钢结构建筑设计中结构体系化繁为简的思考

董静萍

(云南省设计院集团有限公司，云南 昆明 650228)

1 建筑结构概述

近几年，建筑行业所呈现发展势头较为迅猛，在对项目进行设计和建设时，有关人员更倾向于引入先进理念与技术，希望能够获得更加理想的建设效果，而负责结构设计工作的人员，也逐渐将重心转向创新与把控细节上，力求使所设计结构满足行业、项目所提出的要求。从宏观层面来说，结构所指代内容不再是传统观念所认为的堆砌梁柱，对其所提出要求自然也不再是隐藏和遮盖。对大部分建筑而言，设计结构的过程，从本质上来说就是对结构加以表现的过程，建筑作为载体，可对结构精致度和美观性进行直观表达与呈现，以钢结构为代表的部分结构，拥有较常规结构更为夸张的表现力，负责结构设计工作的人员，其职责主要是对建筑想要传达的理念，进行系统而精准的阐述[1]。部分对结构语言拥有较高要求的建筑，所依托结构的形式往往更加复杂，无论是辨认、计算还是展开其他工作，均拥有较高难度，如何高效完成对结构脉络进行理顺的工作，在化繁为简原则的指导下，完成梳理系统及后续环节，自然成为研究重点，下文将以具有代表性的建筑为例，对钢结构体系所适用设计策略进行梳理，供有关人员参考。

2 结构体系设计

2.1 确定规律

若建筑方案复杂度较高，通常难以在短时间内对结构体系进行辨明，并对切实可行的设计思路加以确定，此时，设计师可先对建筑规律进行辨别，再以传递力的方式与路径为依据，得出可为日后工作提供指导的结构体系，结合计算结果调整体系，使其趋于平衡，设计轨迹随之形成。

以某文化艺术中心为例(如图1)，该建筑主要由音乐厅、歌剧院和多功能厅构成，从外形来看，属于典型的形态自由建筑，与科斯特地貌所特有山脉形态相似，屋顶多建设于主体建筑周围，无论是独有的造型，还是与自然相似的形态，均增加了辨认结构体系的难度。在对其进行设计时，设计师应对传递力的路径进行分析，“山峰”是不规则屋顶，参照拱的方向对坐标进行设置，确保各拱都有与之对应的桁架曲线，且与屋顶走势相契合。对各拱进行连接的构件为次梁，旨在使结构稳定性获得有力保障。而山形大厅所对应首根坐标轴及末根坐标轴，均为以钢筋混凝土为主要材质的墙壁，这样做可使结构拥有更加理想的抗侧力性能。出于使建筑呈现出良好漂浮效果的考虑，设计师决定将山形屋顶和云彩屋顶断开，要想实现这一设计，关键要对人字形桥梁进行建设，三个端点分别对应三个支座，连接三个大厅，对传递力的路径加以了解后，设计师自然会拥有更加清晰的设计思路，设计难度随之降低[2]。

图1 文化艺术中心

2.2 增强稳定性

在确定传递力的方向与路径后，设计师就应将重心转向对结构体系所拥有稳定性、整体性进行强化的方面，对设计工作而言，上述环节拥有无法被替代的作用。例如，某地所建设体育场，采用了悬索结构，此体育场共有座位六万余个，由于体育场需要满足的功能相对具象，将轮辐式屋顶转变为不规则屋顶，经过数年实践才趋于完善，对需要分阶段建设的悬索结构进行融入，其难度自然不言而喻。此体育场的屋顶由两部分构成，分别是外圈压力环、自锚拉力环，任意轴向结构单元所对应结构均为五段结构，其构成分为受拉钢索及空气柱，悬挑距离的最大值为20 m，对其进行连接的构件为钢索节点，数百个经过调整的钢索节点，为悬空柱和拉力环的连接稳定性提供了保障。在对此体育场进行设计时，甲方要求分段施工，这是因为此体育场所承办比赛数量较多，施工方要把握不同赛季的间隔时间，完成对体育场进行拆除及重建的工作。一般来说，只有完成主体结构的建设后，施工方才能安装悬索屋顶，要想如期完成施工，最有效的方法便是同时对拉力环及压力环进行建设，在此过程中，设计师应对以下内容引起重视：对压力环进行安装的位置相对固定，即结构上部，而对拉力环、轴向钢索进行安装的位置，多为内场地面，待压力环安装完成，再对二者进行拉紧并提升。

