中小尺度航站樓空間中的結(jié)構(gòu)表達

周健

華建集團華東建筑設(shè)計研究總院

結(jié)構(gòu)在成就建筑之美的同時，自身也能作為建筑美的一部分得以表達，這是結(jié)構(gòu)工程師最希望看到的結(jié)果。以往，較多的航站樓設(shè)計選擇了大尺度的室內(nèi)空間，甚至將大空間的屋蓋鋼結(jié)構(gòu)部分全部外露進行展示，其中結(jié)構(gòu)體系展示完整、形和力契合完美、節(jié)點處理干凈的項目，往往能夠給人留下深刻印象，成為結(jié)構(gòu)與建筑完美融合的范例。

近年來，越來越多成熟的機場業(yè)主對航站樓建筑的關(guān)注點，從追求外部形態(tài)的標志性和室內(nèi)空間的高大氣派，轉(zhuǎn)向追求功能的便捷高效和環(huán)境的人性化，這種務實的建筑觀使中小空間在航站樓中頻繁出現(xiàn)，如何在這樣的中小空間中實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的建筑表達是一個新的命題。下面通過華建集團華東建筑設(shè)計研究總院的三個項目實踐，探討中小尺度航站樓空間結(jié)構(gòu)表達的幾個關(guān)鍵要素。

1 虹橋機場T2航站樓

虹橋交通樞紐綜合了機場、高鐵、軌道交通等多個功能，是由幾個高度相當?shù)膯误w連成一體的巨大建筑群（圖1），虹橋機場T2航站樓位于最東側(cè)。若以一般大型機場為參照，T2航站樓室內(nèi)空間只能算中小尺度。T2航站樓是橫平豎直的規(guī)則形態(tài)，不適合通過建筑外形彰顯建筑特點，建筑師設(shè)計的重點在于建筑功能的便捷、高效、人性化以及建筑空間的簡潔、精細、內(nèi)斂，同時建筑師希望通過結(jié)構(gòu)的適當展示來強化建筑總體特征，并助力建筑空間品質(zhì)的塑造。

由于結(jié)構(gòu)跨度不大，常規(guī)的結(jié)構(gòu)體系即可滿足受力需求。結(jié)構(gòu)設(shè)計并沒有止步于關(guān)注結(jié)構(gòu)效率的最優(yōu)化，而是力求在結(jié)構(gòu)受力合理的范圍內(nèi)，把結(jié)合建筑表達需要尋求綜合的最優(yōu)作為目標；又因為空間尺度不大，旅客離結(jié)構(gòu)構(gòu)件相對較近，外露結(jié)構(gòu)的精致性也順理成章地成為設(shè)計的基本要求。

T2航站樓的辦票大廳平面類似一個高度為36m的倒置梯形，屋面在其中三條邊的邊緣都設(shè)置了3m寬的條形天窗。對于這個跨度，從結(jié)構(gòu)受力角度分析，鋼桁架是最為經(jīng)濟的選擇，但天窗的存在會使相對繁雜的桁架構(gòu)件直接暴露在視線內(nèi)，與建筑空間的簡約風格不甚相符。最終建筑師選擇了更為簡潔的實腹箱梁方案——吊頂設(shè)于梁間，梁的底面全部外露，結(jié)構(gòu)的傳力途徑得以完整展示，干凈利落（圖2，3）。

常規(guī)的梁柱體系難以表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的精致性，建筑師與結(jié)構(gòu)工程師不約而同地想到了通過節(jié)點的處理進行表達：梁柱間采用理想的鉸接，使得銷軸節(jié)點這一發(fā)揮余地極大的節(jié)點形式有機會應用，同時梁截面得以在端部大幅收小，以實現(xiàn)視覺上的輕量化，從而呈現(xiàn)精致的效果（圖4）。

