關(guān)于建筑與結(jié)構(gòu)辯證統(tǒng)一性的研究

劉成明　祝元英　徐俊生

摘? ? 要：建筑與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性是創(chuàng)造獨特建筑空間體驗的一個關(guān)鍵設(shè)計因素。微電影小鎮(zhèn)大門通過空間懸拱結(jié)構(gòu)設(shè)計，塑造一處城市標志。獨特的標志環(huán)造型，在詮釋了影視播放機輪盤寓意同時，像城市天空中劃過的一道彩虹。

關(guān)鍵詞：特型建筑;大門;標志環(huán);空間桁架;城市地標

隨著當代建筑技術(shù)和建筑材料的發(fā)展，城市中涌現(xiàn)出了很多特型建筑。它們以其獨特的外觀造型構(gòu)成了城市的一道風景。特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與新型建筑材料的應(yīng)用，為建筑師實現(xiàn)自己的創(chuàng)作理想，提供了強有力的支撐和保證。象鳥巢、水立方、國家大劇院、大興國際機場等明星建筑均反映了建筑與結(jié)構(gòu)的辯證統(tǒng)一性，體現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)高度融合，塑造了非同凡響的建筑空間。

本文以微電影小鎮(zhèn)入口大門為例，淺析建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計的辯證統(tǒng)一性。

微電影小鎮(zhèn)位于湖南省臨武縣掛榜山下。大門作為小鎮(zhèn)的主入口，正對城市主干路晴嵐路，其拱形的標志環(huán)結(jié)構(gòu)像一道從空中劃過的彩虹，成為臨武城市地標。建筑構(gòu)思取自放映機的圓形輪盤，輪盤分為兩半，前標志環(huán)面向城市，為入口標志;后標志環(huán)面向小鎮(zhèn)，通過上人觀光屋面可以俯覽小鎮(zhèn)，為展示窗口。前后環(huán)的水平投影形成為一個半徑為20.8m的圓。

前標志環(huán)的長半徑為31.961m，揚起角度為45[°]。半環(huán)中心設(shè)寬12m的水幕，下方有一弧形水池，為減小風對水幕的影響，環(huán)與弧形水池之間通過玻纖絲線連接。水簾沿絲線流下，通過電動控制其壓力與流速，使其在有風時不會產(chǎn)生飛霧。下方水槽容積根據(jù)水流量詳細計算，槽內(nèi)設(shè)加壓水泵，將水凈化后重新注入標志環(huán)上方出水槽內(nèi)，循環(huán)使用。

后半環(huán)揚起角度為21[°]，后標志環(huán)的長半徑為24.208m，其下覆蓋著小鎮(zhèn)游客服務(wù)中心。服務(wù)中心首層功能有紀念品商店、公廁、消防控制室、室外機房、儲藏室。二層設(shè)售票處和咖啡廳。 大門前設(shè)有約50m寬的集散廣場，游人可通過屋頂上木坡道步行進入園區(qū)。

大門主體采用鋼框架與獨立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，擋土墻為250mm厚鋼筋混凝土墻。兩個標志環(huán)絞點設(shè)鋼筋混凝土支座，支座采用樁基礎(chǔ)。

前標志環(huán)采用空間桁架體系，建筑截面尺寸為3.6m[×]3.6m的方形，兩側(cè)向內(nèi)凹進600mm做造型線腳。在此標志環(huán)內(nèi)部設(shè)有水幕的上水管、儲水箱和控制系統(tǒng)，標志環(huán)桁架內(nèi)部空間可容一人檢修通過。整個標志環(huán)造型材料以銀白色鋁單板為主，局部使用黑色亞克力板做飾面，通過搭配拼接形成膠片的裝飾圖樣。兩環(huán)之間以拉索連接，增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鋁單板幕墻采用優(yōu)質(zhì)高強度鋁合金板材，其構(gòu)造主要由面板、加強筋和角碼組成。角碼直接由面板折彎沖壓成型，加強筋與面板后螺釘（螺釘直接焊在板面背面）焊接，增強了鋁單板幕墻的強度與剛性，使之成為一個牢固的整體。保證了長期使用中的平整度及抗風震能力。鋁板幕墻表面經(jīng)過鉻化處理后，再采用氟碳噴涂處理。

后側(cè)上人標志環(huán)與建筑主體結(jié)構(gòu)相連，其鋼結(jié)構(gòu)以四根立柱支撐。鋼環(huán)外裝在施工過程中，由內(nèi)而外分步安裝。首先，在主梁上確定好鋼骨架支撐，然后做一層15mm厚纖維水泥板墊層，在其上鋪設(shè)防水卷材，然后再鋪扣鋁板飾面，板縫采用無色防水建筑膠密封。

