“和作”的結(jié)構(gòu)

張準(zhǔn)

ZHANG Zhun

1 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

2 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

結(jié)構(gòu)作為建筑在現(xiàn)實(shí)世界中得以建造的必要條件，是討論建筑時(shí)無法回避的重要議題。而建筑師在應(yīng)對(duì)“建造庇護(hù)所”這個(gè)最原始的目的時(shí)，本要首先應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)問題。但是在第一次工業(yè)革命期間，結(jié)構(gòu)工程師作為一個(gè)單獨(dú)的職業(yè)從原本建筑師的身份中分離出來。自此結(jié)構(gòu)成為工程師的職責(zé)范圍，不再被建筑師核心關(guān)注。

伴隨著工業(yè)化進(jìn)程與社會(huì)效率的提高，結(jié)構(gòu)工程師內(nèi)部也在不停地演變。學(xué)科知識(shí)爆炸使得工程學(xué)不斷細(xì)分出不同的研究方向。時(shí)至今日，介紹一位結(jié)構(gòu)工程師還時(shí)常冠以若干定語來描述其擅長(zhǎng)的研究領(lǐng)域。

在這樣的時(shí)代背景下，知識(shí)框架及思維方式的隔閡已經(jīng)不僅是建筑師與結(jié)構(gòu)工程師之間的問題，結(jié)構(gòu)工程師內(nèi)部對(duì)同一問題也會(huì)因研究領(lǐng)域的細(xì)分而產(chǎn)生不同的視角與觀點(diǎn)。某種意義上這種認(rèn)知差異蘊(yùn)含著巨大的潛力與機(jī)會(huì)，但是在日常的項(xiàng)目合作中卻少有潛力的爆發(fā)。

對(duì)結(jié)構(gòu)重要性的再認(rèn)識(shí)，建筑師與結(jié)構(gòu)師如何在設(shè)計(jì)中相互激發(fā)潛力，將平淡的合作轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極的“和作”（和諧創(chuàng)作之意）成為近年來從業(yè)者關(guān)注的話題[1-2]。筆者將從結(jié)構(gòu)師的視角對(duì)這個(gè)話題做一些粗淺的討論。

1 從研究回歸設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)研究作為科學(xué)的分支，秉承“從現(xiàn)象推出具體結(jié)論，并通過歸納法推廣到一般情況”的研究步驟。具體的研究過程可以概述為：觀察結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，去除不必要的因素；總結(jié)出相同的誘因并盡量精辟地以數(shù)學(xué)方式加以描述；通過計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)行為；以工程實(shí)踐驗(yàn)證數(shù)學(xué)描述的正確性，最終形成可以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)理論。

相對(duì)于結(jié)構(gòu)研究，工程與設(shè)計(jì)并非為了獲得理論框架內(nèi)的自洽，而是應(yīng)對(duì)項(xiàng)目具體的需求。在復(fù)雜關(guān)系交織的項(xiàng)目中，如果采用類似于結(jié)構(gòu)研究的工作方式，僅僅聚焦于局部或者過度簡(jiǎn)化各因素之間的關(guān)聯(lián)也就難以通過設(shè)計(jì)表達(dá)出生動(dòng)而豐富的情感。

1.1 何為最優(yōu)

聚焦局部作為結(jié)構(gòu)研究的工作方法也間接影響了結(jié)構(gòu)工程師的行為模式。工程師對(duì)于“最”的追求便源于此，最高、最大、最輕等均成為結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。而在結(jié)構(gòu)專業(yè)的內(nèi)部語境下，這些問題均可歸納為對(duì)某個(gè)單一目標(biāo)的最優(yōu)化問題。誠(chéng)然，這是一個(gè)重要的研究方向。但是由于現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜程度難以通過數(shù)學(xué)模型毫不失真地進(jìn)行還原，因此工程的最優(yōu)化問題需要各種假定對(duì)問題進(jìn)行不同程度的簡(jiǎn)化，以便適應(yīng)數(shù)學(xué)框架，問題才能得以求解。