纖細的支柱可使屋蓋顯得輕盈，盡可能減小外露柱的截面也是建筑師的要求。通常情況下，柱截面無法做小是因為柱子需要同時承受豎向荷載和水平荷載。在辦票大廳中，通過加強屋面內(nèi)剛度，將水平荷載全部傳至不外露的框架結(jié)構(gòu)和周邊的柱間支撐（圖5），使外露柱僅承受豎向荷載，10m凈高的鋼柱直徑可以控制在450mm，達到了纖細的效果（圖6）。柱間支撐采用鋼拉桿，梁、柱、系桿、支撐間的鉸接節(jié)點做了特殊處理（圖4）。自動扶梯位置各層樓板缺失，支撐屋頂?shù)闹鶑?16m的地下層直接升到+22m，柱長達38m。為了使同一空間中的外露柱保持相同的450mm直徑，結(jié)合幕墻構(gòu)件的需要，在各樓層設(shè)置水平桁架，對柱形成彈性側(cè)向約束以減小計算長度，桁架本身也盡可能簡化構(gòu)造，縮減尺寸（圖7）。

2 虹橋機場T2航站樓辦票大廳鋼梁

3 虹橋機場T2航站樓辦票大廳鋼梁

4 虹橋機場T2航站樓多桿鉸接節(jié)點

5 虹橋機場T2航站樓柱間支撐

虹橋機場T2航站樓

業(yè)主：上海機場集團

建筑設(shè)計：華建集團華東建筑設(shè)計研究總院

設(shè)計團隊：郭建祥、高文艷、黎巖、潘勝龍、付小飛、馮昕、張建華、呂程、紀晨、楊夢柳、余舜華、謝曦、張宏波等（建筑）；周健、徐志敏、陳紅宇、項玉珍、汪大綏、張富林、周偉、施志深、許靜、季俊杰、劉建飛、陸屹、陳小平、畢曉平（結(jié)構(gòu)）

設(shè)計時間：2005～2010

建成時間：2010

6 虹橋機場T2航站樓辦票大廳鋼柱

7 虹橋機場T2航站樓跨層柱

8 虹橋機場T2航站樓無行李通道連橋

T2航站樓內(nèi)的連接通道均獨立設(shè)置在較高空間的中部，自然成為了視覺的焦點，它們也都被作為結(jié)構(gòu)表達的對象進行展示：到達大廳的無行李通道位于柱間跨中，與柱網(wǎng)呈45°夾角關(guān)系，結(jié)構(gòu)上采用纖細的鋼桿斜拉方式為通道結(jié)構(gòu)提供支點，強化了結(jié)構(gòu)的懸浮感（圖8）；前往交通中心的長連橋采用了同樣的斜拉結(jié)構(gòu)形式，鋼箱梁整體為錐形，使周邊顯得很薄，增加了輕巧感，箱梁內(nèi)設(shè)置了TMD減振裝置以解決人致振動問題（圖9）；跨越下沉花園進出車庫的步行橋采用梁柱結(jié)構(gòu)，鋼柱上下鉸接只承受重力，側(cè)向剛度由較為隱蔽布置的外加水平索提供，讓簡單的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一種看似不穩(wěn)定的趣味性（圖10）；辦票大廳內(nèi)通往屋頂餐廳的連橋采用普通單跨梭形桁架結(jié)構(gòu)，斜腹桿按受拉方向布置，截面明顯小于受壓的直腹桿，視覺效果上使桿件顯得更為簡潔，同時二者截面尺寸的差異也為相交處采用銷軸節(jié)點創(chuàng)造了條件。結(jié)合泛光照明，整個連橋顯得玲瓏剔透（圖11）。

9 虹橋機場T2航站樓前往交通中心連橋

10 虹橋機場T2航站樓前往車庫連橋

11 虹橋機場T2航站樓辦票大廳連橋

12 虹橋機場T2航站樓雙向張弦梁屋蓋

13 虹橋機場T2航站樓格構(gòu)式腹桿

14 虹橋機場T2航站樓入口雨篷

航站樓中唯一跨度較大的結(jié)構(gòu)是位于南北兩側(cè)的貴賓候機廳屋蓋，其平面形狀為底邊90m、高45m的等腰直角三角形，采用了雙向張弦梁結(jié)構(gòu)以配合建筑師對屋面天窗指向性的要求（圖12）。為了解決雙向桿件相互穿越的問題，所有的腹桿均做了空腹的特殊處理（圖13）。