前標志環(huán)底側(cè)600mm凹槽內(nèi)安裝LED屏幕，屏幕多塊拼接成弧形。屏幕與小鎮(zhèn)內(nèi)的智能中控室連接，進行數(shù)據(jù)實時傳送，展示宣傳小鎮(zhèn)活動場景與游覽參觀動態(tài)畫面。

入口大門結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，包括鋼框架結(jié)構(gòu)、空間桁架結(jié)構(gòu)、拉鎖結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 雖然該建筑規(guī)模不大卻極具設(shè)計挑戰(zhàn)性。在設(shè)計過程中通過空間模型搭建，反復(fù)分析和模擬關(guān)鍵節(jié)點的受力情況，不斷進行計算與修正。在前期結(jié)構(gòu)方案中，考慮了采用箱型截面作為標志環(huán)的受力管筒來解決其結(jié)構(gòu)問題。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，箱型截面固然有強度儲備充足、結(jié)構(gòu)剛度大的優(yōu)點，但本項目的結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)力的主要占比成分是自重荷載和風荷載，箱型截面不僅產(chǎn)生較大的自重，同時材料消耗也較大。結(jié)構(gòu)方案將錨固于大門建筑上的懸索作為45°地標環(huán)的斜拉條件來平衡標志環(huán)的傾覆荷載。經(jīng)過分析和比較，雖然大門的房建部分已經(jīng)承擔了標志環(huán)的傾覆荷載，但框架自身受建筑使用條件的限制，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度非常弱，加之受制于建筑的使用功能要求，增加房建部分結(jié)構(gòu)平衡剛度將影響到實際使用功能?；谝陨蠗l件及對結(jié)構(gòu)特性的進一步理解，后期嘗試標志環(huán)采用獨立結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計中將箱型實腹桿件優(yōu)化為空間桁架，結(jié)構(gòu)自重降低很多（降低約50%）。又經(jīng)過對懸挑結(jié)構(gòu)多個軟件計算（邁達斯Gen、盈建科）復(fù)核，確認了此建筑采用自結(jié)構(gòu)體系的可行性，最后采用空間桁架結(jié)構(gòu)。

標志環(huán)采用Q345圓鋼，單個桿件最大軸力達到1745kN。樁頂反力計算中采用盈建科模型結(jié)果為1765KN，采用邁達斯模型結(jié)果為1533kN，計算結(jié)果接近，取較大值。標志環(huán)位移分析為145/41287=1/284<1/250，按大跨結(jié)構(gòu)其最大位移滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗算比值Mr/Mov為524。X向最大層間位移角：1/4136，Y向最大層間位移角：1/3213。X方向最大位移與層平均位移的比值為1.95，Y方向最大位移與層平均位移的比值為1.96。因為本建筑平面及豎向布置較特殊性，在地震荷載下二層最大位移僅為2mm，不足以對結(jié)構(gòu)整體安全性構(gòu)成危害。標志環(huán)的總體傾覆彎矩很大，作為一個獨立結(jié)構(gòu)體系，其自身的穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)安全性的第一要點。所以在初步設(shè)計階段，要求地質(zhì)勘察單位對標志環(huán)實際基礎(chǔ)點位完成地質(zhì)勘察工作。

在前面分析中，提到了將標志環(huán)拉索作為裝飾性拉索來處理，避免其較大拉力對大門的房屋建筑部分的不利影響。雖然拉索部分采用了裝飾索來處理，但拉鎖本身長度在45米，正常使用過程中，風荷載會對其受力有較大影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮采用對裝飾拉索施加部分預(yù)應(yīng)力的方案來解決，同時在拉索交匯位置，分批次將臨近拉索通過鎖具進行連接固定，從而降低拉索長度。

拉索在兩個標志環(huán)之間是交叉聯(lián)系的，每個拉索與標志環(huán)節(jié)點的轉(zhuǎn)動弧度是相同的，所以由上至下，拉索之間的距離應(yīng)該是由小至大，上方幾個“人字形”拉索之間由于距離太近可能產(chǎn)生相互摩擦，對拉索受力產(chǎn)生不利影響，也會產(chǎn)生摩擦聲響。為避免拉索之間摩擦，在兩個距離較近拉索之間設(shè)置鎖扣固定，鎖扣由專業(yè)廠家按實際位置定型制作，樣品經(jīng)現(xiàn)場試樣檢驗合格后使用。

參考文獻：

[1] 張譽，趙鳴.空腹桁架式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的實驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，1999（6）：11～17.

[2] 袁烽，劉宇揚.建筑與結(jié)構(gòu)之辨[J].建筑技藝，2019（6）：12～19

[3] 方如意.城市標志性設(shè)計與城市地域文化[J].藝術(shù)探索，2010（6）：111～112