关于M2游船码头建筑与结构的对谈＊

孙嘉龙 黄永强

1同济大学建筑与城市规划学院

2同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

3华东建筑设计研究院有限公司

上海白莲泾M2游船码头项目是上海黄浦江两岸贯通工程中的重要节点。项目于2019年初竣工，部分区域已向公众开放。项目所在地黄浦江东岸世博滨江段曾是华东地区重要的木材集散中心，原由美商大来码头和民族资本中兴码头组成，自1919年启用，1950年后收归国有，改称白莲泾码头。M2游船码头的场地是这条原先长达七百多米作业岸线中的一段，在世博会期间建设了临时的游船码头。基地北临黄浦江，东靠白莲泾公园，西侧为亩中山水园，南部为开发地块。

项目面临的城市问题复杂、建设周期短，但意义重大，由同济原作设计工作室团队（建筑）与华东建筑设计研究院团队（结构+机电）联合创作完成。两个团队在项目中分工和侧重点不同，但对建成空间的品质有着同样的高要求。在整个设计周期内，特别是方案设计阶段保持密切配合，最终呈现出的也正是具有相同文化自觉的两个团队发挥各自能动性的结果。

项目竣工之际，同济原作设计工作室的建筑师孙嘉龙与华东建筑设计研究院的结构工程师黄永强进行了一场对谈，对设计复盘梳理，并展开相关思考。

1 关于结构驱动

1.1 结构选型

孙嘉龙：在设计伊始，各方有诸多诉求。一是空间诉求：沿黄浦江方向作为上海市政府着力打造的黄浦江两岸公共空间贯通工程中的一段，起到贯通的作用，衔接两侧的亩中山水园及白莲泾公园，与城市滨江景观体系编织在一起，承担滨水公共休憩空间的功能；二是功能诉求：在垂直于黄浦江方向，打造高品质的游船码头，满足日后黄浦江游览需求，是黄浦江两岸滨水空间体系中的重要节点；三是景观诉求：后方的开发地块在后世博期间陆续出让，码头正后方的地块提出了裙房的二层窗台及以上楼层可看江景的景观诉求。

因此，本项目的设计转化为一个单层体量的建筑如何在尽可能控制层高的限制条件下，既满足候船大厅作为公共建筑的净高要求，又能满足上方公共景观廊道上人及植物覆土的需求。这种各方限制因素较多但同时蕴含着设计契机的项目，能够满足建筑师接受挑战的愿望。

黄永强：传统梁板柱体系的结构构件高度较大，上人种植屋面的构造高度在建筑总高度限定的前提下，剩余的室内净高很难满足码头候船大厅大空间的净高要求。

孙嘉龙：当时受场地上既有登船通道棚架的启发，以及最初工业码头存放木材的长条形临时棚屋意象的影响，联想到可以尝试用拱的元素解决问题。通过对剖面进行研究，发现拱是一个具有上下互借空间优势的原型。向上利用连续拱之间的三角形区域为上部种植屋面提供覆土厚度，向下由于没有梁，为下方室内空间提供了最大的净空高度和空间体验。由此确定了以圆拱作为结构原型，继而发展出了三种可能性：拱面向上，竖向支撑撑中间；拱面向上，竖向支撑撑两侧；拱面向下，竖向支撑撑两侧。

