[分享]结构工程师眼中的建筑结构融合设计(一)

发表于2019-04-11     1041人浏览     1人跟帖     总热度:696  



在当代的建筑界中,建筑结构设计一体化的需求越来越强烈,成为一种重要思想和潮流。结构不仅是提供承载能力的支撑,也可以作为建筑表达“美”的载体。
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▲ 巴黎世博会机械馆
国际上一些优秀的结构设计师和设计事务所,如Jorg Schlaich、 Ove Arup、坪井善勝、木材俊彦等,采用轻盈、高效的结构形式,创造出许多令人印象深刻的造型,将结构技术作为一种“美”在建筑艺术中恰当地表达。
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 heathrow airport terminal 5
建筑结构融合设计正是展现结构之“美”的最好载体。
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如何定义结构之美
SchlaichBergermann Partner的Mike Schlaich在《Elegant structures》一文中很好的阐述了这一问题,本文在此基础上引用并加以说明。
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以上两张人像照片都给人美的感觉,但此美与彼美是否有所不同?
同样,下面两张图中的沙发设计给人的感觉是否也有所不同?
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文章认为,好的结构的“美”用优雅(Elegant)一词来表达更合适,因为好的结构是一种特定的美,甚至比美更胜一筹。
结构的优雅可能是美与一种特定品味的结合,可以引领社会文化,有点像时髦的模特或者明星。
结构的优雅可能是美与轻盈、通透、灵动的结合,即将脱离地心引力,仿佛一位优雅的芭蕾舞演员。
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结构的优雅也可能是美与流线般形态的结合,比如一辆高贵的跑车或游艇。
结构的优雅还可能是一种感官上纯粹、极简的美,简无可减,像黑白照片一样。
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以上是对结构“优雅”的一个主观的定义,这些描述相互之间是有交集的,比如流线型可能会带来动态、飞翔的感觉,也可能会带来感官上的纯粹,本身也是一种特定的品味。
总结一下,结构在建筑中表现的目标可以提炼为:美得有品味(能影响社会文化),如行云流水般轻盈、通透、灵动,简无可减。
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结构与建筑如何更好地融合
罗马建筑师Vitruvius在公元前25年就提出一个好的结构设计要基于以下三个要素:Firmitas, Utilitas and Venustas,可以理解为安全性、功能性、美观性。
后世的建筑师和结构工程师都是围绕着这三个主题进行探索和实践。
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下图中包含了产生优雅的外露结构的若干原则,这些原则都体现了美和优雅的元素,并且不是孤立的,而是作为一个整体。
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这些原则大致可以归纳为以下几个方面:
(1)  结构一般原则,包括安全性、可靠性、经济性,施工便利性,满足建筑基本功能等;
(2)  高效结构原则,包括明晰性(优先选择力学概念简单清晰的合理结构体系)、高效率(合理的结构即是将适宜的材料予以最大效能的利用)、创新性(实现明晰和高效率的途径)等;
(3)  与建筑表现有关的原则,包括真实性(形式与结构在原则上和逻辑上相符)、有表现力、有美感等;
(4)  与整体考虑有关的原则,包括统一性(结构整体与细部的统一,结构与建筑功能的统一)、对社会和生态的影响、与环境相协调等。

接下来作者将从多个层次,分析结构与建筑融合设计的不同切入点。本文主要是从设计案例出发,归纳、借鉴。下一篇文章将以虹桥机场T1航站楼为例,介绍建筑结构融合设计在自己项目中的实践。
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传承与发展,从经典项目中吸取更多的营养
经典项目随着时间流逝逐渐沉淀为建筑文化,其中蕴含着丰富的语言,建筑结构融合设计更要从中吸取营养,实现传承和发展。

形式的巧合
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经典项目三铰拱桥和悬挑雨篷的曲线形态不谋而合,在法国的Licorne Soccer Stadium结构中采用的竖向悬臂形式也隐约可见悬挑雨篷的形象,而比利时的一座自行车桥根部也是这样的曲线形态,但现在采用钢结构材料,截面尺寸比混凝土结构更小。
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比利时的某人行桥与著名的甘特桥、SBP的铁路桥有形似之处,但更显得轻盈。

Y形柱的新生
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从奈尔维的小罗马体育馆Y形柱,到安藤忠雄的Y形柱,马德里机场和浦东机场T2的钢结构Y形柱,旧金山某交通车站的变换后的Y形柱,在传承中有发展,产生不同的建筑效果,体现了一种生长的力量。

树形柱的风潮
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从圣家族大教堂的树形柱,到卡拉特拉瓦的树形柱,某大学的树形柱,到斯图加特机场和沙特某机场的树形柱,再到TT设计的网格状树形柱,出现了一股树形柱的风潮,只要有变化、够美观、有新意,相信未来仍然会有发展。
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希斯罗机场T5的分叉柱和虹桥机场T1改造项目中采用的分叉柱也可看作是树形柱的一种,从传承中得到发展,取得较好的效果。

结构与光带共舞
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从奈尔维的侧天窗和顶部光带,到坎德拉造型别致的落地窗和教堂天窗,到吉隆坡机场和旧金山机场的屋面天窗,再到普尔科沃国际机场现代感的天窗,有时候与外露结构没有特别的关系,但是结构与光带的完美结合可能产生特殊的效果,需要我们加以探索发展。
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从建筑结构融合设计目标出发的整体性启示
将建筑结构融合设计的目标和原则落实到具体设计中,我们发现,自己目前设计中有所欠缺的内容可以概况为以下几个英文单词:Elegant, Light,Transparency, Simplicityand Clarity。下面分别介绍。