樓前入口雨篷，也采用了小型的弦支結(jié)構(gòu)，很好地控制了頂部結(jié)構(gòu)的厚度，從而為格柵等建筑構(gòu)造讓出空間，同時撐桿和下弦拉桿的節(jié)點進一步強化了結(jié)構(gòu)的精致性（圖14）。

整個虹橋T2航站樓雖然沒有用到復雜的空間結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的表達也采取了較為含蓄的方式，但每一處結(jié)構(gòu)的設(shè)計都遵循了建筑空間簡潔、精細、內(nèi)斂的統(tǒng)一邏輯，通過結(jié)構(gòu)細節(jié)的精致表達，提升了建筑空間品質(zhì)。

15 虹橋機場T1航站樓改造后外景

虹橋機場T1航站樓改造

業(yè)主：上海機場集團

建筑設(shè)計：華建集團華東建筑設(shè)計研究總院

設(shè)計團隊：郭建祥、張宏波、呂程、孫蕓、馬洪濤、鞠黎舟（建筑）；周健、張耀康、許靜、王帥、顧樂明、蔡學勤、周慧、陸屹（結(jié)構(gòu)）

設(shè)計時間：2012～2017

建成時間：2018

2 虹橋機場T1航站樓改造

虹橋機場T1航站樓分為A樓和B樓，本次改造前已在20世紀60、80、90年代經(jīng)多次改擴建，是一個根據(jù)時代發(fā)展需求逐漸“生長”的建筑。本次改造的目標是提升整體服務品質(zhì)、安全保障系統(tǒng)、環(huán)境空間形態(tài)，并使之與新建的T2航站樓匹配。根據(jù)結(jié)構(gòu)鑒定結(jié)果和投資情況，本次改造為部分拆除后新建、部分加固改造，其中拆建面積超過5萬m2，加固改造面積超過7萬m2（圖15）。

與結(jié)構(gòu)表達相關(guān)的主要是A、B樓立面改造和相應辦票大廳內(nèi)部空間的改造。原辦票大廳樓面以上立面及屋頂拆除，原樓面上加建抬高的立面、屋頂和外挑加大的雨篷（圖16）。改造后的辦票大廳進深24.5m，屬于中等偏小的空間尺度，結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)這種尺度的跨越有多種方案，如何選擇取決于兩個關(guān)鍵因素：一是下部混凝土結(jié)構(gòu)加固條件的約束，二是建筑師希望結(jié)構(gòu)在這個空間中起怎樣的表達作用。

為了在一個不大的空間里盡可能減少構(gòu)件和層次，建筑師根據(jù)直覺，提出可以嘗試屋面、幕墻、雨篷一體化設(shè)計?！耙惑w化”概念在結(jié)構(gòu)工程師眼中就是一幅名為“平衡”的彎矩圖（圖17）：懸挑雨篷的彎矩與屋蓋的彎矩內(nèi)外平衡，可以明顯減小對原結(jié)構(gòu)柱的彎矩作用從而減小對柱的加固要求；屋面、立面、雨篷三者形成一體化整體結(jié)構(gòu)，弱化了與支承柱的連接，體現(xiàn)了由穩(wěn)重的混凝土基座支托輕盈屋蓋的漂浮感，這也是建筑師希望看到的效果。

