即興的合舞
——淺談西扎兩座博物館建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)的協(xié)作

申屠團兵 陳永兵 趙遠鵬Shentu Tuanbing Chen Yongbing Zhao Yuanpeng

鳥瞰?侯博文

1 源起

優(yōu)秀的建筑作品能夠有力地推動行業(yè)技術(shù)和社會文化的發(fā)展，而工程技術(shù)則是確保這些作品得以落地的保障，它不但技術(shù)要求高、工作強度大、實施周期長，而且要求在注重技術(shù)的同時，也注重對建筑藝術(shù)和文化意義的理解，需要有從建筑整體環(huán)境、形體空間一直到具體的建筑構(gòu)配件、建筑細(xì)部的整體性細(xì)思維，在符合技術(shù)經(jīng)濟的要求下，追求建筑創(chuàng)新，努力提升方案實現(xiàn)度。近二十年來，筆者所在的團隊有幸與國內(nèi)外諸多著名建筑師合作，其中與王澍老師的合作始于2004年的寧波五散房，其后又相繼完成了中國美術(shù)學(xué)院象山校區(qū)二期、寧波博物館、富春山館、臨安博物館等作品。與西扎及卡洛斯團隊的合作始于2012年的中國美術(shù)學(xué)院國際設(shè)計博物館。華茂藝術(shù)教育博物館是雙方合作設(shè)計的第二個作品，自2020年11月開館以來，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。近期受邀參加了該項目的品談會，有感于專家們就項目的工程設(shè)計協(xié)作、建筑方案實現(xiàn)度的聚焦討論，特此撰文淺談工程設(shè)計階段建筑和結(jié)構(gòu)協(xié)作中的一些體會，以饗讀者。

2 邊界

建筑是特殊產(chǎn)品，不僅要滿足人類活動的安全、正常使用，而且應(yīng)綠色環(huán)保、經(jīng)久耐用。在技術(shù)條件、投資控制的約束下，各國都制定了相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。對結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，嚴(yán)守結(jié)構(gòu)安全和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是邊界紅線。各種設(shè)計創(chuàng)新、探索必須控制在這個紅線范圍以內(nèi)，否則建筑就會變成空中樓閣，甚至危及人身和財產(chǎn)安全。當(dāng)然，在這個邊界紅線內(nèi)，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師仍有很大的創(chuàng)造和發(fā)揮空間，而結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的著力點和切入點正是對這些可能性的發(fā)掘和探索。

3 創(chuàng)新

工程技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用作為手段，服務(wù)于建筑空間的創(chuàng)新?，F(xiàn)代結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展以及結(jié)構(gòu)分析手段的提高，為建筑師營造更新穎、更復(fù)雜的空間提供了更大的自由度和技術(shù)支撐。但是目前建筑結(jié)構(gòu)材料技術(shù)并無大的突破，適用于大型公共建筑的基本結(jié)構(gòu)材料依然是鋼筋混凝土和鋼材。因此，在無法脫離重力桎梏語境下的結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，只能依靠建筑師和結(jié)構(gòu)工程師一起從最基本的力學(xué)原理出發(fā)，通過借鑒、類比、提升等手段，從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體構(gòu)成、形態(tài)、尺度及組合方面進行探索。

4 落地

建筑評判的對象是最終建成的實體，而非止于圖紙、模型、效果圖這些手段和工具，設(shè)計的落地性和完成度是設(shè)計價值得以體現(xiàn)的保障。因此，保證設(shè)計意圖的落地、標(biāo)準(zhǔn)的約束和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的有機統(tǒng)一，是我們工作和思考的重點。在建筑工程中，結(jié)構(gòu)工程師相對于其他專業(yè)，往往與工程現(xiàn)場聯(lián)系更為緊密、頻繁，施工現(xiàn)場遇到的各類技術(shù)問題往往會第一時間反饋給結(jié)構(gòu)專業(yè)。因此，在長期的工程實踐中，結(jié)構(gòu)工程師對于國內(nèi)工程技術(shù)水平的現(xiàn)狀會有比較深入的了解。利用這些年積累起來的工程經(jīng)驗，我們在與建筑師合作的過程中，尤其是與大師們合作的這些復(fù)雜項目，在方案階段就會要求盡早介入，對后續(xù)落地實施中可能遇到的各類難題給予提示，并共同思考解決的預(yù)案和設(shè)計調(diào)整的方向。

