從北戴河碧螺塔談形態(tài)仿生建筑的結(jié)構(gòu)技術(shù)

陳詩白

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

形態(tài)仿生建筑[1]也稱建筑形式仿生[2],或稱造型仿生建筑,近幾十年來開始在國內(nèi)外起步。它的研究意義是為了建筑應(yīng)用類比的方法從自然界吸取靈感進行創(chuàng)新[1～3]。

形態(tài)萬千的自然界蘊藏著海螺、貝殼、骨骼、林木花草、蜘蛛網(wǎng)、巢穴等無數(shù)優(yōu)美的可供人類建筑模仿的自然生物結(jié)構(gòu)。我國形態(tài)仿生建筑先例“北戴河碧螺塔”(圖1)已經(jīng)建塔 20年了。作為世界獨一無二的仿海螺形狀的螺旋觀光塔[4],碧螺塔飄入了無數(shù)中外游客的相冊,也引起業(yè)界不斷的學(xué)術(shù)關(guān)注[5～9]。與大量方塊建筑形成鮮明對比,形態(tài)仿生建筑中成功的結(jié)構(gòu)技術(shù)以其均衡、穩(wěn)定的力學(xué)美感,使建筑與大自然共舞,和諧而悠遠。

圖1 北戴河碧螺塔

形態(tài)仿生建筑中成功的結(jié)構(gòu)技術(shù),是結(jié)構(gòu)師超越模仿而升華為結(jié)構(gòu)技術(shù)擴展創(chuàng)新的一種過程。對于被模仿的自然生物和被設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)師以其特有的理性思維,致力于力學(xué)與美學(xué)的轉(zhuǎn)化,從整體到局部地對二者進行類比,從中萃取二者的結(jié)合點,同時使結(jié)構(gòu)安全適用、經(jīng)濟合理。

2 形態(tài)仿生建筑的結(jié)構(gòu)技術(shù)實例——北戴河碧螺塔

2.1 碧螺塔工程簡介

北戴河碧螺塔位于北戴河海濱小東山,主體塔高21.8m,主體建筑面積約 850m2,共 7層。業(yè)主和建筑師旨在通過其近似海螺、遠若帆輪,與三面環(huán)海呼應(yīng)的仿生建筑形態(tài),來構(gòu)建北戴河標志性建筑。

同時,業(yè)主和建筑師還提出了碧螺塔應(yīng)滿足“可賞、可攀,可憩”的形態(tài)仿生需求和圍繞“水、地、天”3個主題的建筑內(nèi)部空間使用需求。

2.2 碧螺塔結(jié)構(gòu)技術(shù)思路及方案

筆者作為當年北戴河碧螺塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計師,在剛剛接到這項新穎而棘手的工程項目時,心中尚無很明確的結(jié)構(gòu)體系方向。因此,在設(shè)計初期對碧螺塔工程制定的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計原則是:碧螺塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)首選以結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身直接表達仿生建筑形態(tài)的結(jié)構(gòu)方案;但是在沒有把握的困難情況下可以考慮采用以結(jié)構(gòu)體系間接仿生的較成熟穩(wěn)妥方案,寓安全、合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)技術(shù)于形態(tài)仿生建筑之中。

最初考慮的對比方案:結(jié)構(gòu)設(shè)計開展初期,確實感到其技術(shù)困難重重,對于如何實現(xiàn)海螺形態(tài)仿生尚沒有把握,因而設(shè)計思路趨于保守,其方案之一為:全部采用常規(guī)的梁、板、柱結(jié)構(gòu)體系,間接仿生。這一結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點是設(shè)計經(jīng)驗成熟穩(wěn)妥;缺點是需要大量橫梁、立柱和大量的外包圍護構(gòu)件。這不僅不經(jīng)濟,而且形態(tài)仿生效果不很理想,也限制了業(yè)主和建筑師提出的許多空間使用需求。