為了與T2航站樓風格相協(xié)調(diào)，建筑師希望結(jié)構(gòu)“能以一種精致的方式在建筑空間中呈現(xiàn)”。結(jié)構(gòu)體系的研究從構(gòu)件的尺度與建筑空間尺度相協(xié)調(diào)開始：支承屋蓋-立面-雨篷一體化系統(tǒng)的混凝土柱間距為24.5m，屋面的跨度23m并由單坡的折點劃分為9.5m+13.5m，外挑雨篷12m；在這些跨度條件下，各種現(xiàn)有的格構(gòu)化結(jié)構(gòu)體系如桁架、網(wǎng)架都會因桿件過多而顯得繁復，常規(guī)的梁式跨越對構(gòu)件的截面需求相對于這個空間尺度又顯得偏大。通過采用將豎向支承構(gòu)件格構(gòu)化離散的方式，將外輪廓上所有桿件的跨度減小至界面高度500mm以內(nèi)的鋼梁可以輕松跨越，格構(gòu)化的豎向支承構(gòu)件也成為顯示結(jié)構(gòu)邏輯和節(jié)點的載體（圖18，19）。外輪廓構(gòu)件均采用矩形截面以方便與幕墻、天窗及屋面板等圍護系統(tǒng)連接，格構(gòu)化離散構(gòu)件全部采用鉸接圓桿，以精細的鉸接節(jié)點展示其僅承受軸力的特點（圖20，21）。

在結(jié)構(gòu)體系和節(jié)點確定過程中，建筑與結(jié)構(gòu)兩個專業(yè)緊密配合，很難分清哪些是建筑確定的、哪些是結(jié)構(gòu)確定的，所有做法都是在探討研究過程中逐漸得出結(jié)論。最終完成的這個外觀平直方正、內(nèi)部能感受到結(jié)構(gòu)細部的航站樓基本實現(xiàn)了最初的設(shè)想。

16 虹橋機場T1航站樓改造情況

17 虹橋機場T1航站樓改造一體化結(jié)構(gòu)平衡彎矩圖

18 虹橋機場T1航站樓改造柱格構(gòu)化后的結(jié)構(gòu)骨架

19 虹橋機場T1航站樓改造格構(gòu)化的支承柱

20 虹橋機場T1航站樓改造后入口雨篷

21 虹橋機場T1航站樓改造后辦票大廳

22 揚州泰州機場航站樓外景

3 揚州泰州機場航站樓

揚州泰州機場航站樓總建筑面積約3萬m2（圖22），在本項目中，建筑師想嘗試不設(shè)吊頂、屋蓋結(jié)構(gòu)完全外露的設(shè)計，以結(jié)構(gòu)的力量表現(xiàn)這個經(jīng)濟快速發(fā)展地區(qū)的勃勃生機。失去了選擇性地隱藏結(jié)構(gòu)的機會，整個結(jié)構(gòu)的每一個角落都成了室內(nèi)空間重要的表達內(nèi)容（圖23），這對建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計都是新的挑戰(zhàn)。

該屋面的形態(tài)為由一條雙波曲線經(jīng)扇形展開而成的雙曲面，支承屋面結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)也呈放射狀布置，徑向和環(huán)向最大柱距分別為45m和24m，建筑師最初希望暴露的屋蓋結(jié)構(gòu)是一個單層的斜交網(wǎng)格。經(jīng)過初步的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，如按視覺效果合適的角度斜交布置網(wǎng)格，柱頂支承點之間無法有直接網(wǎng)格構(gòu)件，因而網(wǎng)格受力的效率很低，截面高度需求過大，經(jīng)濟性較差且建筑外觀過于笨重；如果調(diào)整構(gòu)件網(wǎng)格夾角至柱頂間有構(gòu)件直接連接，則視覺效果不好，且過小的桿件間夾角也會給制作帶來困難。

于是我們嘗試了主次結(jié)構(gòu)的方案：由徑向布置于柱頂?shù)闹骺缭浇Y(jié)構(gòu)支承斜交網(wǎng)格次結(jié)構(gòu)（圖24），次結(jié)構(gòu)24m的最大跨度可以采用較小的構(gòu)件截面，網(wǎng)格的布置原則也更為自由，從而滿足建筑師的要求。建筑師最終選擇了網(wǎng)格邊長基本不變的斜交網(wǎng)格布置原則，視覺效果更為勻質(zhì)。至此，設(shè)計的關(guān)鍵問題已經(jīng)轉(zhuǎn)化為主跨越結(jié)構(gòu)形式的選擇。