這個(gè)簡(jiǎn)化的過程是否損失了重要的聯(lián)系與細(xì)節(jié)？這些細(xì)節(jié)發(fā)生輕微改變時(shí)是否會(huì)引發(fā)蝴蝶效應(yīng)，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生顛覆性的改變？當(dāng)下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等AI算法，在一定程度上試圖克服此類問題。這些最新研究對(duì)于問題的描述也不再是靜態(tài)的、線性的、非此即彼的簡(jiǎn)單判斷，而是通過不同層級(jí)的歸納與反饋，給出具有概率性的趨勢(shì)表達(dá)[3]。

這種研究策略更接近我們?nèi)粘Ｌ幚韱栴}的自覺方式，一種動(dòng)態(tài)的、遞進(jìn)的、逐漸收斂的行為過程，而答案以一種宏觀上趨勢(shì)正確、細(xì)節(jié)上相對(duì)模糊的狀態(tài)呈現(xiàn)。雖然這些研究成果在結(jié)構(gòu)工程中得以廣泛應(yīng)用還有待時(shí)日，但是由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從聚焦局部到把握整體的層級(jí)關(guān)系，從單一目標(biāo)尋優(yōu)到綜合概率判斷的研究方法已經(jīng)構(gòu)筑出理論基礎(chǔ)，有望使工程師從刻板的數(shù)字分類以及對(duì)單方面“最優(yōu)”的偏執(zhí)追求中解放出來。

1.2 解析與設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是回應(yīng)建筑需求而構(gòu)建的策略，而計(jì)算解析則是用來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否可行的驗(yàn)證。由于在構(gòu)建分析模型時(shí)需要適當(dāng)簡(jiǎn)化，因此解析結(jié)果也不免與實(shí)際情況存在不同程度的偏差。故僅以解析結(jié)果給出“可行”或“不可行”的二元評(píng)價(jià)是有所欠缺的，尤其是在采用創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)方案時(shí)。

而這種欠缺一般會(huì)促使工程師選擇更為精細(xì)的模型，通過不同的分類及判斷準(zhǔn)則進(jìn)行更深入的分析，雖然這是一種減小偏差的彌補(bǔ)方式，但參與者卻常常因此陷入極端的技術(shù)細(xì)節(jié)中，而忽略了適時(shí)回顧解析的原初目的何在。

雖然創(chuàng)造一套解析方法也是設(shè)計(jì)的一種，但其意圖并非回應(yīng)建筑對(duì)于結(jié)構(gòu)的需求而是結(jié)構(gòu)對(duì)于解析的需求?；煜诉@兩種需求的差異則會(huì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中迷失方向，失去與建筑共同回饋真實(shí)世界的機(jī)會(huì)，將自己封閉在數(shù)字構(gòu)建出的虛擬局部之中。

2 “和作”的結(jié)構(gòu)

雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)千變?nèi)f化，同一工程并無標(biāo)準(zhǔn)解答，但始終都無法回避原初的目的性問題。正如我是誰？我來自何方？我去向何處？對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言類似的問題同樣適用，雖然在不同層面答案會(huì)有所不同，不過在設(shè)計(jì)中如何將結(jié)構(gòu)對(duì)于這些問題的回答關(guān)聯(lián)到如何與建筑“和作”的語境下是一個(gè)有趣的嘗試。

如果把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求與馬斯洛需求層次理論做一個(gè)類比（圖1）：確保結(jié)構(gòu)物的可建造性無疑和基本生理需求類似，如果不考慮力學(xué)、材料、工藝的客觀限制，無法在現(xiàn)實(shí)世界中得以建造，工程也就無從談起；在此之上設(shè)計(jì)對(duì)于可靠度的保證恰好類比于人對(duì)于安全的需求；這兩個(gè)層級(jí)之上被工程師廣泛討論的就是效率，結(jié)構(gòu)受力效率或者牽扯造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性效率，但超過這一層級(jí)的結(jié)構(gòu)之美則在項(xiàng)目中涉及較少。