1 夜景

2 区位图

3 总平面图

项目地点：上海市浦东新区世博大道970号

建设单位：上海东岸投资（集团）有限公司

设计单位：同济原作设计工作室+华东建筑设计研究院有限公司

主创建筑师：章明、张姿、孙嘉龙、李贸、陶妮娜、陈炜

结构工程师：黄永强、蔡研明、孙俊刚、朱佳

项目时间：2016.08～2018.12

建筑面积：7 230m2

4 码头与水面的关系

5 一层平面图

6 二层平面图

7 上部城市策略

8 下部城市策略

9 设计诉求

10 设计逻辑推演

黄永强：从材料机械性能效率的角度出发，应充分发挥混凝土的抗压性能。第一个方案弯矩不合理；第二个方案混凝土面内受拉，长期使用对防水不利；第三个方案混凝土拱面内受压，有利于防水。在本项目中，屋顶是滨江健身步道+屋顶花园，下部为游船码头的公共候船大厅，防水构造需特别重视。屋顶采用拱壳后，拱壳中混凝土的受压起到了天然的防水作用，于是结构与建筑讨论后都倾向于采用方案三的模式。结构封顶至今，经历过多次大雨，拱壳没有发现过漏水点。这里的处理类似于托罗哈设计的Alloz水渠和Tempul水渠。

孙嘉龙：结构选型确定后，继而根据建筑的功能要求确定了7.5m×7.5m的网格系统，拱壳高度则是根据结构合理的矢跨比，由结构工程师给出了一定范围，最后由建筑师根据建筑净高和室内空间效果多方案比选后确定的具体数值。最终选择的单向矢高为1.2m，矢跨比为0.16。

1.2 竖向承重体系

孙嘉龙：竖向构件在空间中的质量直接关系到最终空间呈现的性格。对应码头公共开放的属性，这里需要通透的姿态，希望空间中的结构尽可能清晰、轻盈。

黄永强：屋面结构采用拱壳后，拱壳的侧推力是结构设计需要解决的关键问题。传统的方法是抵抗型，上部拱的侧推力通过边柱传递到基础，但此时边柱的截面尺寸会比较大，对于临江大厅一侧的立面效果非常不利，且柱截面大小不一，韵律感差；另一种是通过在柱顶设置拉杆（高强钢棒），实现拱水平推力的自平衡，柱截面尺寸基本接近。柱顶拉杆就像是给“拱”配上了弓弦，只要弓弦张得够紧，混凝土壳就能基本受压。

由于码头建筑功能的开放性要求，我们选择了后者。其实就结构受力来说不需要每跨都布置拉杆，但是这种标准化的布置方式反而形成了一种韵律，从而解决了水平拉索带来的不适性问题。

11 五连拱

孙嘉龙：这样也减小了柱的负担，柱子仅需承担竖向力而无需承担侧向力，由此可以做到非常纤细。而通过梭形细柱的处理使得柱子在视觉上拥有更加优雅的长细比。

黄永强：建筑师预先对空间的通透性提出了要求，希望柱子能越细越好。柱尺寸通过竖向力计算是能很快给出反馈，确定尺寸后讨论节点的形式。中间大一点两边小一点，有点像海边渔夫在屋子里挂起来的小鱼，颇有趣味。其实做细柱不难，困难的是同时考虑结构如何抗震。柱子的长细比不大，构件受力基本还是由强度控制的，所以选用了Q390的高强钢，热轧圆钢管柱的直径最终控制在159mm，两端铰接。

孙嘉龙：项目完成后，业主说像牙签，遂起名叫“牙签柱”，与上部厚重的上人混凝土壳体形成了鲜明的对比，有一种四两拨千斤的感觉。

1.3 抗侧力体系

黄永强：对于建筑靠近登船口的两跨，我们希望结构尽量纤细，于是所有的柱子都做成了摇摆柱。建筑室内的功能体与壳顶是脱开的，也没办法作为结构的抗侧力支撑，最后提出了“拉索+BRB（屈曲约束支撑）”的方案，本项目很大一部分工作量是在确定拉索和BRB的布置方式。拉索和BRB虽然能抵抗水平力，但是在抗震中所承担的角色完全不同。斜拉索的抗拉强度是1 670MPa，而BRB的屈服强度是100MPa，拉索直径小（D=40mm）、刚度小，但承载力很高，简单来说就是很柔但是拉不断；BRB刚度大、承载力低，但塑性好，在一定的变形下就变软了，两者的刚度和强度形成了强烈对比。地震作用小的时候，BRB与拉索同时提供刚度，保证屋面只有较小的侧移；但地震作用大的时候，BRB进入塑性，通过BRB的累计塑性变形，耗散了地震输入的能量，保护主体结构不受损失，同时靠拉索提供刚度，防止房屋有较大的残余变形。地震结束时，由于拉索的高强度，拉索还是弹性的。通俗地讲，拉索可以像橡皮筋一样，把结构一点点恢复到原来的位置，使结构像不倒翁一样。高强拉索与BRB的组合应用在国外仍属比较少见，希望今后能在更多的项目中为建筑师助力。

