層建筑結構發展現狀

中國高層建筑結構的出現時間遠早于現代高層建筑。例如，堪稱世界木結構奇跡的木塔，位于山西應縣，建造于公元1056年。該建筑采用木結構，67 m，9層[2]。當然，這個時期的中國高層建筑并不是被世界所承認的。對于現代高層建筑結構而言，其經歷了從框架結構→剪力墻結構→框架-剪力墻結構→筒體結構的發展過程。目前，高層建筑有“輕、轉、強、超、巨、異”6個發展方向。

3 高層建筑結構發展方向“轉”中創新思維與方法的運用

受人們對建筑功能需求的影響，現代高層建筑傾向于功能多樣化、用途綜合化。在同一座建筑中，上部樓層往往布置成小開間旅館、住宅；中部樓層需中等大小空間作為辦公用房；下部樓層需盡可能大的室內空間來作商店、餐館和文化娛樂設施。這種不同用途的樓層需要大小不同的結構形式，上部常采用較多墻體的剪力墻結構，中部采用部分柱、部分剪力墻結構，而下部常采用大柱網結構[3]。這種布置使建筑上部剛度大、下部剛度小，并不符合高層建筑結構的合理布置。

3.1 建筑功能需求引起的第一個技術矛盾的產生

在滿足高層建筑功能需求的同時，需要保證建筑的穩定性，即保證上部小開間、下部大空間的建筑結構布置，這樣就產生了技術矛盾。將矛盾雙方的性能轉化為通用工程參數，即改善參數為11應力或壓力（結構轉換處的受力），惡化參數為13結構的穩定性。查詢矛盾矩陣得到4個發明原理：35物理或化學參數改變原理、33同質性原理、02抽取原理、40復合材料原理。

基于TRIZ理論生成的解決該技術矛盾的流程設計圖如圖1所示，它包含了運用矛盾矩陣工具和結合發明原理的分析過程。

圖1 解決技術矛盾I流程設計圖

對于02抽取原理，即從物體中抽出必要的或產生負面影響（即干擾）的部分或屬性，分析后可以得出解決方法：抽取必要的承重屬性，在高層建筑結構轉換、剛度突變的樓層設置轉換層。轉換層結構的受力模型示意圖如圖2所示。

圖2 高層建筑轉換層結構受力模型圖

加設轉換層，將樓層上下部結構形式進行轉換，即可為底部提供大空間，形成一個很好的解決方案，此即高層建筑“轉”的發展方向。如香港新鴻基中心，51層，總高度為178.6 m，筒中筒結構體系。1—4層為大空間商業用房，5層以上為辦公樓。外框筒柱距為2.4 m，為解決底層大柱網入口處上、下不同結構柱網軸線的轉換，采用截面尺寸為2.0 m×5.5 m的預應力混凝土大梁，進而將下層柱距擴大為16.8 m和12 m[4]。

3.2 加設轉換層的大梁引起的第二個技術矛盾的產生

轉換層常使用高而大的梁以保證轉換層的強度和剛度足夠。該梁截面尺寸大，影響該層的使用空間，而且自重大，耗費材料多，造價昂貴。在保證轉換層強度的同時，需要減輕轉換層大梁的自重，減小轉換層大梁的體積，從而留出更多使用空間，由此產生了新的技術矛盾。

將矛盾雙方的性能轉化為通用工程參數，即改善參數為14強度，惡化參數為2靜止物體的質量與8靜止物體的體積。查詢矛盾矩陣，由參數14和2找到TRIZ推薦的4個發明原理：40復合材料原理、26復制原理、27廉價替代品原理、01分割原理。查詢矛盾矩陣，由參數14和8找到TRIZ推薦的4個發明原理：09預先反作用原理、14曲率增加原理、17空間維數變化原理、15動態特性原理。

基于TRIZ理論生成的解決該技術矛盾的流程設計圖如圖3所示，它包含了運用矛盾矩陣工具和結合發明原理的分析過程。

圖3 解決技術矛盾II流程設計圖

01分割原理在于把一個物體分割成相互獨立的，或容易組裝和拆卸的部分。17空間維數變化原理在于將一維線性運動的物體變為二維平面運動或三維空間運動，單層排列的物體變為多層排列，利用給定表面的反面，將物體傾斜或斜向放置。

