抱珠樓之螺旋穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后記

張準(zhǔn) 王灝 陳學(xué)劍

室內(nèi)螺旋穹頂 ? 陳斌

抱珠樓位于寧波市慈城鎮(zhèn)民主路與始平路交叉口的東北側(cè)，與馮驥才祖居博物館隔街相望，原為當(dāng)代著名作家馮驥才高祖的從弟馮本懷所創(chuàng)建，因近鄰抱珠山得名，具有相當(dāng)珍貴的歷史價(jià)值，2006年被公布為寧波市江北區(qū)文保點(diǎn)，2015年12月被市政府公布為第一批寧波市歷史保護(hù)建筑。2019年筆者有幸參加抱珠樓改建修繕工程，改造后的建筑成為圖書館面向公眾開放。項(xiàng)目涉及多種現(xiàn)代木構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中新建的三號(hào)樓穹頂為本次介紹重點(diǎn)。

本項(xiàng)目開始前，建筑師以“木構(gòu)復(fù)興”為背景進(jìn)行了大量新型木構(gòu)原型研究，旨在將傳統(tǒng)的中國木構(gòu)形制演繹成新的設(shè)計(jì)語言。筆者也有幸參與到相關(guān)研究與教學(xué)中，與建筑師的理念產(chǎn)生了共鳴。

螺旋藻井包含著古人對(duì)星空的暢想，其造型特殊，只作為附屬裝飾不需要與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何形態(tài)上的深入?yún)f(xié)調(diào)。常見的螺旋藻井既有錐形內(nèi)面，也有球型內(nèi)面。其受力構(gòu)造在不同地區(qū)及建造流派間存在些許差異，有些偏重升、斗、栱之間的榫卯整體作用，有些兼顧封板、蓋板的空間板殼效應(yīng)。無論哪種方式，螺旋藻井都有一定的空間受力傾向，在傳統(tǒng)木構(gòu)中是相對(duì)獨(dú)特的分支。

建筑師從螺旋藻井與星空的意象出發(fā)，以30～40m跨度的穹頂為研究對(duì)象，提出了一種源于Aspension Dome的索木組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，作為張拉整體結(jié)構(gòu)的一種，其由鋼索構(gòu)成的拉力單元與桿狀的壓力單元組成?！袄Ｑ笾械氖軌汗聧u”，正是對(duì)此類結(jié)構(gòu)的詩意描述，這也是對(duì)物理世界中力與反作用力對(duì)立統(tǒng)一的哲思。

三號(hào)樓的主體結(jié)構(gòu)采用混凝土框架，正方型平面內(nèi)嵌八邊形的基本幾何系統(tǒng)。八根混凝土柱升至屋面穹頂?shù)牡撞凯h(huán)梁，環(huán)梁承托螺旋穹頂。由于穹頂?shù)膶?shí)際跨度僅12m有余，與早期原型研究中30m以上的預(yù)設(shè)跨度差異較大，將原型直接縮尺套用會(huì)帶來多桿（索）節(jié)點(diǎn)的加工困難、整體力學(xué)效率低等問題，并很可能因此失去結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的精巧感。所以在接下來的設(shè)計(jì)中，我們需要重新審視結(jié)構(gòu)方案。

在結(jié)構(gòu)師的視角下，對(duì)傳統(tǒng)木構(gòu)有如下直觀感受。首先在視覺層面，傳統(tǒng)木構(gòu)常包含大量零散且近似的小構(gòu)件，螺旋藻井、斗栱、編木拱橋都有此類特征，即小構(gòu)件拼接成特定的結(jié)構(gòu)功能單元。拼接方式對(duì)于力學(xué)必要性及降低原材料尺寸有一定考量，但在當(dāng)下而言更多是對(duì)建造技藝及文化內(nèi)涵的傳承展示。

其次在純力學(xué)層面，雖然構(gòu)件的組合序列帶有幾何上的邏輯與層次，但每個(gè)構(gòu)件并沒有展現(xiàn)出明確的受力特征，整個(gè)系統(tǒng)在力學(xué)上帶有冗余及含混的特征，因此沒有類似張拉整體系統(tǒng)中非拉即壓的力學(xué)表征與分離感。

三號(hào)樓穹頂?shù)妮^小跨度恰好為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了自由度，有可能與上述特征進(jìn)行更為深層的匹配。