5 合舞

在這種共同探索的過程中，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師需要保持持續(xù)的互動，這有些像太極推手或是雙人舞，互動的雙方你來我往、較勁使力。太極推手的結(jié)果是一方被推倒，分出勝負(fù)，而舞蹈的特點是大家踏著一致的節(jié)奏、步調(diào)，相互協(xié)作完成，其目的不是分出勝負(fù)，而是為了最大限度地實現(xiàn)主創(chuàng)建筑師構(gòu)建的作品愿景，為使用者提供更優(yōu)的建筑體驗。因此，我們更愿意將其比喻為一種舞蹈。但是這場“雙人舞”無法事先編排，只能根據(jù)具體的環(huán)境條件，不斷調(diào)整步伐、路線，即興而為，這也是本文標(biāo)題的由來。

6 合拍

2016年4月，為了盡快建立兩個團隊在中國國際設(shè)計博物館和寧波華茂藝術(shù)教育博物館設(shè)計協(xié)作方面的默契，筆者赴葡萄牙與西扎及卡洛斯團隊當(dāng)面交流。期間參觀了他們的部分建成作品，感受設(shè)計所呈現(xiàn)出的獨特建筑風(fēng)格、形體、光影、空間，考察作品中成熟的用材、技術(shù)及構(gòu)造體系。在整個合作過程中，我們也體會到，越是優(yōu)秀的主創(chuàng)建筑師對建筑結(jié)構(gòu)及其他相關(guān)專業(yè)的掌握也越深刻，他們的概念方案往往已經(jīng)包含了關(guān)于結(jié)構(gòu)體系和機電系統(tǒng)的設(shè)想。在交流與溝通中，他們也非常尊重結(jié)構(gòu)設(shè)計師的意見，經(jīng)常通過幾句話、幾筆潦草的簡圖，就可以立即理解結(jié)構(gòu)專業(yè)的訴求并迅速做出建設(shè)性的回應(yīng)。在面臨難題時，盡量找到“第三條道路”，綜合性地解決建筑和結(jié)構(gòu)問題。

7 迷宮

與建筑設(shè)計類似，結(jié)構(gòu)設(shè)計也是一個從技術(shù)概念方案開始，層層深化推進的過程。在這個過程中，最核心的內(nèi)容是逐步構(gòu)建和優(yōu)化荷載作用的傳導(dǎo)路徑。一個清晰、高效的傳力體系是整體建筑結(jié)構(gòu)遭受荷載作用時，滿足穩(wěn)定、剛度、強度、防連續(xù)倒塌的重要保證。根據(jù)建筑高度和形體空間的不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計重點關(guān)注的荷載和作用類型也有所不同。高層建筑常關(guān)注水平荷載作用的高效傳遞，而低矮的建筑更關(guān)注重力荷載傳力途徑的構(gòu)建。重力荷載最基本的傳力路徑是樓層板——樓面梁——墻、柱、支撐等豎向構(gòu)件——基礎(chǔ)。對于普通建筑來說，豎向構(gòu)件大多上下貫通連續(xù)，結(jié)構(gòu)布置比較容易，但在特殊項目尤其是文化類的公共建筑中，出于功能流線和建筑空間藝術(shù)的需要，傳力體系中的某些部位常常被打斷，無法形成一路向下且直接的傳力路徑。這時就要求結(jié)構(gòu)工程師重新構(gòu)建比較復(fù)雜的傳力路徑，以滿足建筑設(shè)計的要求。最常見和簡單的情況是局部抽掉柱子的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，當(dāng)情況更為復(fù)雜時，還要采用桁架轉(zhuǎn)換、懸掛等多種方式，甚至使荷載上下、左右轉(zhuǎn)換，形成曲折的力流路徑，我們把這種情況比喻為重力迷宮。下文以中國國際設(shè)計博物館和寧波華茂藝術(shù)教育博物館為例，解析這類迷宮形成的過程。

