越來越細(xì)的柱子
——大天鵝科普館結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計回顧

整合先后三次訪談，回顧大天鵝科普館設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計與建筑設(shè)計的交織與錯位，闡明設(shè)計過程中涌現(xiàn)的非常規(guī)細(xì)柱。關(guān)注細(xì)柱獨特化的過程與具體設(shè)計情境的創(chuàng)造性關(guān)聯(lián)，而非將越來越細(xì)的柱子理解成一種結(jié)構(gòu)新奇性。

This interview reviews alignment and misalignment between structural design and architectural design in the design process of the Swan Science Museum.It sheds light on the emergence of unconventional slender columns in the design process.Slender

columns are not considered as structural novelty.Instead,this interview focuses on the creative relationships between the individuation of slender columns and specific design situations.

1 底層架空：從“傘體柱單元”到“三角形網(wǎng)格梁柱”

陳軍：

建筑師提到，在大天鵝科普館項目初期，業(yè)主只提出比較籠統(tǒng)的要求：面積控制在2 000m左右；在功能計劃上，做一些普適性的展覽空間，兼做一處可以遠(yuǎn)觀天鵝湖的場所（圖1）。我看到整個過程大致有幾稿建筑方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計是從哪個階段開始介入的？

張準(zhǔn)：

從最初的“單傘”方案就介入了。

陳軍：

“單傘”方案以十幾個非規(guī)則五邊形的曲面?zhèn)泱w柱作為結(jié)構(gòu)單元，它們看起來是有機(jī)組合的，填補(bǔ)了場地三面松林之間的缺口。建筑底層是架空的，容許人和天鵝穿越建筑（圖2,3）。同時，“傘體”結(jié)構(gòu)單元之間是分開的，屋頂?shù)目p隙在室內(nèi)形成不規(guī)則的光帶。在這個方案的推進(jìn)過程中遇到了什么困難呢？

張準(zhǔn)：

當(dāng)時經(jīng)過討論，覺得有不可實施的風(fēng)險，所以就直接換掉了。

陳軍：

不可實施的原因是？

張準(zhǔn)：

因為建筑上想用混凝土直接澆筑弧線段，但是聽說現(xiàn)場施工能力不算很好，做起來稍有困難，擔(dān)心最終的完成品質(zhì)不高。我們也考慮過要么里面做柱子，外面弧線靠裝飾，但建筑師覺得那樣不好，就放棄了這個方案。

陳軍：

具體的施工難度在于什么呢？

張準(zhǔn)：

擔(dān)心雙曲異形模板的支模質(zhì)量及清水混凝土澆筑的完成品質(zhì)沒法保證。但是等項目推進(jìn)到后期，我們發(fā)現(xiàn)實際上當(dāng)?shù)乜梢哉业胶芎玫氖┕挝弧?/p>

陳軍：

“里面是柱子，外面的弧線靠裝飾”，這種思路好像挺常規(guī)的。你們提出這種結(jié)構(gòu)方案是基于什么綜合的考慮？

張準(zhǔn)：

在當(dāng)時的情形下，這個方案確實也是一個潛在方向，是可以提出來討論的，主要在于試探建筑師的關(guān)注點以及這個項目的可能性。每個項目的具體情況都不一樣，如果一開始人為設(shè)限太多、刻意回避，項目可能就很難推進(jìn)下去了。另外，即使是“里面做柱子，外面靠裝飾”，其實還是有機(jī)會做得不一樣。

陳軍：

第二版建筑方案有兩個比較大的變化：1）幾何原型（Protogeometry）從非規(guī)則五邊形傘體柱單元變成規(guī)則的三角形網(wǎng)格梁柱與六邊形單元的疊合，柱間距統(tǒng)一至8m；2）材料選擇上從鋼筋混凝土變成鋼或木（圖4,5）。單從平面幾何關(guān)系來看，兩個方案似乎有一種連貫性，像是不規(guī)則多邊形單元的規(guī)整化，但是在結(jié)構(gòu)體系和空間體驗上差異很大。

大天鵝科普館北側(cè) ? 楊天周

第一版建筑方案南側(cè)透視效果圖，顯示“傘體柱”單元以及底層架空? 若本建筑工作室

第二版建筑方案南側(cè)透視效果圖 ? 若本建筑工作室

密集鋼列柱方案效果圖 ? 若本建筑工作室

第一版建筑方案總平面圖，顯示非規(guī)則的五邊形“傘體柱”單元有機(jī)地組合，并填補(bǔ)場地三面松林的缺口 ? 若本建筑工作室

第二版建筑方案二層平面圖，顯示三角形網(wǎng)格柱網(wǎng)與六邊形單元的疊合? 若本建筑工作室

密集鋼列柱方案一層平面圖 ? 若本建筑工作室

張準(zhǔn)：

在這兩個方案的討論過程中，建筑師都很強(qiáng)調(diào)底層架空，希望柱子尺寸盡量小一些。按照第二稿建筑方案的效果圖，我們提供了兩種常見的框架結(jié)構(gòu)方案：1）混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱子略粗；2）普通鋼構(gòu)，柱子較細(xì)，空間更通透。對比后，建筑師還是希望柱子能更小一點。于是，我們又研究了密集鋼列柱方案的可能性，這個方案的柱子最細(xì)，但必須有斜向構(gòu)件。

