異形建筑構(gòu)件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)比選
——以深圳世茂大運(yùn)公園露臺(tái)項(xiàng)目為例

俞曉亮

荷蘭MVRDV國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司上海公司 上海 200031

1. 概述

公共建筑的用戶及游客體驗(yàn)要求增高，部分建筑構(gòu)件為增加美觀度與使用的趣味性，建筑設(shè)計(jì)形態(tài)越來越豐富。但復(fù)雜的形態(tài)的建筑構(gòu)件對(duì)建筑專業(yè)及結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)都提出了更高的要求。本文以深圳市龍崗區(qū)大運(yùn)文化藝術(shù)公園項(xiàng)目為例，說明對(duì)于這樣的異形建筑構(gòu)件在深化設(shè)計(jì)中，建筑及結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中所需考慮的注意事項(xiàng)。

2. 建筑方案

本項(xiàng)目位于深圳市龍崗區(qū)，大運(yùn)體育公園地塊，為世茂集團(tuán)開發(fā)。因規(guī)劃要求及項(xiàng)目整體構(gòu)思需求，建筑各層設(shè)置大量室外公共空間，并設(shè)置層間樓梯，保持各層室外空間24h可達(dá)性。

根據(jù)建筑造型需要，各層間室外樓梯設(shè)置為曲面形式，并與建筑露臺(tái)融為一體。

建筑整體及局部跨層板效果圖

建筑面層及外觀材料及構(gòu)造方式:

為強(qiáng)調(diào)建筑方案的自然生態(tài)外觀效果，依據(jù)方案概念設(shè)計(jì)，室外露臺(tái)及樓梯面層材料采用彩色混凝土材質(zhì)。

露臺(tái)一般典型位置采用混凝土懸挑結(jié)構(gòu)，露臺(tái)邊緣設(shè)置排水溝。而跨層樓梯部分采用面層厚度約為5mm。

3. 跨層樓梯結(jié)構(gòu)方案

由于跨層樓梯部分的曲面造型，有些部分甚至為雙曲面造型，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，擬采用以下三種結(jié)構(gòu)方案。三種方案，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算角度均沒有問題，滿足承載力及正常使用要求。

三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有限元計(jì)算模型

4. 結(jié)構(gòu)施工方案

據(jù)此意見，組織召開了包括成本，建筑設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，施工部分等各單位的結(jié)構(gòu)方案討論會(huì)。施工方案總體分為混凝土方案和鋼結(jié)構(gòu)方案。對(duì)混凝土方案中的肋梁樓蓋方案，施工部分認(rèn)為構(gòu)造復(fù)雜，直接否定。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合面層的不同構(gòu)造方案，延申出三種不同的施工方案。

方案一：混凝土板殼方案。一般配筋混凝土曲板。對(duì)曲板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由建筑專業(yè)提供三維定位坐標(biāo)，。工期約為普通梁板結(jié)構(gòu)的4倍，模板造價(jià)約為普通梁板結(jié)構(gòu)的2倍。

混凝土板殼三維定位及施工參考圖片

方案二：鋼結(jié)構(gòu)方案

a. 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，安裝鋁板或其他基層板材，對(duì)于面層區(qū)域采用現(xiàn)澆50厚裝飾混凝土。（相當(dāng)于類幕墻施工做法。）

b. 安裝鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，安裝直立鎖邊壓型鋼板，通過兩塊板之間角度的微小調(diào)整，緊貼弧形自然形成曲面，為完成曲面效果。再對(duì)面層區(qū)域采用現(xiàn)澆50厚裝飾混凝土。

c. 安裝鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，網(wǎng)殼內(nèi)部設(shè)置細(xì)分網(wǎng)格的角鋼，角鋼上鋪6.5直徑、間距150x150鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片上下部設(shè)置30x30鍍鋅六角網(wǎng)，最后噴射50厚混凝土。（實(shí)際上為一般景觀施工方案，在迪士尼樂園項(xiàng)目中使用較多。）