雖然結(jié)構(gòu)的美也常被提及，但是工程師往往偏愛力學(xué)強(qiáng)烈表達(dá)的一類，受限于形對(duì)力的如實(shí)轉(zhuǎn)譯，以高效率的力學(xué)系統(tǒng)為美等。即便如此，關(guān)于美的需求還是為結(jié)構(gòu)和建筑的對(duì)話提供了一個(gè)接口。

2.1 結(jié)構(gòu)與美

日本結(jié)構(gòu)大師坪井善勝先生有句名言：“A struct ure's beauty can be found near it' s rationality”，郭屹民老師翻譯成“美在合理的近旁”[2]。這句話在審美層面上質(zhì)疑了對(duì)于結(jié)構(gòu)理性的執(zhí)念，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)理性仍是參考的原點(diǎn)，以及對(duì)偏離度的把控。

但是何為結(jié)構(gòu)的美？是在結(jié)構(gòu)視角下定義特有的美還是借由結(jié)構(gòu)演繹出更為豐富的美？坪井先生沒有給出文字解釋，但是可以嘗試從其作品中探尋究竟。

以代代木國(guó)立競(jìng)技場(chǎng)（圖2）為例[4-5]，筆者的第一印象是建筑同地域特色的關(guān)聯(lián)，其屋脊造型和鳥居及神社有著微妙的聯(lián)系（圖3），屋面從屋脊向兩側(cè)由陡漸緩的曲線進(jìn)一步突出了屋脊的挺拔，強(qiáng)調(diào)了其特殊的屋面形態(tài)。

結(jié)構(gòu)體系是懸索與懸垂梁的組合（圖4），即使在今天，這種結(jié)構(gòu)方案也是稀有的創(chuàng)新系統(tǒng)。對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與建筑形態(tài)的關(guān)系深入探究后，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些有趣之處。和懸索橋類似，為了避免塔柱承受過大的彎矩，屋脊懸索（圖4中main）跨過塔柱后變?yōu)殄^固在地面的背索（圖4中backstays）。建筑的入口放置在背索下，屋面也一同順勢(shì)延伸到兩側(cè)地面。雖然背索暴露可見，但是屋面的形態(tài)弱化了背索的存在感，而突出了屋脊的連續(xù)性。這個(gè)處理使結(jié)構(gòu)變得含蓄，但也造成背索受到單側(cè)屋面的牽拉而產(chǎn)生了水平微彎（圖5中向左微彎）。

1 需求類比

2 代代木國(guó)立競(jìng)技場(chǎng)鳥瞰

3 代代木國(guó)立競(jìng)技場(chǎng)屋面獨(dú)特的曲線

4 代代木國(guó)立競(jìng)技場(chǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成

5 代代木國(guó)立競(jìng)技場(chǎng)塔柱形態(tài)與微彎的背索

6 代代木國(guó)立競(jìng)技場(chǎng)索網(wǎng)屋面形態(tài)變化趨勢(shì)

7 代代木國(guó)立競(jìng)技場(chǎng)屋面懸垂梁內(nèi)力分布

結(jié)構(gòu)的另一特點(diǎn)是利用懸垂鋼梁及鋼板實(shí)現(xiàn)建筑獨(dú)特的屋面曲線，屋面系統(tǒng)的用鋼量約100kg/m2，與同一時(shí)期體育建筑中流行的索網(wǎng)張拉體系（耶魯大學(xué)冰球館及慕尼黑奧林匹克體育館）相比算不上力學(xué)高效。代代木競(jìng)技場(chǎng)改為全索網(wǎng)張拉會(huì)如何？假想之后才能領(lǐng)會(huì)其設(shè)計(jì)的巧妙之處。