23 揚州泰州機場航站樓結(jié)構(gòu)完全外露的鋼屋蓋

揚州泰州機場航站樓

業(yè)主：蘇中江都機場投資建設(shè)有限責任公司

建筑設(shè)計：華建集團華東建筑設(shè)計研究總院

設(shè)計團隊：郭建祥、付小飛、張宏波、紀晨、申世明（建筑）；周健、張耀康、蔣本衛(wèi)、王冬、許靜、王靜（結(jié)構(gòu)）

設(shè)計時間：2010～2012

建成時間：2012

24 揚州泰州機場航站樓屋蓋主次結(jié)構(gòu)布置圖

25 揚州泰州機場航站樓拱形連續(xù)鋼梁

45m+40m的二跨拱形主跨越結(jié)構(gòu)有桁架、張弦梁、拱形實腹梁三個可行的選擇。由于外露的斜交網(wǎng)格次結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成了一個比較豐富的視覺背景，同樣桿件繁多的桁架結(jié)構(gòu)映襯在上面顯得過于雜亂，因此首先被排除；根據(jù)建筑對室內(nèi)凈高的要求，設(shè)有下弦桿的張弦結(jié)構(gòu)也被否定；最終確定了最為簡單的連續(xù)拱形梁作為主跨越結(jié)構(gòu)（圖25）。拱形鋼梁截面最高處為1.5m，建筑師覺得在這個不高的空間中還是略顯厚重，最終通過在截面中抽槽的方式來實現(xiàn)視覺上的輕量化（圖26）。主次結(jié)構(gòu)按上表面平齊的方式交接，消除了屋面板鋪設(shè)后由于面高差帶來的空隙。

26 揚州泰州機場航站樓抽槽處理的鋼梁截面

27 揚州泰州機場航站樓V形柱和人字柱

28 揚州泰州機場航站樓鉸接柱頂

29 揚州泰州機場航站樓鉸接柱底

30 揚州泰州機場航站樓徑向布置的拉索支撐

連續(xù)起伏的拱形梁使屋蓋充滿動感，支承柱也選擇了活潑的V形柱、人字柱和搖擺柱與之協(xié)調(diào)（圖27），柱采用二端鉸接，柱頂、柱底的節(jié)點都做了特別處理（圖28，29）；沿徑向布置的V形柱和人字柱給屋蓋結(jié)構(gòu)提供了徑向剛度，環(huán)向的剛度則由沿環(huán)向布置于幕墻面的拉索支撐提供（圖30）。

在本項目中，結(jié)構(gòu)完全外露使得結(jié)構(gòu)的表達更為強烈，在這種情況下，過多桿件視覺上的重疊和桿件間的不自然交接需要引起重視。

4 結(jié)語

在中小尺度航站樓空間中，結(jié)構(gòu)的表達尤其需要關(guān)注旅客對結(jié)構(gòu)的感受，它需要傳遞給旅客的信號應該與這座航站樓希望給人的印象統(tǒng)一，比如虹橋機場的精致和人性化、揚州泰州機場的活力感。從結(jié)構(gòu)技術(shù)角度來看，結(jié)構(gòu)邏輯清晰完整的展示、構(gòu)件尺度的控制、節(jié)點的精雕細琢是結(jié)構(gòu)表達的三個關(guān)鍵點。結(jié)構(gòu)體系本身不分高下，是否適用和處理得當、能否給建筑的整體品質(zhì)加分才是成敗的關(guān)鍵。要做好一個中小空間的結(jié)構(gòu)表達，需要耗費和做一個大型復雜空間體系同樣多的心思。

圖片來源：圖1～11，14由傅興拍攝；圖12，13，19，20由周健拍攝；圖16～18，21，24，25由設(shè)計團隊提供；圖15，22，23，27，28，30由莊哲拍攝；圖26，29由蔣本衛(wèi)拍攝。