7.1 中國國際設(shè)計博物館

在中國國際設(shè)計博物館的設(shè)計初期，建筑方案初看是形體簡潔的3層建筑和方整的空間單元，除了部分入口處的體塊懸挑、較重的外立面石材干掛外，似乎看不出對結(jié)構(gòu)有什么挑戰(zhàn)。根據(jù)直觀判斷，結(jié)構(gòu)選型可以采用最常規(guī)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，這與建筑師最初的結(jié)構(gòu)設(shè)想一致。然而，我們仔細(xì)研究方案后發(fā)現(xiàn)，限于場地、流線和內(nèi)部功能的需求，建筑師將幾個大空間的展廳布置在建筑西側(cè)體量的一、二層，一些小開間的研究辦公空間布置在頂層，正好是大空間的上方。更具挑戰(zhàn)的是，雖然外立面開窗很少（主要集中在底層入口庭院周邊和二層圍繞三角形內(nèi)庭院的周邊區(qū)域），但是這些窗都是超長的條窗，而且根據(jù)建筑師的要求，這些條窗在立面及平面的內(nèi)退位置都不可以布置結(jié)構(gòu)柱。

上述小開間房間在上、大空間在下、外周條窗區(qū)域無法設(shè)柱而導(dǎo)致豎向體系不連續(xù)的情況，使得混凝土結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)概念方案難以落地。經(jīng)過與西扎及卡洛斯團隊的深入溝通，結(jié)構(gòu)方案改為鋼框架（桁架）+鋼筋混凝土筒體的混合結(jié)構(gòu)方案，僅在樓梯間、電梯井等位置設(shè)置混凝土筒體，作為主要的承重和抗側(cè)構(gòu)件，利用鋼桁架和局部落地鋼柱形成大空間、大懸挑等大跨度結(jié)構(gòu)，使重力荷載繞過傳力路徑中斷的部位，最終傳導(dǎo)至基礎(chǔ)。

7.2 寧波華茂藝術(shù)教育博物館

寧波華茂藝術(shù)教育博物館的結(jié)構(gòu)布置也遇到了類似的情況。從外部看，建筑形體像是一個扇形截面的實體懸浮在場地之上。這種懸浮狀態(tài)的形成，首先是建筑東南兩側(cè)在2.20m標(biāo)高以上做了整體的懸挑，同時在2.20m標(biāo)高之下又設(shè)置了展開長度達49m的條窗，通透的條窗進一步加強了這種懸浮感。然而這個長度約占整個立面長度四分之三的條窗，徹底截斷了上部墻體向基礎(chǔ)傳遞荷載的路徑。為了解決這個問題，結(jié)構(gòu)最初的想法是避免大尺度的懸挑，以達到控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、減少施工難度、控制主體結(jié)構(gòu)造價的目的。針對這個方向我們進行了多種嘗試。

最初，我們在底層平面與長窗對應(yīng)的坡道內(nèi)側(cè)找到一片基本完整的墻體，雖然這道墻并沒有直接落地，但是我們嘗試?yán)迷搲吧舷聝蓧K板形成的“C”形傳力結(jié)構(gòu)，作為上部懸挑的支撐。經(jīng)過計算和分析，這個像“彈簧片”一樣的構(gòu)件若支撐20m左右的上部墻體和坡道，所需的截面尺寸會非常大，將嚴(yán)重影響建筑空間的尺度，因此這個方案并沒有被采用；其后，我們又考慮將長條窗的立梃轉(zhuǎn)化為細(xì)而密的鋼立柱，但是長窗的玻璃尺度很大，立梃尺寸過小又無法做到足夠的密，承載能力非常有限，這個方案也沒有通過；最后，我們不得不回到大懸挑的方向上來，將坡道錯位區(qū)域形成的矩形箱體設(shè)計為懸挑的空腹曲梁，讓上部荷載向兩側(cè)傳遞。

但這個方案也有其難點，因為整個箱梁懸掛于主體之外，兩端并沒有可以直接受力的支點，最終我們利用中庭西側(cè)和北側(cè)的兩片與箱梁垂直的墻體形成高大的暗牛腿，采用型鋼混凝土墻作為箱梁的支撐點。同時前面提到的“彈簧片”形成折板支撐，發(fā)揮了改善傳力路徑、提高結(jié)構(gòu)安全儲備、控制正常使用期間坡道變形和振動的作用。

