钢结构建筑设计中结构体系化繁为简的梳理

陆洋

独立结构工程师

“作为一名结构工程师，与建筑师合作表达建筑作品的设计语言是我的本职工作”——这句话本是山田宪明先生的自述，也非常贴合笔者的想法。笔者曾任职于德国建筑结构咨询公司Schlaich Bergermann und Partner（简称SBP），主要的工作和研究方向是大跨度钢结构、轻结构及数字化结构找形、结构优化等。因为对传统木结构不能割舍，后赴日本工作，工作和研究的重心涵盖了传统木结构、现代木结构以及地震的研究。虽然建筑材料截然不同，但是在工作的过程中，我慢慢发现，任何材质都是被完整地包含在结构体系之中，虽然变化繁多，但其机理和设计思路是相通的。

1 结构是建筑语言之一

1 英国托特纳姆热刺队主体育场

近年来，国内建筑行业大量的新技术、新思路被运用到实际项目的设计建造过程中，建筑设计中的创新和对细节的把控也逐步提升，对结构设计的要求也越来越高。结构已不仅是简单的梁柱堆砌，被极力遮盖或隐藏在“幕后”。很多建筑的设计过程就是一种结构的表现过程，结构的美与丑、粗糙与精致都会直接表达在建筑中、展现在人们面前。特别是一些特殊的结构，比如轻结构、木结构都是极具张力的建筑语言（图1，2）。如何更完美地将其展示，更贴切地阐述建筑师所想表达的语言，是结构工程师的重要工作。

一些更注重结构语言表现的建筑，往往会涉及复杂的结构形式，或难以辨认，或难以计算。如何能更高效地理顺复杂结构的脉络，化繁为简地梳理整个系统，是结构工程师需要思考的问题。笔者将结合几个实际案例，介绍一下在钢结构建筑中结构体系梳理的方法。

2 找规律

对于较为复杂的建筑方案，通常不能一眼辨明结构体系，迅速确认设计思路，可以先找到整个建筑的潜在规律，再分析力的传递路径和方式，找到适合复杂建筑的结构体系；通过对结构体系的分析计算，逐步完善系统平衡，形成一条比较清晰的设计轨迹。

2 国际教养大学中岛纪念图书馆钢-木混合结构

3 广西文化艺术中心夜景

4 广西文化艺术中心结构计算模型

广西文化艺术中心

业主：南宁威宁资产经营有限责任公司

建设地点：广西壮族自治区南宁市

建筑设计：德国gmp建筑事务所

结构设计：Schlaich Bergermann und Partner

总建筑面积：113 764m2

建筑高度：50.75m、44.15m、39.65m

建成时间：2017

5 广西文化艺术中心山形屋顶施工现场

6 广西文化艺术中心“云状”屋顶施工现场

7 广西文化艺术中心漂浮屋顶

位于广西壮族自治区南宁市的广西文化艺术中心是一个第一眼看上去完全没有规律的自由形态建筑（图3），整个建筑由一个大型歌剧院、一个音乐厅及一个多功能厅三部分组成。整体造型重现了广西较为多见的喀斯特地貌的山脉形态，而“漂浮”在三座高山之间的屋顶像云彩环绕山间一样，围绕在主体建筑之间。由于建筑独特的造型和几乎完全模拟自然的形态，如无规律的起伏屋顶，使得结构体系很难一眼被辨认出来。

在设计的过程中，首先单独分析力的传递路径：巨大的山峰其实就是拱形屋顶，由于形态不规则，只能沿拱的方向设置坐标轴，每一拱单独设计桁架的曲线，尽量贴合方案设计的屋顶走势。各拱之间需要通过次梁连接，以保证整体结构的稳定。每一座山形大厅的第一根和最后一根坐标轴均设置为钢筋混凝土墙，以保证结构的抗侧力体系完整（图4，5）。为了达到“云彩屋面”漂浮的效果，建筑师希望在三座大山中间位置的云彩屋顶不与山形屋顶连接。单纯从受力角度分析，需要搭建一座水平方向的人字形桥梁，在人字形的三个端点设置桥梁的支座，分别于三座山形大厅相连。当力的传递路径明确之后，结构设计的思路也就清晰了。三座山形屋顶在云彩屋面的高度设置环梁，整个建筑与云彩屋面相连，而在中间地带让屋面挑出，形成“漂浮”的视觉效果（图6，7）。

在找到整个结构体系的特点和规律之后，设计过程也变得轻松很多。

8 海尔布隆科学博物馆夜景

海尔布隆科学博物馆

建设地点：德国海尔布隆市

建筑设计：Sauerbruch Hutton

结构设计：Schlaich Bergermann und Partner

合作设计：Drees & Sommer Gmbh

总建筑面积：17 720m2

建成时间：2019

9 海尔布隆科学博物馆平面图

3 找路径

有的建筑外表看起来并不是特别复杂，但是内在结构不规则，很难简单地布置梁柱，甚至连力的传递都无法直接顺畅地完成。遇到这样的情况，结构工程师应该从力学角度出发，找到最有效的力的传递路径，探索最经济的传递形式，以力学路径最优解作为结构设计的关键线索。