另外，此体育场还对悬吊观景廊进行了建设，位于屋顶内沿的观景廊，能够给人以最直观的震慑力。事实证明，悬索结构所表现出特征较为明显，即用钢量小、质量轻，当然，由此而产生的问题也十分明显，其稳定性往往难以得到有力保障，风荷载成为屋顶形变的主要原因，由此可见，对结构进行动态分析很有必要，只有逐一核实不同工况所对应振动与形变情况，才能减小风荷载所带来影响。验算结果表明，柔性结构所出现振动，其持续时间往往较刚性结构更长，疲劳分析自然也成为需要设计师关注的重点，上文所提及景观廊所处位置为拉力环之上，箱体所处位置均为轴向钢索间，这也导致箱体运动、错位与悬索屋顶拥有较高一致性，无论是变形的程度，还是其不规则性，均以较为明显的方式被表现了出来，只有全面分析并设计箱体的连接细部，才能使其拥有更为理想的稳定性。

2.3 掌握传递路径

调查所得结果表明，目前，一定比例建筑兼有简洁的外表和复杂的结构，详细来说，就是外观并不复杂，对内在结构进行探究，却发现对其规律加以掌握的难度较大，设计师既无法对梁柱进行简单布置，又难以确保力得到顺利传递。要想使上述问题得到解决，最有效的方法是以力学原理为切入点，对传递力的路径加以确定，保证所选定传递形式可满足高效且经济的要求，待上述工作告一段落，设计师便可将力学路径所得计算结果的最优值作为依据，展开结构设计等工作[3]。

此类建筑的代表为海尔布隆博物馆，此博物馆拥有相对清晰的结构体系，钢结构桁架和混凝土核心筒是承重的主要结构，但是，此博物馆对力进行传递的路径并不清晰，出于增强旋转漂浮感的考虑，设计师在外立面对贯穿建筑的时空线进行了规划，并将此时空线打造成为交通动线，这样做的目的是给参观者带来连贯且完整的体验，不同楼层均以楼梯角度为依据，不规则地进行旋转。在对外观进行设计时，设计师对玻璃幕墙和时空线进行了叠加处理，突出了建筑的通透感，时空线所在区域，均无斜撑杆件存在，换言之，此博物馆的一层到五层，均借助立柱对竖向载荷进行传递，结构稳定性、水平荷载，则要将力向其他区域进行传递。不同的旋转角度，决定各楼层对立柱进行设置的区域，仅为下层与上层的交叉点，这样设计可使力获得更为直接且有效的传递。出于使竖向构件达到对位要求的考虑，设计师选择对桁架结构所对应角度进行调整，旨在确保交叉点拥有对齐立柱。除此之外，设计师还综合考虑多方因素，对计算模型进行了多次调整，使模型拥有和实际高度一致的细节，以此来达到验证猜想的目的，所建设博物馆自然也拥有了和预期相符的良好效果。综上，对此类建筑进行设计时，设计师可将传递力的路径简化为结构布置，以传递路径为依据，确定结构设计方向，真正做到化繁为简。

3 结 论

通过对上文所叙述内容进行分析可知，要想对复杂建筑进行高效设计，关键是确定规律，对结构体系所对应内在联系加以明确，在此基础上增强稳定性，通过对结构细节加以完善的方式，确保各构件所拥有性能均可获得应有发挥，待上述工作告一段落，再以化繁为简原则为指导，按部就班地完成后续环节，使结构体系展现出最优性能。

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