由于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)于張力內(nèi)平衡的需求，屋面形態(tài)依賴力學(xué)找形確定。索張力會(huì)使塔柱附近下凹的屋面曲線變得更為平直（圖6）。結(jié)合前文對(duì)于入口背索的受力分析可知，屋脊背索單側(cè)的拉力也將因此而增大，背索的水平彎曲程度很可能變得更為顯著。這些對(duì)于屋面造型都是顛覆性的改變。除此之外，背索承受的屋面水平力最終需要由塔柱橫向抗彎抵抗，塔柱造型曲線與懸臂彎矩圖一致正是對(duì)此的回應(yīng)（圖5），因此采用索網(wǎng)屋面對(duì)塔柱也是不利的選項(xiàng)。

這時(shí)再回溯懸垂梁方案，便發(fā)現(xiàn)屋面形態(tài)的微妙變化是力學(xué)上的精巧安排，絕非單純迎合建筑造型（圖7）。跨中區(qū)域的懸垂梁跨度最大、曲線更接近懸鏈線，以懸鏈張力取得力學(xué)效率；梁以屋脊為軸線對(duì)稱布置，兩側(cè)拉力得以平衡。而塔柱附近的懸垂梁跨度漸小，曲線也更加下凹，利用梁的抗彎能力承載，避免在梁端產(chǎn)生顯著的水平拉力；入口處背索受到的水平力也因此降低，塔柱受力也得以改善。建筑的流線布置、屋面造型、結(jié)構(gòu)受力實(shí)現(xiàn)了完美的閉環(huán)。

由此可見，坪井先生所言結(jié)構(gòu)之美并非孤立的結(jié)構(gòu)形態(tài)之美，而是利用結(jié)構(gòu)思維巧妙編排出結(jié)構(gòu)與建筑共生之美，形態(tài)表達(dá)只是其表象。這種美將結(jié)構(gòu)的“奇思妙想”嵌入建筑，拿捏出“妙手偶得”之感。

雖然這種美需要專業(yè)的結(jié)構(gòu)分析解讀才能理解其中奧妙，但是作為建筑要素展現(xiàn)出的一面更接近日常，更容易產(chǎn)生廣泛的共鳴，也會(huì)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來更多的機(jī)會(huì)與深層內(nèi)涵。如何“調(diào)配”出這種既有結(jié)構(gòu)特質(zhì)卻又兼收并蓄的美，正是設(shè)計(jì)的樂趣所在。

2.2 關(guān)聯(lián)感受

結(jié)構(gòu)工程師因?yàn)樽陨淼膶I(yè)素養(yǎng)，在思考時(shí)不免帶有預(yù)置的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)或者思維框架，而傾向于將結(jié)構(gòu)理解為一種客觀實(shí)在（Reality）；但對(duì)于建筑師或者建筑的使用者而言，結(jié)構(gòu)卻是一種真實(shí)（Truth）的感受（Experience），這種通過經(jīng)驗(yàn)疊加而成的認(rèn)知可以涉及人類行為的任何方面。如果在設(shè)計(jì)的最初階段，回到感受來促成結(jié)構(gòu)與建筑的關(guān)聯(lián)是一種具有可行性的嘗試。

雖然建筑使用者的感受帶有明顯的地域、歷史、文化特色及主觀性，不需要結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)譯。但結(jié)構(gòu)師的特殊價(jià)值卻在于建立一般感受到力學(xué)感受的關(guān)聯(lián)，從結(jié)構(gòu)出發(fā)完成轉(zhuǎn)譯過程。這種力學(xué)感受并非一種精確的測(cè)算，也無規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)可參考，是工程經(jīng)驗(yàn)與力學(xué)概念的疊加。

2.3 合理化路徑

在感受的啟示下構(gòu)思結(jié)構(gòu)方案，最終解析驗(yàn)證的過程就是對(duì)結(jié)構(gòu)合理化的過程。但是在技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，在設(shè)計(jì)中若是去除感受，依賴解析，采用更先進(jìn)的材料及工藝來回應(yīng)建筑師的構(gòu)想也并非回天乏術(shù)。這加劇了建筑對(duì)結(jié)構(gòu)后合理化的依賴，結(jié)構(gòu)在技術(shù)路線上孤獨(dú)狂奔，卻漸漸成為最后介入設(shè)計(jì)的角色。