海尔布隆科学博物馆是一个看似并不复杂的建筑（图8），结构体系也比较清晰，主要承重结构是位于中部的混凝土核心筒以及位于建筑外立面的钢结构桁架。然而在本项目中，力的传递路径却不那么简单明了。建筑师为了营造“旋转漂浮感”，在建筑的外立面规划了一条“时空线”，同时作为整个博物馆的公共交通动线。“时空线”中的楼梯围绕建筑外侧盘旋而上，从一层贯穿到五层，构成完整连贯的参观体验，各层平面完全追随楼梯的旋转角度，逐级不规则旋转。在外观设计上，“时空线”与玻璃幕墙设计语言叠加，呈现出通透感，这也要求在整个“时空线”范围内，不能出现任何斜撑杆件。也就是说，在从一层旋转上升至五层的“时空线”范围内，只能由立柱传递竖向荷载，而水平荷载和结构稳定性只能通过将力传递至没有“时空线”的区域（图9，10）。

由于各楼层旋转角度不同，只有在上下层交叉点设置立柱，才能将力较为直接地传递。为了使竖向构件上下能够对位，不得不改变建筑桁架结构的角度，为的只是能在交叉点将立柱对齐（图11，12）。计算模型经过反复的斟酌和修改，模型各部位的细节都尽可能还原实际的建造工艺，验证了关于设计过程中力的传递的猜想，最终的建成效果令人满意（图13）。

在类似的方案中，力的传递路径可以直接翻译成结构的布置形式。找到力的传递路径，也就为复杂结构找到了清晰的设计方向。

10 海尔布隆科学博物馆建筑功能示意图

11 海尔布隆科学博物馆施工现场

12 海尔布隆科学博物馆力的传递路径

13 海尔布隆科学博物馆外观

14 托特纳姆热刺队主场体育场效果图

4 找平衡

找到分析力的传递路径来探索结构的设计方向后，就该考虑如何保证结构体系的稳定，实现结构的整体性，这也是设计完成前最重要的一环。下面以柔软的悬索结构为例，来讨论结构的动态和稳定。案例是位于英国伦敦的英超球队托特纳姆热刺队主体育场新建项目，新的球场是一座包括完整足球场的英超联赛赛场，主场足球队是位于伦敦北部的托特纳姆热刺。同时，这里还可以举行NFL比赛、音乐会和其他活动，整个球场拥有62 000个观众席位。

作为悬索结构的体育场屋顶，如果说“蛋形”平面的不规则程度对体育场轮辐式屋顶已经是一个不小的挑战，那么不规则竖向支撑、分阶段建设、屋顶悬吊式观景空中走廊等的加入，无疑又大大增加了项目的难度（图14）。体育场屋顶的主要结构部分由两组自锚式拉力环以及一个位于外圈的压力环组成。每根轴向结构单元都是由空气柱和上下两组受拉钢索组成的五段式结构，最内侧为玻璃屋顶部分，最大悬挑距离约20m。约600个特殊设计的钢索节点滑动连接，将拉力环与位于轴线上的悬空柱相连（图15）。

在设计过程中，业主明确提出分段施工的要求，由于处于夏季赛时期，托特纳姆热刺队的老体育场要继续为球队提供主场比赛的场地，因此新球场只能先施工约3/4的范围（图16）。赛季结束后，要利用短暂的空档迅速拆除老体育场，同时完成新球场剩余部分的建设，这给施工带来了极大的挑战。由于悬索结构的屋顶需要在体育场主体结构完成之后才可以进行安装，为了保证施工进度，压力环和拉力环几乎同步进行施工。不同的是，压力环在混凝土结构上部安装至预定位置，而轴向钢索以及拉力环则同步在体育场内场的地面上进行布置和预安装，等压力环安装就位之后再进行提升、拉紧等施工操作（图17，18）。

托特纳姆热刺队主体育场

业主：Tottenham Hotspur Football & Athletic Co Ltd

建设地点：英国伦敦

建筑设计：Populous

结构设计：Schlaich Bergermann und Partner

施工单位：Mace Group

建成时间：2019

15 托特纳姆热刺队主场体育场屋顶结构计算模型

16 托特纳姆热刺队主场体育场施工现场，原体育场仍在使用中

17 托特纳姆热刺队主场体育场轻结构屋顶施工准备阶段

18 托特纳姆热刺队主场体育场屋顶悬索连接细部

19 托特纳姆热刺队主场体育场空中走廊Skywalk整体计算模型

20 托特纳姆热刺队主场体育场屋顶总览，Skywalk悬吊观景廊施工现场

21 托特纳姆热刺队主场体育场屋顶总览，Skywalk悬吊观景廊

22 托特纳姆热刺队主场体育场体育场内景

除了巨大的屋顶结构，另一个非常引人注目的设计是被称作“空中走廊Skywalk”的悬吊式观景廊（图19），沿着拉力环布置在屋顶内沿，具有非常强的功能及视觉震撼力。

悬索/索膜结构的特点就是轻、用钢量小，但同时带来难以克服的稳定性问题。在风荷载的作用下，屋顶的竖向形变可达1m。整个结构的动态分析也非常重要，各种工况下的振动和形变都需要一一验算核实。而柔性结构的振动往往会持续较长的时间，连接细部的动态稳定和疲劳分析也都马虎不得。“空中走廊Skywalk”直接布置在拉力环上（图20，21），每一个箱体都位于两组轴向钢索之间，箱体之间的运动和错位完全跟柔性的悬索屋顶一起，变形幅度和不规则性都十分显著，需要通过箱体间连接细部的设计实现相对稳定（图22）。

5 结语

面对复杂的建筑，结构工程师应通过找规律，去发现结构体系的内在关系；通过找路径，明确力学模型的框架，着重分析复杂结构中最核心的部件；通过找平衡，完善结构的各个细节，让所有的构件都充分发挥性能。无论多么复杂的建筑，在这样层层透视、步步简化的设计思路下，最终都会褪去复杂的外表，展现最优化的结构体系。