厦门北站的建筑形态生成逻辑

ABSE杰出结构奖与厦门北站

2015年9月24日，国际桥梁及结构工程师协会在瑞士日内瓦国际会议中心举行颁奖大会，授予美国旧金山奥克兰湾大桥、中国高铁厦门北站等四个项目“2015年度IABSE杰出结构奖”。这个奖项是桥梁及建筑结构工程的最高奖项，这次也是历史上第三个中国的建筑工程项目获得这个奖项（之前两个项目是北京“水立方”和广州“小蛮腰”），这是对中国建筑工程界结构设计技术水平的一种肯定！

虽然这本身是一个结构工程设计大奖，但笔者作为这个项目的设计总负责人和主创建筑师受结构专业工程师们的邀请参与颁奖典礼盛事，也觉得极为荣耀！大会颁奖词称这座建筑吸取中国传统闽南民居“燕尾脊”的建筑形式特点，并由此创造出一种独特的大跨度钢结构体系，使得技术与艺术辩证统一。也就是说建筑师在这个结构体系的创造中发挥了一定的作用。回顾厦门北站建筑形态的生成过程，梳理建筑形态语言与结构形式之间的关系，有助于我们探讨大跨度建筑形态的生成逻辑。

著名的意大利建筑及结构大师奈尔维先生曾说：“建筑必须是一个技术与艺术的集合体，而并非是技术加艺术”，他认为有机的结构与建筑形态可以相互共生。尤其是大跨度建筑，形式可以多种多样但一定不能背离结构逻辑。建筑师们应该充分认识到结构技术对于建筑形式创作的重要意义，在实践中自觉学习结构基本知识，自觉关注结构技术的动态，自觉应用结构新技术，来达成建筑形式创作的极大自由。

笔者在实践中也始终认定，建筑形式应真实反映结构逻辑。具体总结了基于结构构造逻辑的建筑形态塑造的如下几点体会：向大自然学习结构原理；形式应与功能相统一，建筑形态应与结构逻辑相统一。

从材料和结构的力学分析出发，统一考虑建筑形态的设计方法，真实暴露结构。以下结合厦门北站项目进行详细论述。

厦门北站建筑形态的生成过程

厦门北站是福厦高铁线上的重要枢纽站。客运用房总建筑面积约5万m²，站台雨棚面积约5万m²。2006年初，我们参与铁道部组织的站房设计竞赛获得了专家评审第一名，这是我们最初的中标方案。创意源于厦门的别称“鹭岛”，建筑形态仿似展翅的白鹭，结构体系与建筑形态巧妙结合，受桥梁结构的启发，创造了一种斜拉索桁架结构。索塔就是昂扬向天的白鹭头，主桁架就像是白鹭的脊椎，次桁架就是白鹭的肋，主次桁架都采用了张弦桁架体系，整体形象非常富有张力。

这个方案中标以后，在给地方政府领导汇报时他们提出应该更多体现闽南传统建筑的地域文化特点。这使我们想到了从闽南民居中提炼出“燕尾脊”的地域符号用于站房的建筑形态，便形成了第二轮方案。但这个方案依然贯彻了建筑形态与结构逻辑相结合的原则，采用的是塔柱斜拉主桁架支撑弧板网架的结构体系。对于此方案，地方政府较为满意，但又提出了新的意见：从广场上的正常视点看不到屋脊，闽南民居的“燕尾脊”形态不够突出。因此，我们将站房屋盖切分成18块单元，设置了6组18道主桁架，这样其实相当于将屋脊主桁架往屋檐方向前移，增大了屋面坡度，视觉上自然突出了屋脊。

但我们在推敲实施方案时发现，由于屋盖单元切分过碎，中部屋盖单元的次级网架跨度远小于南北两侧的次级网架跨度，结构厚度相差也会很大，会对屋盖侧面的外观形态造成影响，因此又将站房屋盖切分成12块单元，设置了4组12道主桁架，这就形成了最终建成的建筑形态，经过多次优化调整，结构体系也越来越合理。

2011年8月，项目终于竣工验收并且正式投入了运营，建成后的厦门北站将成为东南沿海最大的综合交通枢纽，集铁路、城市道路、长途汽车、轨道交通换乘、商业服务功能于一体的现代化大型交通枢纽。

最终，实施的厦门北站建筑形态塑造在体现地域文化特色的同时也充分体现了结构受力的真实性及合理性。采用巨型空间桁架支撑网架结构体系，创造出体现结构力学之美的轻盈屋盖，仿似腾飞双翼。屋脊主桁架像动物的脊椎，受力的方式极具特点；屋盖主跨136m，为目前国内已建成的铁路车站屋盖跨度之最。主站房屋盖由12片高低错落的曲面组成，高屋面最高点标高为57.000m，最低点标高为27.800m，双向跨度为132m×220m，不设缝，采用巨型立体桁架支撑曲面网架的结构体系，使建筑造型与结构完美结合，巧妙体现了闽南民居“燕尾脊”意象。

结构体系结合建筑形态，沿顺轨方向在轴线C、E、F、H设置四榀大跨度立体钢桁架，钢桁架两端支撑于巨型A形钢骨混凝土塔柱上；沿垂直轨道方向在塔柱与相邻柱间设置弧线预应力箱梁（隐藏在站房低屋面内）。由A形塔柱、南北面边柱、弧线箱梁及大跨度钢桁架构成双向巨型混合框架，形成了屋盖的主承重体系及双向抗侧力体系。采用巨型框架结构体系，不仅实现了建筑形态及较理想的经济指标，还实现了候车厅132m×220m内无柱大空间，是目前国内已建成最大跨度的铁路站房。

主站房高屋面主桁架（ZHJ2、ZHJ3）最大跨度132m>120m，并且两向不等高交叉桁架组成的网格结构超出了常用的空间结构形式，属超限新型复杂空间网格结构。为配合建筑室内效果，首次采用了两向不等高正交桁架组成的双曲面空间网格结构，两向正交桁架高差约为0.9m。为解决下弦压杆的稳定问题，采用了竖腹杆贯通节点区并使下弦杆连续穿越竖腹杆的新型圆钢筒节点。正交桁架下弦节点处，在竖腹杆上开洞，让正交桁架下弦杆从开洞处连续穿过竖腹杆，而斜腹杆通过相贯焊同竖腹杆连接。不等高正交桁架的下弦节点属国内首创（已获国家专利），既简化了节点计算，保证了节点连接强度的可靠性，同时又满足了建筑造型的要求，实现了建筑与结构的完美统一。

结语

厦门北站采用了巨型A形塔柱+巨型混合框架结构体系、双向不等高交叉桁架组成的屋盖网架，最终用钢量指标控制在99kg/m²，用非常经济的指标创造了目前国内已建成最大跨度的铁路站房。厦门北站建筑形态构思巧妙、独具特色。新颖、流畅的形体，加以轻盈、富有张力的钢结构，巧妙体现了闽南民居“燕尾脊”意象。并充满时代特征，彰显地域特色，赢得了广大旅客、市民和领导的一致好评。

厦门北站获得IABSE杰出结构奖也正说明了基于结构逻辑的建筑形态生成方法在建筑创作中的生命力。建筑空间是由实质的物质形态构成的，建筑空间和形式在满足人们特定的使用要求和心理感受的同时，建筑师只有充分利用并驾驭好结构力学原理，才能真正获得建筑形式创造的极大自由，也只有这样建筑形式才能真正放飞。