优雅的形态和布置
从线、面、体各个层次,采用曲线形、拱形、螺旋形、S形、树叶型、弧形和球形曲面、自由曲面等形态,直线类形态时可采用立体切割形态(案例数量较少),这些形态能带来舒展、自由、灵动的视觉体验。
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优雅的结构布置方式和内部划格也是一种几何形态,通过阵列、径向和环向、交叉布置方式,形成三角形、四边形、菱形等连续的规则或渐变网格,能带来韵律、秩序和节奏感。
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当代建筑是多样性的,与有序、韵律相对立,在特定情况下,某些看似杂乱但错落有致的布置方式,也有可能被认为是优雅的形态。
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轻盈的体系和杆件
采用受力直接的拉压体系截面纤细,因而比受弯体系更显得轻盈,对视觉影响小的细吊索、细张弦等能提升轻盈感。
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在荷载较小时采用大长细比的柱子,或将抗侧力体系与竖向体系分开,能带来轻盈感。
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可通过悬挑、分叉集中等体系选择,尽可能减少落地构件,达到表现轻盈需求的效果。大构件的离散化如网格筒也是实现轻盈效果的一种方式。
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悬挑收边结构本身或建筑实现极为轻薄的造型,通过细节处理带来视觉上的轻盈感。
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选择外露的吊挂平台、吊挂楼梯等轻巧结构,可以用较小的代价达到点睛的效果。
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通透的玻璃结构
配合玻璃透光的主结构采用单层的轻薄结构,主结构与玻璃次结构的构造合二为一能做到最大程度的通透;当不能合二为一时,尽可能不在主结构上简单重叠次结构或通过一定的颜色差异区分,以减小次结构的影响。
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跨度不大的结构可以选用扁形构件甚至钢片,实现通透的目的。跨度较大时,圆管构件和三角形截面的构件在不同角度下都能达到更通透的目的。
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清晰的受力表达
清晰的表达,指外露的构件或者部件的作用是易于读懂的,符合结构受力基本原理的,每个结构都遵循基本的受力原理,越是简单的原理越容易被清晰的表达,包括节点连接方式。
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采用刚接拱形结构、两铰拱结构、三铰拱结构等设计,杆件截面大小变化或者拉索杆件的采用,与弯矩图相符,都能清晰的表达结构。
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曲面形和折板形梁式结构、圆形平面的单边支撑悬挑结构、带有后座杆件的悬挑结构等以简单的结构原理为基础发展而成,不是最经济的结构形式,但仍可能是清晰表达的结构。设计这类结构的前提是对结构基本原理有清晰的认识,结合工程条件变化无穷、灵活应用。
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清晰的表达可能不是完全根据受力得到,不完全忠实于受力,有时候会表现为略微偏离合理的受力,有时候会表现为外包造型的艺术化处理。
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简单纯净的结构
简单的结构与通透的结构、清晰的受力有重叠之处,从体系上来说,结构中的构件都有其存在的必要,没有多余构件,某些情况下为了提高冗余度而存在的构件也有其必要性。
从构件层次来说,两端铰接柱的变截面处理、悬臂梁的变截面、梁上开洞处理、空腹桁架的采用等,都属于简单纯净的结构,把构件上不需要的部分去除了,形成结构语言。
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构件和节点设计的其他启示
构件设计
因制作方便,圆管在曲面结构中应用有优势,管件相交方便,效果较好。需要三向相交时,可以采用矩形截面与圆管混合的形式。
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因为线条和阴影带来的视觉影响强于平面,十字形柱在荷载较小时可能会是合适的选择,多边形柱也可以考虑,甚至对较大的柱子进行不规则体面切割成多维变截面。某些情况下椭圆形比圆形更有美感,椭圆形柱截面也可能是一种选择。
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拱形和曲梁中采用的异形截面,使相对单调的结构富有活力。
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外露桁架结构的弦杆外观尺寸保持不变,可以通过厚度调整,腹杆外观尺寸如需变化也应与长度相适应,没有突变。
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柱子和梁截面的细部线条装饰在视觉上有其作用,但国内较多项目的此类构件平直度不够,与焊缝设计有关。
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以法国邯錫教堂为参考,小柱距承重结构的均匀圆柱高度与直径比值为25是比较适宜的;以大柱距的支撑屋盖悬臂钢管混凝土柱采用变截面形式,外露高度与底部最大直径之比大约小于8时就显得笨重,宜大于10。
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节点设计
不同类型的多杆件相交不一定都要一个平面内,有时候允许偏心连接可能带来便利。
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将起结构作用的加劲板、连接板等部件艺术化,切割、圆弧倒角处理,细节精致的艺术产品。
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便于现场连接的设计基础上进行艺术化处理,现代工业化特征。
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造型渐变,从铰接节点到实体和大面的“过渡”做法,符合力流扩散的基本原理,清晰的表达。
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基于拓扑分析和优化手段,可能采用这样的拉索连接节点设计,颇具未来感,而且材料用量大大减少。
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 发表于2019-04-11   |  只看该作者      

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