基于上述發明原理分析，根據01分割原理，在構成上將轉換層大梁分割為上下弦桿與腹桿等互相連接的直桿，在受力上將其分割為一個個堅固的三角形區格；再依據17空間維數變化原理，將三角形區格集合成平面或空間結構單元，即桁架。由多個單層桁架（空腹桁架、混合空腹桁架等）迭合組成的結構稱為“迭層桁架結構”[5]。由此將轉換層大梁變為自重與體積更小的迭層桁架形式，形成一個很好的解決方案。此外，轉換層可以采用桁架、箱型結構、空腹桁架、托梁、雙向梁、厚梁厚板、傳力墻、間接的拱作用、有交叉端的柱和傳力拱等形式。如吳江農村商業銀行泰州管理總部，采用跨越4～6層共2層層高的疊層桁架在建筑底部形成跨度25.2 m的轉換構件[6]。上海裕年國際商務大廈在轉換的樓層（層4、5）設置跨度為4.6 m、高度為（3.9 m＋3.9 m）的預應力混凝土疊層轉換桁架[7]。

4 TRIZ理論對于新型轉換層結構設計的猜想

第三節所述的鋼結構的桁架體系轉換層盡管形成了一個很好的轉換層結構方案，但仍存在耗鋼多、未能材盡其用的問題，因此本文基于TRIZ理論提出了一種對于新型轉換層結構的設計，以期解決問題。

將矛盾雙方的性能轉化為通用工程參數，即改善參數為2靜止物體的質量，惡化參數為12形狀與13結構穩定性。查詢矛盾矩陣，由參數2和12找到TRIZ推薦的4個發明原理：13反向作用原理、10預先作用原理、29氣動與液壓結構原理、14曲率增加原理。由參數2和13又找到TRIZ推薦的4個發明原理：26復制原理、39惰性環境原理、01分割原理、40復合材料原理。

01分割原理在于把一個物體分割成相互獨立的，或容易組裝和拆卸的部分。14曲率增加原理在于由直線、平面向曲線、球面化方向或功能轉變，實現充分利用提高效率。

基于上述發明原理分析，根據01分割原理，將桁架轉換層分割成單個桁架梁，再將桁架梁重新分割成基本單元三角形區格；根據14曲率增加原理，將直線型的桁架轉化為以鋼構件為基本單元分段組成的拱形鋼桁架，將桁架轉換層由平面轉化為跨層的曲面網格狀拱形桁架網，并與拱形桁架單體在樓板的截面處埋入連接鋼管網以形成空間剛體，利于結構的穩定。

將轉換層由桁架體系變為拱形桁架網，將向量作用結構體系改為形態作用結構體系，拱形桁架使得轉換層梁上相當部分垂直荷載的傳力方向發生改變，保證承受荷載，同時該形態又節省了鋼材，故將其作為一種新型轉換層結構的創新設計提出。該創新設計對應的示意圖如圖4和圖5所示。

圖4 轉換層拱形桁架結構猜想的軸測示意圖

圖5 轉換層拱形桁架結構猜想的剖透視示意圖

5 結語

本文基于TRIZ理論的有關內容對高層建筑結構已有的創新內容進行了分析與檢驗，通過對2項已有的結構創新成果的分析，驗證了將TRIZ理論應用于指導高層建筑結構創新的可行性。在參照了國內各地相關建設案例過后，又基于TRIZ理論中的矛盾矩陣與發明原理的相關內容，針對現有轉換層桁架結構的局限性提出了創新設計——嘗試將路橋工程中的拱結構作為高層建筑一種新型的轉換層結構來替代現有的一般轉換層結構，從而減少建設用材。但該設計尚處于概念階段，并未更進一步地從工程建設的層面論證其合理性和可行性，希望在未來能夠對此問題進行進一步的探究，為中國建筑工程建設提供一種全新的解決思路。