但是在談?wù)撊绾伪苊饨Y(jié)構(gòu)后合理化、重新分享設(shè)計(jì)話語權(quán)時(shí)，并非強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)介入時(shí)間的早晚，而是結(jié)構(gòu)的技術(shù)性話題如何展開到感受層面。這需要結(jié)構(gòu)師的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，更需要與建筑師融洽的溝通[6]。建筑師不愿聽到結(jié)構(gòu)師給出“不可行”的生硬回答時(shí)，結(jié)構(gòu)師也期待建筑師解釋結(jié)構(gòu)對(duì)建筑產(chǎn)生了什么微妙的影響與關(guān)聯(lián)。

這種理解溝通是建立在去中心化的基礎(chǔ)上，全部設(shè)計(jì)要素以平級(jí)的姿態(tài)呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)師面前。結(jié)構(gòu)師在力學(xué)感受的引領(lǐng)下，動(dòng)態(tài)地尋找要素間的關(guān)聯(lián)，建立出通向一般感受的合理路徑[7]。

8 “柔物”展亭與景觀

9 展亭概念模型：空間異形殼屋面由矩形邊界上的立柱支撐

10 展亭受力最優(yōu)曲面

11 展亭內(nèi)力分布趨勢(shì)

12 展亭試驗(yàn)構(gòu)件與試驗(yàn)段破壞

13 水平載荷作用下4 個(gè)柱子組成空間結(jié)構(gòu)

14 展亭噴注定形實(shí)驗(yàn)

3 “和作”案例的過程解析

3.1 柔物

柔物為上海臨港新城的臨時(shí)展亭（圖8），平面尺寸9m×15m，作為2017城市空間藝術(shù)季的參展項(xiàng)目，纖細(xì)的立柱支撐起異形發(fā)泡聚氨酯屋面。建筑師在概念階段提出希望通過發(fā)泡聚氨酯可塑性強(qiáng)但又具有陌生感的材料模糊性，給觀眾帶來神秘而不可測(cè)的感受[8]（圖9）。對(duì)于結(jié)構(gòu)而言，這種神秘感與屋面不規(guī)則的曲面形態(tài)及弱化到極致的立柱密切關(guān)聯(lián)。

曲面找形是結(jié)構(gòu)領(lǐng)域由來已久的研究方向，也屬于最優(yōu)化問題的一種。采用Rihno+Grasshopper+Kangaroo的軟件平臺(tái)進(jìn)行找形嘗試，僅考慮屋面為曲面及立柱數(shù)量最少的限制條件，獲得其結(jié)構(gòu)形式（圖10）。這一形態(tài)雖然力學(xué)最優(yōu)，但與預(yù)期形式相差甚遠(yuǎn)，神秘感也喪失全無。

應(yīng)對(duì)均布豎向荷載的最優(yōu)枕形曲面在承受風(fēng)載這種隨機(jī)荷載時(shí)，將偏離受壓為主的內(nèi)力模式，如何處理抗彎問題？建筑訴求的異形云狀頂在自重下已經(jīng)受到壓彎，如何避免局部屈曲？殼體四邊懸空，如何抵抗殼周邊的拉力（圖11）？發(fā)泡聚氨酯作為保溫材料雖然輕質(zhì)，但易脆斷，力學(xué)性能大約是常規(guī)結(jié)構(gòu)材料的千分之一，如何避免斷裂？同時(shí)，建造中如何免去繁復(fù)的模板工作？以上都是結(jié)構(gòu)考慮的難點(diǎn)。