從上述分析來看，中國國際設(shè)計博物館和寧波華茂藝術(shù)教育博物館至少存在兩套迷宮系統(tǒng)：一是建筑空間不均勻地穿插交疊、曲折迂回，形成的空間迷宮創(chuàng)造了層次豐富、抑揚開合的空間體驗；二是建筑空間打破了結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置的均勻性和連續(xù)性，重力通過曲折復(fù)雜的路徑最終傳向基礎(chǔ)，從而形成重力迷宮。有趣的是，在二維平面里，互為圖底的迷宮若能走通，圖或底中的一個一定是不連續(xù)的。而在建筑中，空間迷宮和重力迷宮雖然互為圖底，但各自必須完整且連續(xù)，這就要求設(shè)計擺脫圖紙的二維限制，借助模型工具在三維中尋找走通迷宮的路徑。

8 尺度

尺度控制是建筑師和結(jié)構(gòu)工程師共同面對的另一個重要工作?？臻g和構(gòu)件的尺度，除了滿足基本的使用功能外，還是塑造形體觀感和空間體驗的重要因素，尤其在大中型文化類公共建筑中，后者的要求尤為突出。

對于結(jié)構(gòu)專業(yè)，梁、板、柱、墻等受力構(gòu)件的截面尺寸主要取決于受力條件和結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，其確定的依據(jù)幾乎是純理性的。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸與空間的高度、跨度正向相關(guān)，即空間越大，結(jié)構(gòu)骨架本身的尺寸也會相應(yīng)放大。例如，當(dāng)處理大跨空間時，梁的高度可能會嚴(yán)重限制空間的凈高。而對于建筑專業(yè)，除了滿足必要的使用需求外，判斷空間本身的三維尺寸、露明結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺度很大程度上依靠的是感性和直覺，即在特定的環(huán)境里，這個空間或構(gòu)件需要“看起來大小合適”。這種對于同一問題的兩種判斷標(biāo)準(zhǔn)，是建筑和結(jié)構(gòu)團隊合作中經(jīng)常產(chǎn)生矛盾的原因之一。

為了化解這種矛盾，我們需要與建筑師一起努力，采用各式各樣的“障眼法”，保證最終的呈現(xiàn)既滿足結(jié)構(gòu)的受力需要，又滿足“看起來合適”的感性要求：1）調(diào)整結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置，將影響尺度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件挪移到不可見的部位（上一節(jié)已有詳細(xì)分析）；2）在條件苛刻的部位，采用特殊的構(gòu)件斷面整合機電與結(jié)構(gòu)空間，利用空腹梁、管線穿梁等手段，將機電設(shè)備管線所需的孔洞與結(jié)構(gòu)梁板的空間壓縮到一起，增加建筑的凈空高度；3）在高大空間和大懸挑區(qū)域，當(dāng)壓縮結(jié)構(gòu)構(gòu)件不可行的時候，可以進行反向操作，如將梁、板等平面構(gòu)件放大成桁架、箱梁等空間構(gòu)件，將柱子放大為筒體，等等，即將結(jié)構(gòu)構(gòu)件整合為建筑空間界面的一部分，從而規(guī)避構(gòu)件與空間的干涉和沖突；4）將建筑幕墻的立梃、欄板、欄桿等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)主體受力構(gòu)件或輔助受力構(gòu)件，以達到結(jié)構(gòu)的要求。

對于露明的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，改變其截面形狀是比較常用的方法。例如，大尺寸、正方形截面的柱子會顯得比較粗笨，因而常將其設(shè)計為長方形或圓形截面；若是露明挑板比較厚重，則可以采用變截面，使其可見端的尺寸更薄，或者內(nèi)外表面采用不同的曲面，以處理現(xiàn)在頗為流行的曲線建筑的結(jié)構(gòu)空間問題。

對于一些關(guān)鍵部位的孤立構(gòu)件，可同時考慮改變構(gòu)件材料的組成和連接方式。例如，華茂藝術(shù)教育博物館中唯一的柱子位于屋頂層，為了嚴(yán)格控制截面尺寸，在材料選擇上，選用了承載能力更強、構(gòu)造尺寸更小的鋼管混凝土柱，并將其設(shè)計為兩端鉸接柱，減小其上大跨度梁的梁端彎矩對柱子彎曲造成的影響，讓柱子僅承受屋面結(jié)構(gòu)的豎向重力，讓其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件來承擔(dān)水平荷載，從而達到控制尺寸的目的。