最終實施的創(chuàng)新方案:經(jīng)過對大小不一的各種天然海螺實體構(gòu)造形態(tài)的反復(fù)研究和類比分析,方案思路逐漸拓寬:各種天然海螺殼是憑借著其空間螺旋構(gòu)造得以承受水壓力、彎矩和其他外力的。用這樣的類比分析思路,在其后的多個碧螺塔結(jié)構(gòu)方案探索中致力于用螺旋結(jié)構(gòu)技術(shù)本身來直接表達海螺的主螺旋形態(tài),最終,大膽而審慎地構(gòu)思出“空間螺旋懸挑結(jié)構(gòu)體系”方案。“空間螺旋懸挑結(jié)構(gòu)體系”方案和它的具體深化設(shè)計,在當時無類似國內(nèi)外應(yīng)用先例可鑒,甚至至今都沒有現(xiàn)成的結(jié)構(gòu)技術(shù)模式或設(shè)計規(guī)范可直接套用,這是對螺旋結(jié)構(gòu)技術(shù)和懸挑結(jié)構(gòu)技術(shù)的擴展創(chuàng)新應(yīng)用。

“空間螺旋懸挑結(jié)構(gòu)體系”方案在碧螺塔上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,擯棄了最初保守方案中許多的梁、柱和外包構(gòu)件,滿足了碧螺塔形態(tài)仿生需求和建筑空間使用需求。

2.3 碧螺塔重點采用的結(jié)構(gòu)技術(shù)

(1)空間螺旋懸挑結(jié)構(gòu)技術(shù)?？臻g螺旋懸挑結(jié)構(gòu)體系是構(gòu)成北戴河碧螺塔海螺造型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)技術(shù)?？臻g螺旋懸挑結(jié)構(gòu)體系的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件之一是鋼筋混凝土螺旋懸挑板。沿豎向圓滑漸變上升的螺旋懸挑板,或袒露,或遮掩,在結(jié)構(gòu)體系中是做為各樓層的基本承重傳力構(gòu)件;于形態(tài)仿生造型意義是直接展現(xiàn)了海螺的主螺旋基線;在建筑使用功能上既是作為觀賞樓梯,又是作為每層房屋的樓蓋或地板,

碧螺塔空間螺旋懸挑結(jié)構(gòu)體系中的另一主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件是豎向鋼筋混凝土核芯筒。核芯筒在碧螺塔結(jié)構(gòu)分析中被假定為剛體,作為螺旋懸挑板的支撐傳力構(gòu)件,使螺旋懸挑板自核芯筒盤旋懸出;于形態(tài)仿生造型意義上,核芯筒直接模仿海螺若隱若現(xiàn)的軀體;其建筑使用功能,是作為水電、維修等設(shè)備用房和倉庫。

(2)異型輕鋼小剛架結(jié)構(gòu)技術(shù)。為呈現(xiàn)海螺殼的一條條起伏波紋棱褶和一個個螺殼分區(qū),結(jié)構(gòu)技術(shù)采用長短、高度、弧度無一相同的數(shù)十組小型輕鋼剛架,上覆輕鋼檁條和異型鋼板,這種結(jié)構(gòu)自重輕,受力性能好,使各層局部屋面荷載由此逐步傳入螺旋懸挑板。由于尺寸相異,為達到線條順滑的效果,對于數(shù)十組小型輕鋼剛架,逐一編號,單獨計算、設(shè)計并焊接成型。

(3)鋼筋混凝土異型拱結(jié)構(gòu)技術(shù)。為表達海螺外伸軟體組織的蜿蜒性和飄逸感,結(jié)構(gòu)技術(shù)采用了鋼筋混凝土異型拱體系作為另一類室外觀海樓梯。在異型拱形狀突變之處配以局部加強鋼筋、加強帶等結(jié)構(gòu)技術(shù)措施。異型拱基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)分離。

(4)耐久性結(jié)構(gòu)措施。針對碧螺塔三面臨海、位置孤立等工況特征,采用了抗海水侵蝕、抗裂等耐久性結(jié)構(gòu)技術(shù)措施。

(5)施工配合。在工程施工中,結(jié)構(gòu)師注重現(xiàn)場配合指導(dǎo),嚴格掌控空間螺旋懸挑板結(jié)構(gòu)體系中關(guān)鍵部位的鋼筋接頭位置、比例、搭接長度和混凝土澆筑與拆模時間,力求結(jié)構(gòu)技術(shù)與仿生造型的對話安全、雋永、完美 。

2.4 碧螺塔結(jié)構(gòu)計算重點

(1)碧螺塔上部結(jié)構(gòu)的計算重點。對于承受較大活荷載和較大集中荷載的空間螺旋懸挑板的計算,當時無國內(nèi)外應(yīng)用先例可鑒,其結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算及構(gòu)造要求等,至今尚無統(tǒng)一的標準規(guī)范。結(jié)構(gòu)師為此做了多種結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的對比分析,例如用懸臂梁法、平面圓環(huán)板近似法、空間有限元法等方式進行。