針對(duì)上述問題，考慮的處理方案如同混凝土+鋼筋的組合，需要另一種材料與其復(fù)合受力，因此采用尼龍繩網(wǎng)進(jìn)行搭配。這一材料具有適宜的抗拉能力與彈性模量，且能夠與發(fā)泡聚氨酯握裹粘結(jié)，其柔軟的特點(diǎn)也適合異形屋面的建造。

尼龍繩網(wǎng)加勁后的發(fā)泡聚氨酯復(fù)合殼體受力性能無規(guī)范可查，需要試驗(yàn)確定，但因條件限制，無法委托第三方在力學(xué)試驗(yàn)室進(jìn)行。為此采用了簡(jiǎn)便的自主測(cè)試方案（圖12），以獲得材料的下限性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明復(fù)合材料的綜合變形模量顯著提高，且具有必要的延性，可避免開裂后整體坍塌。

對(duì)于簡(jiǎn)便建造，參考建筑模型的制作方式（圖13），提出了如下方案：首先，在地面布置支撐物，上覆尼龍繩網(wǎng)形成需要的樣式，然后噴注發(fā)泡聚氨酯（圖14），固化后整體抬升到立柱頂。經(jīng)初步估算，完成后的屋面總重約1t，可采用人力或小型設(shè)備抬升。但試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)尼龍繩網(wǎng)在施工中較松弛，最終形成的殼體抗裂能力有限。

15 展亭覆蓋形態(tài)調(diào)整前后

16 展亭變形分析

17 展亭結(jié)構(gòu)組成

18 展亭5m×4m 小尺寸建造

19 展亭受力分區(qū)

20 展亭繩網(wǎng)綁扎

21 展亭重物預(yù)壓

22 展亭聚氨酯噴注定形

23 展亭拆除支撐前檢查

24 展亭完成效果（拆除周邊支撐后，殼體實(shí)測(cè)最大豎向變形小于10cm，預(yù)應(yīng)力效果顯著）

建造方案初步確定后，從力學(xué)角度出發(fā)、結(jié)合造型意象，提出了一種受力更優(yōu)、建造也更簡(jiǎn)便的方案。首先在張緊的繩網(wǎng)上吊掛重物，重物的集中力使繩網(wǎng)形成彎曲的云狀曲面；然后噴注聚氨酯，待聚氨酯固化后移除重物，重物在繩網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生了拉力隨即轉(zhuǎn)變?yōu)榫郯滨ド系念A(yù)壓力，聚氨酯因此獲得更好的抗裂能力。更重要的意義在于建造階段殼體即完成自重變形，理論上如果邊界條件不變，則不再因自重產(chǎn)生附加變形及開裂，建筑同時(shí)獲得了造型控制的自由與精確。力與形在施工中凝固合一，下凹形態(tài)成為最終方案（圖15）。建造前，采用材性試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)對(duì)最不利情況進(jìn)行了計(jì)算，評(píng)估最大變形量（圖16）。

至此屋面的設(shè)計(jì)告一段落，如何采用最弱化的立柱對(duì)屋面進(jìn)行支撐還需探討。對(duì)于立柱數(shù)量及定位，去除角柱加大角部懸挑是營(yíng)造神秘感的關(guān)鍵。經(jīng)大變形分析計(jì)算，在屋面周邊撓度可接受的范圍內(nèi)，確定了最大角部出挑5m、6根直柱的方案（圖17）。

最終建造前，先進(jìn)行了小尺寸的實(shí)驗(yàn)建造，平面尺寸5m×4m（圖18）。為了避免張拉時(shí)尼龍繩網(wǎng)對(duì)方通邊框產(chǎn)生側(cè)向拉力使其變形，采用了弧線鋼筋內(nèi)力轉(zhuǎn)移的結(jié)構(gòu)，將殼面分為兩種受力區(qū)域（圖19）。尼龍網(wǎng)的施工張拉力傳遞至弧線鋼筋再轉(zhuǎn)化為鋼邊框上的軸力，鋼筋與邊框間轄區(qū)為變形協(xié)調(diào)區(qū)（此部分無預(yù)應(yīng)力）。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，張拉效果與預(yù)應(yīng)力作用均好于預(yù)期。