孙嘉龙：确实如此。在现场看的时候，能明显感觉到这两种支撑结构的不同气质。相较于每根拉索的直径，建筑师更在乎的是拉索和BRB的布置位置。特别是对空间影响比较大的BRB，直径比“牙签柱”还要大，所以一般会按建筑功能需要布置在辅助用房四周。与此同时，建筑师也会根据结构两方向平衡布置的要求对建筑空间排布进行微调。这当中会有一个反复的过程。

12 结构大样图

我们曾考虑过单独采用拉索或者BRB的可能。但只用拉索的话，要达到设计刚度则需要数量较多且直径较大的拉索。如果都用BRB的话，地震的残余变形太大，无法恢复。故最终还是采用二者相结合的模式，各取所长。

黄永强：总结一下，白莲泾M2码头为柱网7.5m×7.5m的一、二层混合结构，结构体系为铰接屈曲约束支撑框架+混凝土壳体。连续混凝土薄壳和单向肋梁组成楼盖体系，φ159的铰接柱主要承受竖向力，高钒拉索及屈曲约束支撑组成主要抗侧力系统。150mm厚的混凝土薄壳以受压为主，并根据有限元计算结果采用M-N曲线法配筋。柱顶高张力钢棒抵抗壳面屋顶水平推力，水平拉索根据结构水平刚度要求设计，屈曲约束支撑根据结构水平延性要求设计。结构楼盖竖向刚度由混凝土壳在柱顶钢棒预张拉后提供，结构水平初始刚度由屈曲约束支撑以及预张拉水平拉索提供。

我院姜文伟总工程师曾经告诉我们这些年轻人：结构工程师的两大诉求就是设置斜支撑和增加结构高度。设置了斜支撑后，结构由低效率的抗弯转化为高效率的拉和压，构件的截面尺寸就比较小。结构高度有两方面的解读：一个是结构构件的高度，比如梁、桁架等；还有一方面是结构形体的高度，例如拱和悬挂结构。在同样的弯矩下，结构高度越高，结构效率和经济性也越好。高效率的结构形体，可以使得结构构件的高度较小，是实现轻巧或者轻薄结构的有效手段。

作为M2码头的结构工程师还是比较幸运的，因为结构工程师的两大诉求在项目中都实现了。我们还在斜支撑的设置上引入了屈曲约束支撑的减震技术，使得结构更加高效。

1.4 结构优化

孙嘉龙：在完成上述一系列工作后，还对结构进行了两处优化设计：一是在拱与拱之间加拉结钢板，二是沿着垂直拱面方向加上翻梁。

黄永强：由于拱轴线形状以及支座约束条件等原因，拱壳平面外仍一定程度受弯，跨中正弯矩较大，距支座约1/4跨处负弯矩较大。在拱与拱之间增设拉结钢板可有效降低拱壳的弯矩，并可降低面层覆土厚度，由此降低荷载。通过受力计算，可以明显看到有钢板连接后拱壳内的弯矩显著减小，说明钢板布置合理。