空間螺旋懸挑板結(jié)構(gòu)的內(nèi)力關(guān)鍵要素在于徑向和切向彎矩。若取值偏小,則直接影響結(jié)構(gòu)安全;若取值過大,會造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和配筋加大,不僅是不經(jīng)濟,也嚴重影響海螺造型需求和建筑空間使用需求。表1是用 3種計算方法計算出的螺旋懸挑板最不利位置最大徑向彎矩值的比值。

表1 螺旋懸挑板最大徑向彎矩計算結(jié)果比值

從表1的比值可以看出,各種計算方法的計算結(jié)果差異很大。用懸臂梁法計算的結(jié)果最大,而用空間有限元法計算的結(jié)果最小。

懸臂梁法是取出空間螺旋懸挑板水平面投影的1/8～1/4扇區(qū)作為計算模型,是假設(shè)扇區(qū)兩側(cè)切口處完全自由的,而實際上切口處受有環(huán)向彎矩、豎向剪力等約束,這種釋放約束的計算模型,無疑會使位移加大,內(nèi)力也隨之增加,造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和配筋過大。因而這一計算方法的結(jié)果是有缺陷的,需要調(diào)整。

平面圓環(huán)板近似法,考慮了空間螺旋懸挑板環(huán)向彎矩、豎向剪力等約束的影響,但沒有考慮空間螺旋懸挑板水平投影平面內(nèi)的跨度變化和實際開口影響,沒有考慮螺距的空間約束影響。因而這一方法的計算結(jié)果同樣是有缺陷的,需要調(diào)整。

而空間有限元法的理論計算假定、計算機數(shù)值計算模型存在著與碧螺塔空間螺旋懸挑板實際工程結(jié)構(gòu)的許多差異,其中有些差異難以細化分析,因而采用這一計算方法的結(jié)果時更需謹慎。

如此,對于這樣沒有設(shè)計計算規(guī)范可依據(jù)、沒有成熟的計算方法、沒有計算先例可借鑒的空間螺旋懸挑板的結(jié)構(gòu)計算,結(jié)構(gòu)師采用了基于概念分析的綜合調(diào)整取值方法。即:結(jié)構(gòu)師以結(jié)構(gòu)受力概念為宏觀依據(jù),認真分析各種計算方法的前提假定和計算過程,分析它們與碧螺塔空間螺旋懸挑板實際工程結(jié)構(gòu)的差異性質(zhì),然后綜合調(diào)整確定內(nèi)力取值。用這樣基于概念分析的綜合調(diào)整取值方法設(shè)計的碧螺塔空間螺旋懸挑板結(jié)構(gòu),滿足了安全、經(jīng)濟理念,滿足了海螺造型需求和空間使用需求,歷經(jīng)了漫長歲月的驗證。

(2)碧螺塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的計算重點。形態(tài)仿生的碧螺塔整體概貌為上大下小、非軸線對稱結(jié)構(gòu),因此基礎(chǔ)設(shè)計計算重點在于解決主體結(jié)構(gòu)在自重和風(fēng)荷載、地震力等工況組合作用下的抗傾覆穩(wěn)定問題。此外,還在基礎(chǔ)工程中采用了抗震、抗傾覆的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。

3 形態(tài)仿生建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

形態(tài)仿生建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅需要滿足常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)功能,還承擔著將結(jié)構(gòu)技術(shù)向仿生建筑美學(xué)意境轉(zhuǎn)化的重任。筆者通過形態(tài)仿生建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐,通過對中外形態(tài)仿生建筑代表作品結(jié)構(gòu)技術(shù)的學(xué)習(xí)與研究,歸納出形態(tài)仿生建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點如下。