在設(shè)計(jì)中以材料特性為基礎(chǔ)，追求力與形的完美統(tǒng)一是結(jié)構(gòu)的力學(xué)訴求，但項(xiàng)目預(yù)期的神秘感受多重因素影響，單純依靠殼體力學(xué)最優(yōu)無法實(shí)現(xiàn)。預(yù)應(yīng)力的引入在一定程度上使材料的內(nèi)力分布成為可設(shè)計(jì)的變量，形與力的關(guān)系也因此更易于人為控制，這些隱性的聯(lián)系在施工中隨著聚氨酯的固化被永久留存（圖20～24）。

25 龍美術(shù)館西岸館室內(nèi)

3.2 龍美術(shù)館西岸館

當(dāng)結(jié)構(gòu)師介入項(xiàng)目時(shí)，建筑師已經(jīng)結(jié)合空間與場(chǎng)地完成了對(duì)結(jié)構(gòu)基本布置的構(gòu)思[9]，建筑模型已經(jīng)表達(dá)出“傘拱”形態(tài)和相互交錯(cuò)布置的墻體（圖25，26）。本項(xiàng)目有一個(gè)特別之處在于地上新建的美術(shù)館需要坐落在已施工完成的兩層地下室之上（圖27，28），因此是一個(gè)具有較多結(jié)構(gòu)限制的改造項(xiàng)目。

結(jié)構(gòu)師的第一感受是傘拱及墻體營(yíng)造出純粹空間。與建筑師探討后，確認(rèn)了為實(shí)現(xiàn)這種純粹性，結(jié)構(gòu)需要關(guān)注的三個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：1）全清水混凝土結(jié)構(gòu)，無二次飾面；2）機(jī)電設(shè)備需要全部隱藏；3）新建剪力墻與地下已有框架（8.4m正交柱網(wǎng)）的銜接。

單就傘拱剪力墻的受力特性而言，如果將單片墻體與兩側(cè)出挑的樓板視為一個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)單元，兩側(cè)出挑形成的懸臂彎矩可以被樓板與墻交界處的傘腋（弧線加腋區(qū)）有效承擔(dān)，這個(gè)形態(tài)與懸臂梁的彎矩圖是一致的（圖29），而傘腋區(qū)承受的彎曲應(yīng)力主要集中在上下表面，其內(nèi)部的材料受力效率較低，可以考慮去除。這個(gè)力學(xué)趨勢(shì)引出了將三角區(qū)掏空以便藏設(shè)管線的考慮。

26 龍美術(shù)館西岸館早期模型

27 龍美術(shù)館西岸館早期模型原地下室頂板

28 龍美術(shù)館西岸館剖面

29 龍美術(shù)館西岸館傘拱加腋區(qū)受力示意

30 龍美術(shù)館西岸館墻體面外方向受力示意

31 龍美術(shù)館西岸館墻體平面布置

32 龍美術(shù)館西岸館板縫的弱連接構(gòu)造（部分區(qū)域擬采用減震阻尼器連接）

33 龍美術(shù)館西岸館早期設(shè)備走向構(gòu)想

34 龍美術(shù)館西岸館墻體結(jié)構(gòu)方案演化

35 龍美術(shù)館西岸館中空剪力墻與原結(jié)構(gòu)及設(shè)備關(guān)系

36 龍美術(shù)館西岸館關(guān)鍵設(shè)計(jì)路徑

對(duì)于獨(dú)立的“傘拱”墻體，其抗側(cè)能力具有方向性，面外是其弱點(diǎn)，在地震及樓面不均衡荷載下均可能產(chǎn)生較大的側(cè)向變形（圖30）。為了形成“傘拱”分離的形態(tài)及滿足流線需求，恰好對(duì)剪力墻進(jìn)行了交錯(cuò)正交布置（圖31），這就為鄰近墻體相互幫扶提供了條件。