對(duì)這幾種方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意見評(píng)價(jià)：混凝土曲板在成本、方案還原度方面均有較大優(yōu)勢(shì)，但施工難度較大，在施工條件允許的前提下，建議采用方案一-混凝土曲板方案。若能有效控制人流，避免人群荷載直接作用在曲板面上，可考慮施工相對(duì)簡(jiǎn)單荷載較輕的方案二c-鋼結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)殼+雙網(wǎng)噴漿工藝現(xiàn)澆50厚混凝土，采用此方案需注意：其作為屋面使用時(shí)，耐久性及防滲漏性能相對(duì)較低，可能會(huì)出現(xiàn)荷載裂縫。

蘇軾的母親程夫人出身名門，性格果敢而仁慈，重視儒家經(jīng)典的傳授，言傳身教，對(duì)蘇軾思想、人格的形成起到了重要的作用。我們最常引用的故事就是程夫人帶著小蘇軾讀《后漢書·范滂傳》。范滂，漢代官員，鐵面無私，因而得罪了權(quán)貴，被判了死刑。臨刑時(shí)，他向媽媽告別:“兒子不能盡孝，請(qǐng)母親不要太過悲傷?！狈赌富卮鹫f:“一個(gè)人既想追求留名千古，又要追求長(zhǎng)生富貴，怎么可能呢？你為了正義舍棄了性命，媽支持你。”這時(shí)蘇軾問母親:“我長(zhǎng)大以后也做范滂這樣的人，您同意嗎？”程夫人很平靜地回答:“你能做范滂，我為什么不能做范滂的母親呢？”從此蘇軾立下“奮厲有當(dāng)世志”。

5. 綜合考量，確定方案

依據(jù)各方意見：

（1）建筑方案效果。由于建筑面層采用彩色混凝土材料，為與下部基層有良好的連接，保證耐久性不脫落，材料供應(yīng)商建議基層材料為混凝土材質(zhì)，如果為鋁板等金屬板材材質(zhì)，面層連接不牢固容易脫落。

（2）防水性能。本建筑設(shè)計(jì)中，實(shí)際有部分跨層板既為室外樓梯，又有部分作為建筑室內(nèi)屋面，因此實(shí)際需要承擔(dān)較好的防水性能。而對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架加鋁板的類幕墻做法以及類似景觀的做法，防水性能存在風(fēng)險(xiǎn)。作為屋面板，防水性能最好的仍然是混凝土板。

（3）結(jié)構(gòu)安全性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，樓梯段設(shè)計(jì)考慮上人荷載，對(duì)于曲面部分，不考慮上人的要求。但根據(jù)世茂物業(yè)部分的反饋意見，實(shí)際使用中，不可能完全控制和阻止游客攀爬曲面板的可能性，因此從安全角度，要求仍然考慮上人荷載。而對(duì)于類幕墻及景觀的施工方案安全性上缺少保證。

（4）施工便利性?；炷练桨赣捎谀０寮颁摻畈贾眯枰紤]曲面形式，因此施工難度較大，施工時(shí)間較常。鋼結(jié)構(gòu)方案施工速度快。

（5）成本比較。雖然混凝土方案施工難度大，但由于材料上的絕對(duì)低成本，因此從總體成本上來看，仍然是建造成本最低的。

確定方案。綜合考慮以上各方面的因素，最終決定仍然采用混凝土曲面板的結(jié)構(gòu)方案。此方案雖然施工難度較大，施工周期長(zhǎng)。但最終完成效果最好。主要表現(xiàn)在：