9 結(jié)語

任何優(yōu)秀建筑作品的設(shè)計和落地，都是系統(tǒng)、復(fù)雜而艱苦的工作，限于篇幅，本文僅對建筑與結(jié)構(gòu)配合過程中的部分內(nèi)容進行簡要的總結(jié)和分享。我們相信，唯有通過設(shè)計團隊整體的協(xié)作和合拍的互動，才能建立起建筑藝術(shù)創(chuàng)作和工程技術(shù)實踐之間的有效連接，讓好作品落地，為使用者創(chuàng)造更好的建筑體驗。

圖片來源

1,11-13,17-22 侯博文攝影

2-4,8-10,14-16 CC&CB,Arquitectos 提供

5-7 中國美術(shù)學(xué)院風(fēng)景建筑設(shè)計研究總院有限公司提供

1 勻質(zhì)光線下的中庭空間

從外部看，建筑形體像是一個扇形截面的實體懸浮在場地之上。為了表現(xiàn)這種懸浮感，我們將坡道錯位區(qū)域形成的矩形箱體設(shè)計為懸挑的空腹曲梁，讓上部荷載向兩側(cè)傳遞。這個方案的難點是，整個箱梁懸掛于主體之外，兩端并沒有可以直接受力的支點。

From the outside,This building looks like a fan-shaped entity suspended above the site.In order to express this sense of suspension,we designed the box beam formed by the ramp dislocation as a cantilevered,hollow and curved beam,allowing the upper load to be transmitted to both sides.The difficulty of this scheme is that the whole box beam is suspended outside the main body,and there is no fulcrum at both ends that can be directly stressed.

2 剖面圖

3,4 手工模型

我們利用中庭西側(cè)和北側(cè)的兩片與箱梁垂直的墻體形成高大的暗牛腿，采用型鋼混凝土墻作為箱梁的支撐點；同時，首層平面與長窗對應(yīng)的坡道內(nèi)側(cè)的一片基本完整的墻體及其上下兩塊板形成“C”形傳力結(jié)構(gòu)，作為上部懸挑的支撐。

We use two walls,perpendicular to the box beam on the west and north sides of the atrium,as tall and concealed corbels.Steel concrete walls are used as the support of the box beams.At the same time,an almost complete wall and its upper and lower plates on the inner side of the ramp corresponding to the first floor plane and the ribbon windows form a "C"shaped force transmission structure as the support of the upper cantilever.

5 南側(cè)支撐墻結(jié)構(gòu)布置

6,7 箱梁恒荷載變形

8 建筑主體結(jié)構(gòu)施工

9 混凝土結(jié)構(gòu)施工

10 天窗混凝土結(jié)構(gòu)施工

11 沿道路望向博物館

12 長條窗強化了建筑整體的懸浮感13 首層與室外場地的關(guān)系

在條件苛刻的部位，采用特殊的構(gòu)件斷面整合機電與結(jié)構(gòu)空間，利用空腹梁、管線穿梁等手段，將機電設(shè)備管線所需的孔洞與結(jié)構(gòu)梁板的空間壓縮到一起，增加建筑的凈空高度；或者將建筑幕墻的立梃、欄板、欄桿等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)主體受力構(gòu)件或輔助受力構(gòu)件，以達到結(jié)構(gòu)的要求。

In the parts with harsh conditions,special component sections are used to integrate the mechanical and electrical space with the structural space.By means of hollow beam and pipelines through beam,the holes required by the mechanical and electrical pipelines are compressed together with the space of structure beams and slabs to increase the clearance height of the building.Or the non-structure components of the building curtain wall,such as uprights,railings and balustrades,can be transformed into stress components or auxiliary stress components of the structure to meet the requirements.

14 首層平面圖

建筑東南兩側(cè)在2.20m 標(biāo)高以上做了整體的懸挑，同時在2.20m 標(biāo)高之下設(shè)置了展開長度達49m 的條窗，約是整個立面長度四分之三，條窗的通透進一步加強了建筑的懸浮感。

The southeast and southeast sides of the museum are overhung above 2.20m.Meanwhile,under 2.20m,a window with a length of 49m is set,which is about three quarters of the length of the whole facade.The transparency of the window further strengthens the sense of suspension of the museum.

15 窗口銜接處理

16 窗口細(xì)部軸測圖

17 中庭兩根圓柱形光源

18 從中庭望向頂部天窗

19 墻體、欄板材料的劃分20 坡道

21 屋頂VIP 休息室

22 暴露的柱子