(1)力求以結(jié)構(gòu)體系本身直接表達形態(tài)仿生建筑,不外包,不裝飾。這是結(jié)構(gòu)技術(shù)用于形態(tài)仿生建筑的高境界。如前所述,北戴河碧螺塔的“空間螺旋懸挑結(jié)構(gòu)體系”就是對這種高境界的探索嘗試。近 20年來,國內(nèi)外相繼涌現(xiàn)了一些體現(xiàn)出這種高境界的范例。例如:圣地亞哥?卡拉特拉瓦[10]的許多經(jīng)典工程。他主持設(shè)計的法國里昂機場高速鐵路客運站(圖2),于 1994年建成,由通往機場的長廊、上部鋼結(jié)構(gòu)站廳層和下部橫穿的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)站臺層三大主要部分構(gòu)成。站臺層采用坦裸的預(yù)制混凝土 Y形構(gòu)件,支撐頂部鋼筋混凝土的拱梁架,梁架構(gòu)件之間的斜向交叉,自然形成奇妙的圖形;站廳層鋼結(jié)構(gòu)護翼,由一系列錐形鋼肋支撐,傾斜鋼肋固定在巨大的混凝土格構(gòu)梁上,像展開雙翅的雄鷹?？ɡ乩哌€將裸露的異型剛架結(jié)構(gòu)技術(shù)用于西班牙瓦倫西亞科學(xué)城的骨骼形態(tài)(圖3)和葡萄牙里斯本東方車站植物蔟群形態(tài)(圖4),淋漓盡致地展示不外包,不裝飾的結(jié)構(gòu)技術(shù)美感。

圖2 法國里昂機場高速鐵路客運站

圖3 瓦倫西亞科學(xué)城

圖4 葡萄牙里斯本東方車站

北京國家體育館,采用裸露的鋼桁架“編織”成整體的巨型空間曲面“鳥巢”結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)即外觀,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)技術(shù)與仿生建筑造型的完美轉(zhuǎn)換。

圖5 施工中的鐵路武廣客運專線武漢站

為展現(xiàn)“千年鶴歸”的遠觀效果,已開通的我國鐵路武廣鐵路客運專線武漢站(圖5)以大跨度鋼結(jié)構(gòu)異型曲面格構(gòu)網(wǎng)殼展示大面積的弧型屋頂;主站房拱形門及裸露的內(nèi)外立柱像一束束天然樹枝,主干與支叉均在發(fā)揮著承重傳力作用和形態(tài)仿生作用,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)技術(shù)與建筑美學(xué)的和諧統(tǒng)一。

(2)對結(jié)構(gòu)技術(shù)進行擴展和創(chuàng)新應(yīng)用,是形態(tài)仿生建筑滿足空間需求的必經(jīng)之路。僅就滿足建筑造型來說,用于常規(guī)建筑的結(jié)構(gòu)體系,例如框、排架,剪力墻,筒體,桁架,殼體,等等,均可用于形態(tài)仿生建筑,并且可采用混凝土、鋼材、石材、砌塊等常規(guī)材料。配之以圍護、裝飾構(gòu)件,這些結(jié)構(gòu)體系主要起著間接仿生作用。

然而,形態(tài)仿生建筑的空間需求,用上述常規(guī)的結(jié)構(gòu)體系往往無法實現(xiàn)。從小建筑規(guī)模的北戴河碧螺塔,到大建筑規(guī)模的“鳥巢”,幾乎每一座成功的形態(tài)仿生建筑的空間使用需求都基于對結(jié)構(gòu)技術(shù)的擴展創(chuàng)新應(yīng)用。

目前,大跨度剛架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、索拱結(jié)構(gòu)、管桁架結(jié)構(gòu)、拱型結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)在新北京南站、武漢站(“鶴歸”形態(tài))、廣州站(“芭蕉葉”穹頂)、上海虹橋站、天津西站等鐵路大型客站被廣泛采用,其中蘊含了大量的對結(jié)構(gòu)技術(shù)的擴展創(chuàng)新,營造了高大、開敞的站房空間環(huán)境。無疑,對大跨度空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的進一步擴展創(chuàng)新應(yīng)用,是形態(tài)仿生建筑滿足大空間需求的必經(jīng)之路。

(3)關(guān)于結(jié)構(gòu)技術(shù)與被模仿的自然生物結(jié)構(gòu)形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。一座形態(tài)仿生建筑的實現(xiàn),究竟采用哪種結(jié)構(gòu)技術(shù),理論上沒有唯一解?？少Y借鑒的經(jīng)驗是:仿螺旋生物形態(tài)的可采用螺旋結(jié)構(gòu)技術(shù)并擴展創(chuàng)新,例如北戴河碧螺塔;仿樹枝、骨骼、巢穴形態(tài)的可采用剛架結(jié)構(gòu)技術(shù)并擴展創(chuàng)新,例如北京“鳥巢”;仿飛鳥翅膀形態(tài)的的可采用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)、剛架結(jié)構(gòu)技術(shù)或拱形結(jié)構(gòu)技術(shù)并擴展創(chuàng)新,例如法國里昂機場高速鐵路客運站、武漢新客站。