13 结构单元拆解图

14 结构体系示意图

15 结构优化措施

16 拱方向弯矩图

17 码头候船大厅

当结构楼盖为纯粹连续跨拱壳时，由于7.5m×7.5m壳单元底部仅有四个支座（钢柱），板壳受力实际为对角线传力。为了缩短传力路径，在拱壳与拱壳“谷”间增加垂直拱方向的上翻梁，对拱壳有很好的约束作用，板壳传力路径由原来的对角线传递变成了对边传递，有效减小了板壳平面外弯矩值。另外，设置混凝土梁可以解决原结构柱顶的冲切和长度方向的受拉问题。

孙嘉龙：上翻梁架起了拉结钢板，下方的“壳谷”内顺势作为建筑的排水空腔，拱面为上部种植屋面天然的排水找坡，一箭双雕。

2 三个假如

2.1 假如不是圆弧拱

孙嘉龙：日本结构大师坪井善胜说过：“结构的美存在于稍许偏离结构合理性的地方”，描述了一种形态与结构之间的暧昧关系。目前M2码头的圆弧拱完成姿态很美，算是“最合理”还是“合理的近旁”？假如拱轴线不是圆弧，从受力角度出发，从充分发挥材料机械性能效率的角度出发，是否可以拟合出更加合理的曲线？

黄永强：不同的荷载分布都有对应的合理拱轴，常见的线型有抛物线和悬链线，这在桥梁中是很常见的，而码头的荷载分布其实是不均匀的，壳谷处需考虑比较重的覆土荷载，而壳顶处的面层荷载却比较轻，其对应的合理拱轴应该是一条异形曲线或者说是一条自由曲线。如果严格遵循结构受力纯粹性的原则去确定码头屋面拱的合理轴线，会极大增加施工支模的难度，这也是目前很多自由曲面结构（Free Form）遇到的问题。可以说，M2码头的圆弧拱很好地诠释了“偏离结构合理性的结构美”。

19 1：1 样板

20 模板拆除

21 施工现场

22 施工现场

23 施工现场

24 施工现场

25 超过300m的筒拱体量

26 拱、梭柱、钢索形成的空间

2.2 假如不是现浇

孙嘉龙：由于拱壳和柱跨都比较规则，我们曾经考虑过采用预制装配式的可行性。拱壳均为7.5m×7.5m的单元，标准化也利于施工。考虑到运输的因素，曾建议将每一跨单元沿垂直拱的方向一拆为三，保证圆拱的完整，即7.5m×2.5m，分块运至现场拼接。但由于工期紧张，业主和施工单位对于预制装配式建筑的风险也有所担心，最终放弃。假如工期充足，除去其他因素，M2码头应用整体装配式的可行性还是有的，当然最终呈现出的效果和细节也会与现在有所不同。

黄永强：两种方式的施工难度其实差不多。预制装配式建造会更有趣，单元体由于都是在工厂预制加工好再运至现场，效果也更加可控。不过现场会留下后浇拼缝，对于室内的效果和屋顶的防水都会造成一定影响。

混凝土壳浇筑先于柱间支撑的施工，为保证施工阶段的整体抗侧刚度，确保施工安全，壳体浇筑采用满堂脚手架方案，并充分考虑脚手架侧向稳定要求。钢结构深化厂家和钢结构施工团队需与混凝土施工团队紧密合作，设立合理的施工方案，保证节点与混凝土壳的有效连接。特别是柱顶节点和拉结钢板等复杂部位，须严格控制施工质量。施工阶段柱间水平拉杆和斜拉索需进行两次张拉，待混凝土壳施工完成后，拉杆及拉索进行初次张拉，之后按序将BRB支撑受荷范围内的脚手架拆除，同时为了较小使用阶段BRB承受的竖向荷载，在BRB受荷范围内壳顶施加堆载预压力，安装BRB。当脚手架全部拆除后，进行屋面建筑铺装，然后对柱间拉杆及拉索进行二次张拉，排除竖向受荷下部分拉杆或拉索的松弛问题。

孙嘉龙：为了保证现浇后脱模的效果，我们在现场预先做了一个完整的1:1的拱样板段，尝试了4种肌理模式：普通光模板、GMT模板、竹模板、碳化木模板，最终选择了小尺度的碳化木模板肌理。