陳軍：

建筑師選擇了密集鋼列柱的結(jié)構(gòu)方案之后，還調(diào)整了建筑在場地上的落位，從樹林的角部挪到樹林內(nèi)側(cè)。結(jié)構(gòu)方面和這個變動有什么關(guān)聯(lián)嗎（圖6-8）？

張準(zhǔn)：

當(dāng)時結(jié)構(gòu)上倒沒有留意這個事情。

柱子截面變化。上：第一版方案；中：第二版方案；下：最終版方案? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

2 細(xì)柱，屈曲與施工階段內(nèi)力調(diào)整

陳軍：

密集鋼列柱在結(jié)構(gòu)上需要怎樣才能成立？最大的問題是細(xì)柱的抗屈曲嗎？

張準(zhǔn)：

對，主要是讓列柱里的細(xì)柱受力均衡，避免局部受力過大而導(dǎo)致屈曲。在這個項目里，我們給出了在施工階段內(nèi)力調(diào)整的方案。

建筑底層密集列柱 ? 姚力

陳軍：

具體是怎么處理的？

張沖沖：

如果只是常規(guī)的施工方式，二層框架柱的荷載將集中于底層柱列端部位置的細(xì)柱，導(dǎo)致細(xì)柱屈曲，結(jié)構(gòu)失效。在這個項目中，我們利用施工階段的控制來調(diào)整傳力路徑。柱列由D60實心鋼柱（1#-6#）和D60? 6空心鋼管組成，豎向力主要由實心柱承擔(dān)，水平力由全部柱分?jǐn)偅▓D9,10）。

施工的第一階段（主要抵抗恒荷載），人為控制屋面荷載經(jīng)過上層立柱傳遞到列柱內(nèi)側(cè)的三根柱子（4#-6#），避免1#-3#立柱參與受力。承擔(dān)這部分荷載的三根柱子（4#-6#）在頂部匯在一起，形成一個組合柱來抵抗（圖11）。施工的第二階段（結(jié)構(gòu)封頂后），也就是全部恒荷載加載完畢后，再固定列柱外側(cè)的三根柱子（1#-3#）（圖12）。通過這樣的施工控制，列柱端部三根鋼柱僅承擔(dān)活荷載，從而使得列柱內(nèi)力分布相對均衡，有效利用細(xì)鋼柱的截面。

陳軍：

是不是有一個特殊的節(jié)點來控制這個過程？

張沖沖：

具體做法的話，就是在最外側(cè)三根柱子的柱腳處設(shè)置鋼套筒，施工第一階段完成后，再把套筒和柱子焊接固定（圖13,14）。

陳軍：

施工階段內(nèi)力調(diào)整的想法是從這個項目里冒出來的嗎？這在結(jié)構(gòu)里是常見做法嗎？

張準(zhǔn)：

其實跟之前做日暉港橋有關(guān)系。當(dāng)時考慮減小基礎(chǔ)推力方案時，大野博史曾提過一個想法，也就是在拉索一開始張拉時，讓橋臺向里面內(nèi)偏受力，然后當(dāng)人群走上去的話又能外偏受力，相當(dāng)于有一半活荷載是這根索預(yù)先承擔(dān)的。雖然最后沒能實現(xiàn)，但是這個想法本身很好。

施工階段內(nèi)力調(diào)整在橋的項目上經(jīng)常被用到，包括之后的川楊河橋也有這個想法。但對于建筑來說，這種做法還是相對特殊的，在一些比較大型的項目中也會用到，而中小型項目的話就比較少用到了。

密集柱平面圖與立面圖 ? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

恒荷載傳力路徑（1#-3#立柱不參與傳力） ? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

疊加活荷載后的傳力路徑 ? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

陳軍：

其實在一排列柱中只有外側(cè)幾根是實心鋼柱，中間的那些是鋼管。施工階段內(nèi)力調(diào)整后，豎向基本上都由實心鋼柱承擔(dān)了，那這些鋼管主要就是用來承擔(dān)水平力的？另外，在結(jié)構(gòu)分析圖上，中間的鋼管布置在視覺上比較規(guī)律，但是最后建成的鋼管布置方式看起來相對隨機(jī)，這兩種（布置方式）在結(jié)構(gòu)上有什么區(qū)別？