作為屋面板，防水性能最佳，耐久性最好。

作為結(jié)構(gòu)載體，可以承受較大的荷載，安全性有保證。

結(jié)構(gòu)變形小，與面層材料可以有良好的銜接，面層材料也可以有更多樣性的選擇。

有較多建成案例，總體成本仍然是最低的。

綜上，本項(xiàng)目仍然采用了混凝土曲面板作為跨層樓梯的結(jié)構(gòu)方案。

6. 3D打印施工方式隨想

隨著社會(huì)生活水平的提高，人們不再局限于傳統(tǒng)的建筑空間形式，越來越多的新穎的建筑空間形式會(huì)被市場(chǎng)所接受。因此現(xiàn)在的建筑師可以也必須思考更加創(chuàng)新的建筑空間形式。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的越來越深入，曲面，異形建筑空間變得越來越有可能，只要人腦可以想的到，計(jì)算機(jī)一定可以實(shí)現(xiàn)這樣的三維模型。甚至借助參數(shù)化設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)人腦都無法想象到的三維空間形式。另一方面，結(jié)構(gòu)工程師，由于借助有限元的數(shù)值計(jì)算，可以更加方便精確的進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)。

但建筑畢竟是空間實(shí)體，而非虛擬空間。以上的設(shè)計(jì)分析還需要借助施工手段，通過合適的材料才可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前最流行的概念為3D打印施工方式，只需要將建筑模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)任意空間形式的建造。

混凝土3D打印施工方式（圖片來源百度）

本人對(duì)當(dāng)前3D打印的施工方式是持否定態(tài)度的。3D打印只能夠?qū)崿F(xiàn)各向同性均勻材料的形式塑造，但我們的建筑構(gòu)造并非是這么簡(jiǎn)單的。打一個(gè)簡(jiǎn)單的比方，人體組織是由細(xì)胞組成的，而每一個(gè)細(xì)胞都有自身復(fù)雜的構(gòu)造形式，絕非3D打印的簡(jiǎn)單形式可以實(shí)現(xiàn)的。建筑構(gòu)件沒有人體組織那么復(fù)雜，但是也是有相似的構(gòu)造原理，例如混凝土結(jié)構(gòu)除了混凝土還有配筋，混凝土也有自身材料的級(jí)配，并非石膏模型一個(gè)。另一個(gè)方面，3D打印暫時(shí)還只能適應(yīng)少數(shù)的材料，而建筑材料類型眾多，無法實(shí)現(xiàn)。

建筑材料的各項(xiàng)異性，構(gòu)造的復(fù)雜性本身也是建筑藝術(shù)的一部分，甚至施工工藝本身也是建筑的一部分。因此用3D打印完全替代已有的施工工藝，無論從技術(shù)性還是建筑的藝術(shù)性來說說，暫時(shí)的技術(shù)還是無法實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)然，每一種技術(shù)都有其不斷完善與實(shí)踐的過程，同時(shí)有其擅長(zhǎng)的一面與不利的一面。本文表達(dá)的觀點(diǎn)僅僅為，不應(yīng)膚淺的看待3D打印，簡(jiǎn)單的認(rèn)為其可以取代傳統(tǒng)的建造方式。以暫時(shí)的技術(shù)，3D打印還有很多無法克服的缺陷。

總結(jié)

對(duì)于異形建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)問題中，表面上看是一個(gè)存粹的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，但實(shí)際上其中包含了各方面的因素，本文的案例中，需要考慮建筑設(shè)計(jì)要求，施工要求，以及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)的需求。另一方面，由于結(jié)構(gòu)有限元技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，異形建筑構(gòu)件的存粹結(jié)構(gòu)分析問題已經(jīng)變得越發(fā)簡(jiǎn)單了，甚至不是綜合決策中的決定性因素，例如本案例中，建筑防水，后期運(yùn)營(yíng)的要求才是最決定性的因素。

由此可見，對(duì)于設(shè)計(jì)師，即使對(duì)于一個(gè)建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)，也不僅僅需要掌握本專業(yè)的知識(shí)，更需要綜合了解其他各專業(yè)的相關(guān)知識(shí)，才能夠做出正確的判斷與決策。對(duì)于新技術(shù)如3D打印建造，也需要不斷關(guān)注。新的建造方式或許會(huì)對(duì)建筑設(shè)計(jì)本身產(chǎn)生徹底變化。