如果將全部墻體視為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，各單元間采用盡量細(xì)小的構(gòu)件連接，便可在單元間留出設(shè)備通道（圖32，33）。

在思考?jí)w與管線關(guān)系的同時(shí)，墻體與原地下框架的連接問題也同步跟進(jìn)。400mm的實(shí)心墻體即可滿足結(jié)構(gòu)受力，但是這需要拆除地下一層梁柱，否則大量鋼筋要在原結(jié)構(gòu)上植筋連接，墻體上也會(huì)暴露出原有結(jié)構(gòu)（圖34a）。為了美觀及施工便利性可以將墻體加厚至600mm（圖34b），但墻體因過重引發(fā)基礎(chǔ)加固費(fèi)用隨同增加。

與此同時(shí)，美術(shù)館范圍內(nèi)原地下室頂板需要抬高1.5m，產(chǎn)生室內(nèi)外高差滿足室外種植需求，這個(gè)改變引起了結(jié)構(gòu)的關(guān)注。為了減小結(jié)構(gòu)自重，原地下室頂板勢(shì)必拆除。如梁板一同拆除，則地下室外墻在施工中為抵抗土壓力推覆會(huì)進(jìn)行臨時(shí)加固。如僅拆除樓板，利用原梁支撐外墻，則可以省去臨時(shí)支撐費(fèi)用，原梁與新頂板間的1.5m暗層可放置機(jī)電。因此考慮了第三種結(jié)構(gòu)方案（圖34c）。

剪力墻增厚至整體800mm，但是由兩側(cè)各200mm的墻體及中間400mm的空腔組成，在8.4m的長(zhǎng)度范圍墻體內(nèi)設(shè)置四個(gè)分離空腔。中空剪力墻的面外受力能力顯著提高，整體重量與400mm實(shí)心墻基本一致，拆除時(shí)保留的原框架梁恰好暗藏在剪力墻空腔內(nèi)，新老結(jié)構(gòu)連接方式得以簡(jiǎn)化。墻體在1.5m的暗層內(nèi)可以單邊開設(shè)洞口，空腔作為管線通道（圖35）。

設(shè)備問題解決后，“傘拱”作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元的必要性不在，因此改為樓板連通或通過小梁連接為整體，結(jié)構(gòu)體系也進(jìn)一步簡(jiǎn)化。中空剪力墻關(guān)聯(lián)了若干設(shè)計(jì)要素，使項(xiàng)目各方面都向更好的方向前進(jìn)，因此立刻被建筑師選定。

回顧設(shè)計(jì)過程會(huì)發(fā)現(xiàn)，最終的結(jié)構(gòu)方案是在動(dòng)態(tài)變化中形成的，地下室頂板抬高的建筑需求引發(fā)了一系列聯(lián)動(dòng)（圖36）。設(shè)計(jì)路徑的起點(diǎn)與終點(diǎn)看似并無直接關(guān)系，但是每一步都在結(jié)構(gòu)為主線的思路下前進(jìn)。路徑上每一步的選擇都是以最初的建筑感受為方向，但過程中并不依賴精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)解析。

4 結(jié)語

跳出最優(yōu)及結(jié)構(gòu)中心化的思想束縛，認(rèn)清解析與設(shè)計(jì)的關(guān)系，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的回溯到對(duì)建筑的感受下，以廣義的美為接口展開對(duì)話，統(tǒng)籌結(jié)構(gòu)和各要素的關(guān)聯(lián)，最終回到結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)部解決問題。這些體會(huì)就是結(jié)構(gòu)與建筑“和作”中的一些思考。

圖片來源

圖2，3，5 來源于文獻(xiàn)[5]；圖4，7 來源于文獻(xiàn)[4]；圖8，24由陳顥攝影；圖25 由蘇圣亮攝影；圖9，12～15，18，20～23由直造建筑事務(wù)所提供；圖26～28，31 由大舍建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所提供；其余均由作者自繪。