張準(zhǔn)：

中間的鋼管在概念上可以理解成抗震儲備，保證有一定數(shù)量的斜向構(gòu)件來抵抗水平力即可。建筑師是根據(jù)這個原則來調(diào)整的。

陳軍：

從建成效果來看，建筑像是由一系列很細(xì)的鋼柱支撐的。實際上，沙土和水面遮蓋了房子的全筏板基礎(chǔ)，加強(qiáng)了這種輕盈的視覺效果（圖15）。工程上用全筏板基礎(chǔ)有什么特別的考慮嗎？

張準(zhǔn)：

主要有兩方面的考慮。一方面是場地的土質(zhì)比較松散，只用條形基礎(chǔ)的話，地震時難以應(yīng)對土壤液化問題。另一方面，二層樓板的施工需要滿堂腳手架，土質(zhì)太軟的話，腳手架施工難度比較大。不過這里還是有遺憾的，本來想把混凝土部分都遮起來，只露出細(xì)柱（圖16），后來可能因為某些原因就沒有全覆蓋（基礎(chǔ)混凝土的部分）。

3 細(xì)柱的五種做法與效果

陳軍：

關(guān)于細(xì)柱，你們好像已經(jīng)有一系列相關(guān)的實踐？

張準(zhǔn)：

是的。最開始把柱子做細(xì)是在花草亭項目中，當(dāng)時那個細(xì)柱是直接以計算保證的，只是計算方式有一些特別的地方。第二個是例園茶室，其中有一些座椅之類的構(gòu)件讓柱子的計算長度變小了，這樣柱子就有機(jī)會細(xì)一些。接下來是邊園，利用場地現(xiàn)有的條件，讓較長的柱子在抵抗重力及風(fēng)力時盡量受拉，這樣柱子就可以細(xì)一些。再來是這個大天鵝科普館，用上了施工階段內(nèi)力調(diào)整，讓一列細(xì)柱相對均勻地承擔(dān)荷載，避免局部細(xì)柱集中受力后屈曲。我們還有一個正在進(jìn)行的項目計劃利用后屈曲行為，來減小柱子的尺寸。

陳軍：

后屈曲行為？

張準(zhǔn)：

柱子屈曲后并不一定會完全喪失承載力，只是無法保持原有形態(tài)。后屈曲就是利用這個階段的強(qiáng)度，但是這時它已經(jīng)變形比較大了，建筑結(jié)構(gòu)一般不大會使用。使用中大多不會到后屈曲階段，只是把后屈曲作為最終的安全儲備。大家也大多不考慮靜力下的后屈曲行為。但如果有針對性地加以設(shè)計，也可以將后屈曲階段的特征加以展現(xiàn)，而不僅僅是安全儲備。

陳軍：

這是通過減少結(jié)構(gòu)冗余來減小構(gòu)件尺寸的方式。前面提到的幾個項目里，細(xì)柱的做法和效果都很獨特。其實談到細(xì)柱的幾種非常規(guī)做法，不是說要追求柱子越來越細(xì)，也不是追求結(jié)構(gòu)的新奇性，而是關(guān)注這些結(jié)構(gòu)的非慣常做法怎么在具體項目里形成創(chuàng)造性關(guān)聯(lián)。另外，細(xì)柱的做法也不是固定的解決方案，在某些項目條件下也有機(jī)會生成一些新的關(guān)聯(lián)……

后固定柱腳節(jié)點圖 ? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

后固定柱腳節(jié)點施工，同時顯示全筏板基礎(chǔ) ? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

張準(zhǔn)：

這些做法也可能混起來使用。

建成后一層細(xì)柱與二層鋼柱形成對比? 姚力

主體結(jié)構(gòu)完工，顯示基礎(chǔ)部分完全被覆蓋下的柱子對比? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

4 二層“木”結(jié)構(gòu)的演化

陳軍：

上下兩層的結(jié)構(gòu)差別很大，幾乎是兩套體系，這種疊合的結(jié)構(gòu)體系需要特殊評審吧？

張準(zhǔn)：

是的。評審專家認(rèn)為整體結(jié)構(gòu)體系是沒有問題的，不過對二層結(jié)構(gòu)有一些討論。當(dāng)時的規(guī)范對鋼木混合結(jié)構(gòu)的要求相對比較模糊，評審專家認(rèn)為二層用純木結(jié)構(gòu)的話，可能會有防火問題。

陳軍：

把木柱子改成鋼柱子是因為防火問題嗎？

張準(zhǔn)：

防火等級由建筑性質(zhì)確定，一開始項目被設(shè)定為三級防火標(biāo)準(zhǔn)，較多采用木結(jié)構(gòu)是沒問題的。但是推進(jìn)過程中調(diào)整為二級，（二層）就不允許（全）做木結(jié)構(gòu)了。