通过做1:1样板段，施工单位可以磨合施工工艺，以确保后期大规模拆模的效果。尽管做了充足的准备，拆模那一刻的心情还是有些忐忑。好在最终结果还不错，达到了预想的效果。

2.3 假如不设BRB屈曲约束支撑

孙嘉龙：我们设想一种更加纯粹的状态，竖向只有牙签立柱，BRB屈曲约束支撑全部拿掉。

黄永强：这也是有可能实现的。混凝土顶下的服务型小盒子如果部分升顶，与混凝土顶直接联系，可以起到抗侧力的作用，相当于剪力墙的作用。

孙嘉龙：但由此一来，下部服务功能的小盒子跟上部拱顶的关系又暧昧了。建筑师要做出一个选择。

3 “各司其职”与“各不司其职”

3.1 “各司其职”

孙嘉龙：我注意到，在M2码头这个项目中，不是简单地把柱子做大，满足承重又抗侧；而是结构设计有意识地将竖向承重与水平抗侧的构件分开，柱子就是单纯竖向承重，而不抗侧；抗侧由拉索和BRB承担，非常清晰，两者不混在一起，柱子才得以做细。这是一种十分合理的结构竖向构件、抗侧构件“各司其职”的状态。

黄永强：对，竖向承重与水平抗侧分开是我们目前结构设计中强调的概念，这是比较合理的。

3.2 “各不司其职”

27 剖面图

28 主入口

29 筒拱纵深方向引导人流

30 圆窗洞

31 码头二层平台上的活动

32 庭院暴露的屋顶切面

33 码头小挑台上的活动

孙嘉龙：不同于当下的学科分离状态，从历史的角度上看，建筑与结构曾经是一个学科。无论中西，建筑的形式都无法脱离结构。后来随着社会发展，经历了结构与建筑的学科分离，直至今日，建筑师与结构师似乎愈发分工明确，各司其职。对于大部分项目，往往是等建筑师的方案确定后，结构工程师才介入进来，根据建筑师的方案去“配”结构。M2游船码头项目的建筑专业和结构专业有点“各不司其职”。在M2游船码头设计初始，结构专业就介入了，与建筑师共同确定方案的走向。结构在空间中不仅是背景，更是前景，结构外化为建筑的立面。

黄永强：结构工程师需要在理性的思维基础上去培养对建筑美的欣赏，让生硬的结构设计变得优雅。因此，结构工程师需要掌握一定的建筑专业知识，理解建筑师的诉求，对建筑空间和尺度有一定的感知，这点日本做得比较好，学校里建筑与结构一开始是不分专业的，通俗点就是“Archiengineer”。但随着社会的发展，项目越来越复杂，单靠个体的能力就会捉襟见肘，使得专业的细分和群体合作成为一种趋势，使建筑与结构的有机融合变得可遇而不可求。希望以后的项目中，建筑师们能提供机会或“要求”结构工程师表现出结构的美，双方共同创造出高品质的建筑作品。

孙嘉龙：目前国内的建筑学教育也认识到这一点。以同济大学建筑系“复合型创新人才实验班”的三年级设计课程教学为例，课程要求建筑系的学生尝试以结构与空间的概念切入一个具体的公共建筑设计，旨在帮助学生建立在设计中的结构和建构意识，并理解结构和建构在一个具体的空间和场所中可能的意义，通过结构关联建筑与场所乃至城市，最终独立完成一个中等体量的公共建筑设计。在课程教学过程中及最终的评图阶段邀请国内知名结构工程师参与教学，逐渐打破学科之间的界限。

所谓“各司其职”与“各不司其职”其实是在探讨一种分离和融合的状态。M2游船码头的设计基于对环境的策略，基于这样一种体系分离与学科相融的状态，最终得到了目前的结果。从某种程度上来讲，不是我们找到了拱，是拱找到了我们。

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