螺旋穹頂?shù)慕ㄖ跏家庀筇崾玖巳缦虏豢珊雎缘慕Y(jié)構(gòu)要素：徑向的階梯形梁、索、螺旋內(nèi)收的斜向桿件、屋頂鏤空。其中階梯木梁與疊澀、斗栱等傳統(tǒng)木構(gòu)有形制聯(lián)系，索對(duì)應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)語言，螺旋收攏的桿件營造類似螺旋藻井的視覺升騰感，屋頂?shù)溺U空則使升騰感從有限變?yōu)闊o限，聯(lián)系到浩瀚星空。

由放射形構(gòu)件互相支撐產(chǎn)生穹頂空間可以算是最古老的結(jié)構(gòu)原型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也以此展開。對(duì)本項(xiàng)目而言，在屋頂開口處設(shè)置受壓環(huán)形構(gòu)件，互相頂靠的木梁作為壓彎構(gòu)件分布在周圍即可實(shí)現(xiàn)力學(xué)需求。斜梁的階梯造型可以通過對(duì)完整的膠合木梁裁切產(chǎn)生，木梁底部的側(cè)推力由下部的環(huán)向構(gòu)件加以約束。

在現(xiàn)階段，應(yīng)用型護(hù)理本科生的培養(yǎng)不是單純的操作技能的完全達(dá)標(biāo)，是綜合基礎(chǔ)理論知識(shí)和操作技能及評(píng)判性思維的培養(yǎng)，這就要求教師在設(shè)置臨床案例和考站時(shí)具備豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，使兩者有效結(jié)合發(fā)揮作用，案例設(shè)置貼近臨床并能考查學(xué)生處理單項(xiàng)操作的能力。OSCE模式在實(shí)施過程中，大力考驗(yàn)了教師的綜合實(shí)力，應(yīng)加強(qiáng)專業(yè)教師授課的質(zhì)量，以便考站的正確實(shí)施，減少誤差。教師授課質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，關(guān)系著OSCE模式能否順利進(jìn)行。

僅就滿足受力而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至此即可，但與傳統(tǒng)木構(gòu)在意境上的關(guān)聯(lián)也不復(fù)存在，僅成為一種對(duì)形態(tài)的模仿。以結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)還原傳統(tǒng)意境的第一直覺是，應(yīng)該將階梯梁分離成若干層水平構(gòu)件，正如斗栱與疊澀那樣。由于階梯梁內(nèi)部需要傳遞軸力，因此采用了階梯梁各階間啟口連接的方式，后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以此為起點(diǎn)展開。

這樣搭接成的結(jié)構(gòu)如同壘筑的積木，雖然階梯梁下傳遞推力的機(jī)制依舊存在，但是離散后的階梯梁抗彎能力大幅削弱，即使可以站立也只能依靠啟口位置的摩擦力維持，在重力作用下階梯梁會(huì)產(chǎn)生明顯的變形，以致倒塌。抑制連接啟口張開的最直接回應(yīng)，是在脫開位置增加拉桿，避免開口擴(kuò)展。

增加對(duì)穿拉桿后，啟口開裂及階梯梁的下彎變形被良好地控制，但是這種構(gòu)造只能抑制變形的下彎趨勢(shì)，在穹頂中心區(qū)域，啟口仍可能反向張開，形成局部上彎。而且當(dāng)屋面受集中力或者風(fēng)吸力時(shí)，階梯梁仍有局部上凸的可能。

對(duì)于上凸變形的回應(yīng)是增加環(huán)箍，對(duì)整個(gè)屋面收緊加以抑制。環(huán)箍采用不銹鋼拉桿，并在每層階梯底部設(shè)置一道。理想狀態(tài)下，各層級(jí)拉桿的環(huán)向緊箍力可完全平衡所在層階梯梁的推力，階梯構(gòu)件啟口處的水平剪力也會(huì)因此減小。上述構(gòu)件桿間的微妙力學(xué)平衡在結(jié)構(gòu)中形成了一種隱匿的張拉受力模式。

這種張拉模式與桿系構(gòu)成的張拉整體模式有些許不同。首先，系統(tǒng)內(nèi)的壓力單元并非概念上的絕對(duì)受壓桿件，而是一個(gè)隱藏在構(gòu)件內(nèi)的區(qū)域。在不同受力工況下區(qū)域內(nèi)部的壓力分布及比例會(huì)有所變化，比常規(guī)的桿狀壓力構(gòu)件具有更為復(fù)雜的受力分布模式，但當(dāng)其作為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一部分被加以考量時(shí)，仍可近似理解為一個(gè)剛性受壓單元。其次，拉力單元與受壓區(qū)域存在交叉關(guān)系，這與張拉整體模式也有顯著差別。