(4)結(jié)構(gòu)體系需適應(yīng)施工技術(shù)。例如北戴河碧螺塔,對于每層上部起翹的海螺殼造型,原設(shè)計方案是采用異型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),但由于當時施工條件的限制而不能實施,最后改為采用異型輕鋼小剛架結(jié)構(gòu)。

(5)形態(tài)仿生建筑中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平、豎向布局,既要精致地表達仿生建筑的形態(tài)造型,又要把握好結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計原則。北戴河碧螺塔的設(shè)計中,對體系轉(zhuǎn)換之處、剛度突變之處、受力集中之處等薄弱部位增設(shè)了各種補強措施或抗震構(gòu)造措施,嚴格保證“大震不倒”三水準抗震設(shè)防目標。

(6)形態(tài)仿生建筑若采用綠色環(huán)保型結(jié)構(gòu),會獲得仿生、環(huán)?！半p贏”的效果。

鋼結(jié)構(gòu):鋼材不僅自重輕、抗震性能好和有利于構(gòu)建大空間,且革除了生產(chǎn)或加工磚、瓦、石、灰、水泥等建材對環(huán)境的破壞與影響,材料的回收和再利用率高,是人與自然和諧可持續(xù)發(fā)展的綠色建材。上述的形態(tài)仿生建筑工程范例,不僅僅是結(jié)構(gòu)體系與仿生形態(tài)一致化的范例,而且也幾乎都是結(jié)構(gòu)技術(shù)與綠色環(huán)保鋼結(jié)構(gòu)材料和諧統(tǒng)一的范例。

清水混凝土結(jié)構(gòu):這種結(jié)構(gòu)技術(shù)顯示的是天然、厚重與清雅的美感。它舍去了大量的抹灰、飾面等化工產(chǎn)品,減少了建筑垃圾和污染,因此是綠色環(huán)保型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在國外尤其在日本應(yīng)用較多;在我國也得到了一定的應(yīng)用。武漢新客站的高架橋?qū)⑶逅炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)寓于其中,取得了良好效果。

(7)目前,形態(tài)仿生建筑的結(jié)構(gòu)技術(shù)僅僅是對自然生物結(jié)構(gòu)的借鑒性模仿、重構(gòu),但還不是復(fù)制。雖然可以做到“形似”和“神似”自然生物結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)有的較吻合,有的卻差異甚大。

4 目前的局限與限制

(1)國內(nèi)外有關(guān)仿生建筑的論述尚未形成思想或體系[3]。而從結(jié)構(gòu)技術(shù)的角度探討仿生建筑,國內(nèi)外仍不多見。也就是說,形態(tài)仿生建筑的結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用與研究,尚處于潛意識起步階段。

(2)施工技術(shù)的局限性,也是制約形態(tài)仿生建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的重要因素。

(3)形態(tài)仿生建筑的結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展前景,應(yīng)是實現(xiàn)生態(tài)建筑、綠色建筑[11]或進化式建筑[12]。不僅“形態(tài)”意義的仿生,整體組織機理和使用功能也應(yīng)仿生,但這目前首先受限于仿生材料技術(shù)。大自然中的生物以最少的材料構(gòu)建了堅固、美觀的外形和實用的生存空間,往往令以力學(xué)為基本視點的結(jié)構(gòu)師們驚嘆和困惑,因為對天然生物材料的構(gòu)造性能和生長機理進行分析、復(fù)制或超越,研制出輕質(zhì)高強的仿生建筑結(jié)構(gòu)材料,往往需要生物工程、基因工程、高分子化學(xué)等多學(xué)科的交融滲透。

5 結(jié)語

從最近幾年國外一些建筑事務(wù)所參與我國國際招標工程所提供的設(shè)計方案來看,建筑形態(tài)的仿生化、結(jié)構(gòu)體系與仿生形態(tài)的一致化是明顯趨勢,以往形態(tài)單一方正的設(shè)計方案已沒有競爭力。而設(shè)計難度遠遠高于常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,形態(tài)仿生建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐,是對結(jié)構(gòu)師的尖銳挑戰(zhàn)。其意義不止于對于建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的擴展與創(chuàng)新,對于建造生態(tài)建筑、綠色建筑更具極大推動力。

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