陳軍：

從建筑師提出二層采用木材到最后建成，二層的柱子有一些變化。從最開始的方案中可以看到，柱子是鋼木混合的，柱子和梁之間留有縫隙，視覺上呈現(xiàn)出不連續(xù)性。實際上在這個方案中，柱子木材部分的受力不是很明確（圖17）。而在第一次審圖時，二層結(jié)構(gòu)是純木材的，梁柱在視覺上是連續(xù)的（圖18）。最后采用了鋼柱，和木梁的交接節(jié)點是外露的鋼材，這在視覺上比較接近初始方案（圖19）。這個變化過程中有什么特別的討論嗎？

張準(zhǔn)：

建筑師提出二層做木結(jié)構(gòu)時，認(rèn)為需要鋼節(jié)點來進(jìn)行木構(gòu)連接，實際上效果圖中的木柱抗彎受力并不直接。因此，我們就提出二層可以做純木框架結(jié)構(gòu)（圖20）。初次審圖時，對柱頂剛接節(jié)點的可靠性及是否需要增加支撐措施還有過一些討論。當(dāng)然后來評審時，就直接因為防火問題而不讓用木柱了。于是，最終采用了鋼柱，而且鋼柱外側(cè)的木材是不受力的（圖21）。

陳軍：

又薄又高的木梁好像從頭到尾都沒有什么變化（圖22）？

張準(zhǔn)：

建筑師的二層木結(jié)構(gòu)方案效果圖，顯示鋼節(jié)點及柱梁脫開? 若本建筑工作室

評審前二層木結(jié)構(gòu)效果圖，顯示柱梁視覺上是連續(xù)的? 若本建筑工作室

建成二層內(nèi)景，顯示鋼柱與木梁的交接關(guān)系 ? 楊天周

評審前二層結(jié)構(gòu)立面詳圖，顯示二層為木結(jié)構(gòu)框架，柱腳為鉸接做法? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

評審后二層結(jié)構(gòu)立面詳圖，顯示二層為鋼柱木梁結(jié)構(gòu)框架，柱腳為剛接做法? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

建成后的門廳，顯示又薄又高的木梁 ? 楊天周

木梁等效豎向內(nèi)力分布 ? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

木梁等效水平內(nèi)力分布 ? 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

實際上，部分老式木框架在梁柱連接部位有腋撐，通過這個方式實現(xiàn)梁柱剛接，這樣柱腳鉸接就可以確保結(jié)構(gòu)成立（柱底鉸接的抗側(cè)方式類似門式鋼架，不過最后鋼柱改成了柱腳剛接，柱頂就可以鉸接了）。我們之所以設(shè)計一個很高的梁是把這個形式加以異化，將腋撐隱藏在了梁高范圍內(nèi)，可以認(rèn)為受力模式跟腋撐框架近似，梁柱銜接處能夠形成較好的剛性連接（圖23,24）。

陳軍：

那木梁怎么做到這么薄呢？

張沖沖：

因為梁高較大，不管木梁是豎向受力還是水平受力，梁端部的變形趨勢會讓梁柱之間的連接變得更緊（梁高加大，更小的梁端轉(zhuǎn)角即可以使節(jié)點處的螺栓與木材孔壁緊密貼合），也更容易維持框架的整體剛度。另外，對于同樣截面剛度的木梁而言，加高木梁可以讓梁寬指數(shù)倍地減小（梁的截面彎曲剛度正比于梁高的三次方），在滿足截面防火構(gòu)造及穩(wěn)定的前提下，就可以把梁做得盡量薄。

業(yè)主：榮成市好運角旅游度假區(qū)管委會

建設(shè)地點：山東省榮成市

建筑設(shè)計：若本建筑工作室

主創(chuàng)建筑師：李立

設(shè)計團(tuán)隊：岳文昆、孔維薇

結(jié)構(gòu)設(shè)計：和作結(jié)構(gòu)建筑研究所

結(jié)構(gòu)設(shè)計團(tuán)隊：張準(zhǔn)、張沖沖

施工圖配合：上海中福建筑設(shè)計院有限公司

用地面積：22 344m

總建筑面積：2 663m

建成時間：2018

攝影：姚力、楊天周

① 針對大天鵝科普館設(shè)計，陳軍與結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行了三次對談，分別是2018年11月21日于和作結(jié)構(gòu)建筑研究所辦公室與張沖沖的對談，2018年11月29日于和作結(jié)構(gòu)建筑研究所辦公室與張準(zhǔn)的對談，以及2022年5月4日通過網(wǎng)絡(luò)視訊與張準(zhǔn)的對談。