如果張拉整體結(jié)構(gòu)是將“拉力海洋”中力矢量匯聚的節(jié)點(diǎn)提升維度至線性桿件，則本張拉系統(tǒng)則是將桿件進(jìn)一步提升為概念上的剛域，并且不再強(qiáng)調(diào)拉壓分明的二元特征。對(duì)照現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜情景，系統(tǒng)中的二元對(duì)立特征淡化后更容易發(fā)生廣義的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)。

此時(shí)，屋面系統(tǒng)已具有應(yīng)對(duì)各類荷載的良好承載能力，但因?yàn)槟玖旱姆侄翁匦约皩?shí)際施工的索力控制誤差等問題，階梯梁仍有面外失穩(wěn)的可能。

抑制面外變形的直接回應(yīng)為增加側(cè)向支撐，這一手法正好可以結(jié)合螺旋藻井向內(nèi)升騰的形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。錯(cuò)位、錯(cuò)層的斜向木構(gòu)件成為階梯梁的橫向穩(wěn)定措施。至此，以直觀應(yīng)對(duì)變形的方式完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中離散的構(gòu)件各司其職，拉桿、環(huán)索、斜桿具有明確的力學(xué)導(dǎo)向，而階梯梁的節(jié)段單元又帶有曖昧的內(nèi)部受力邏輯，秉承了東方傳統(tǒng)木構(gòu)中的含混特征。雖局部的受力細(xì)節(jié)被隱匿，但整個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)與幾何邏輯卻清晰可辨，帶有現(xiàn)代結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的理性嚴(yán)謹(jǐn)。在結(jié)構(gòu)層面的精確與含混之間，傳統(tǒng)螺旋藻井實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代重構(gòu)。

由于穹頂內(nèi)部拉索的存在，內(nèi)力已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自平衡，穹頂?shù)撞坎辉儆邢蛲獾乃酵屏?，承托穹頂?shù)沫h(huán)梁也結(jié)合整體效果被簡化為鋼結(jié)構(gòu)剪式交錯(cuò)的編織梁，不再出現(xiàn)拉索元素。

結(jié)構(gòu)與建筑期待共同探索一種結(jié)合古今特征的木構(gòu)模式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以如何抑制不利變形的思考進(jìn)行推演，每步推演中力學(xué)處理的適宜性雖然重要但并非核心主導(dǎo)。一種張拉結(jié)構(gòu)的新系統(tǒng)因此出現(xiàn)，這一結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以更廣義的方式解讀“拉力海洋之中的受壓孤島”的含義。這種新模式給建筑設(shè)計(jì)帶來了擁有更多自由度的潛力與活力。結(jié)構(gòu)也因此獲得了建筑學(xué)意義上的傳統(tǒng)木構(gòu)復(fù)興，而非復(fù)制古法，復(fù)現(xiàn)古式。

1 建筑意象中基于Aspension Dome 的穹頂設(shè)計(jì)

2 螺旋穹頂初始結(jié)構(gòu)意象

3 建筑意象中以整體張拉推導(dǎo)的穹頂支撐環(huán)梁

4 室內(nèi)仰視

5 實(shí)施方案平面俯視6 實(shí)施方案局部區(qū)域軸測

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中離散的構(gòu)件各司其職，而階梯梁的節(jié)段單元又帶有曖昧的內(nèi)部受力邏輯。雖局部的受力細(xì)節(jié)被隱匿，但整個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)與幾何邏輯卻清晰可辨。在結(jié)構(gòu)層面的精確與含混之間，傳統(tǒng)螺旋藻井實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代重構(gòu)。

Each discrete element of the structural system has its own role,while the segmental units of the stepped beams carry an ambiguous internal force logic.Although local details of the forces are hidden,the mechanical and geometric logic of the whole system is clearly discernible.Between precision and ambiguity at the structural level,the modern reconstruction of traditional spiral caisson ceiling is achieved.

7 基于回應(yīng)不利變形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)推演

8 階梯梁拼裝過程9 拉索張拉前10 拉索張拉結(jié)束

11 屋面初始定位12 屋面主結(jié)構(gòu)俯視13 屋面主結(jié)構(gòu)完成

14 室內(nèi)效果

15 藻井細(xì)部工藝

16 藻井細(xì)部工藝

1-3,5,6,10 佚人營造建筑事務(wù)所提供

4,14-16 趙賽攝影

7-9,11-13 和作結(jié)構(gòu)建筑研究所提供