[分享][钢结构·技术]结构工程师谈建筑结构融合设计（二）

时间: 2020-07-30 18:29 阅读: 次大中小

本文授权转载自公众号iStructure（id:iStructure2017)

在上一篇"结构工程师眼中的建筑结构融合设计（一）"中，我们搜罗了一批建筑结构融合的经典项目，希望能从中窥见一些设计的启示和技巧，同时也或多或少的给大家带来对未来设计的期待和目标。

然而，建筑师与结构工程师之间的紧密合作,并不像人们想象的那样普遍，有主观的因素，也有客观的因素。在工程实践中，建筑师是主导设计的，在设计初期没有明确的方向性，结构的配合往往无从下手。一般就是按照个人理解提供两三个结构方案，其结果具有随机性。

如果结构工程师在方案阶段不能有效参与，那么在建筑方案实施的后期就需要花更多的财力，甚至牺牲一部分建筑效果才能实现，矛盾后移且难以解决，只能将就。

建筑结构融合设计的一个障碍是在错综复杂的问题中，结构工程师能否充分理解建筑师的创造力、想象力，并将合适的结构运用到设计中。

本文以“虹桥国际机场T1航站楼改造及交通中心项目”，一个外观平直方正、内部能感受到结构细部的设计过程为例，谈谈建筑结构融合设计的一些粗浅的认识和体会。

工程概况

上海虹桥T1航站楼改造包含航站楼和交通中心两大部分。其中航站楼经1960、1980、1990等不同年代多次扩建、改造而成，分为A楼和B楼，总建筑面积12.73万平米，改造面积7.45万平米，新建面积5.27万平米。

▲ 改造前的航站楼平面示意

除了流程改造外，原立面不统一、办票大厅内部空间过低等问题较突出。

▲ 改造前的值机大厅

▲ 改造前的立面

“一体化”概念

A楼立面改造是设计的重头戏，内容包括：原15.8m标高的混凝土平屋面抬高至24.0m；雨篷宽度由悬挑5m左右加大至12m以上。屋面抬高是为了增加空间的舒适度，雨篷加宽是为了覆盖车道边挡雨，且不希望雨篷对原有高架结构产生影响。

结构的高度宽度加大，规范要求较原设计提高，不对高架产生影响，且雨篷需要大悬挑，因此轻量化的钢结构更合适。

在我们以往遇到的大跨结构中，屋面、幕墙、雨篷往往是相互独立的。在概念设计初期，我们仍是按照三者独立的逻辑考虑，但方案一直没有得到总建筑师郭建祥的认可。直到有一天郭总用手在空中划出一个折线段，带出了“一体化”的概念。

也许是建筑师的直觉，需要在一个不大的空间里尽可能减少构件和层次，可以尝试屋面、幕墙、雨篷一体化设计；“一体化”概念在结构工程师脑子里闪过的是一幅名为“平衡”的弯矩图，悬挑雨蓬的弯矩与屋盖的弯矩内外平衡，可以尽可能的减小支承柱的弯矩。

▲ 横剖面：受力简图

Get到了这一点，可能是因为入口处支撑屋盖的柱间距需保持22.5m、柱的加固受下层结构条件限制等困难压力使然，迫使结构师在寻找出路。屋面、立面、雨蓬三者形成一体化整体结构，弱化与下部连接，有可能达到建筑师希望的由稳重的混凝土基座支托轻盈屋盖的漂浮感。

小结：在概念方案实现融合设计的关键因素是，对建筑需求的深入了解，对设计限制条件的理解和压力，对结构基本原理和合理性的敏锐度。

“分叉柱”方案

在“一体化”概念确定后，结构工程师和建筑师分头考虑。24.5m的屋盖跨度和12m的雨棚悬挑，实腹梁结构可以解决问题，但出发大厅的建筑尺度不大，梁柱体系无法带来轻巧的结构，达不到建筑师希望的钢构件外露、轻盈精致的视觉效果。

结构首先想到的是采用拉索的方案，自己认为也挺好的。但与建筑师吕程讨论时，他委婉地说拉索方案好是挺好的，但有没有其他的可能。

▲ 方案1.0：拉索

提出拉索方案隐含了一个逻辑，就是梁的格构化。将实腹梁格构化成为弯矩较小的轴力构件。沿着这个逻辑，结合当时刚完成的“建筑结构方案配合”的总院结构业务建设成果，脑子里闪过的是希斯罗机场T5的分叉结构。在纸上画下草图后，结构工程师和建筑师几乎同时想到了柱子格构化思路的“分叉柱”方案。

▲ Heathrow T5

▲ 方案2.0：分叉柱

当然，将柱子格构化的另外一个逻辑是单元化,我们在浦东机场T2航站楼设计中应用过。22.5米的柱距，柱间水平向的受弯连接构件的截面需求大，玻璃幕墙和天窗不能接受大截面的水平向构件。而单元化以后，每个标准单元宽度11.25m，两个标准单元之间依靠框架梁联系在一起，立面框架梁同时也是幕墙梁。

▲ 结构横剖面：分叉柱的单元化

▲ 结构立面示意：分叉柱的单元化

可谓一拍即合，建筑随即建模出效果，结构同步分析计算，一气呵成，顺利完成方案阶段的建筑结构融合设计。

▲ 一个建筑单元

▲ 结构计算模型

小结：这一阶段的融合设计关键因素是，建筑结构对共同设计目标的追求，对优秀设计案例的理解和创新，对结构变化的运用，有时候也需要一点灵感、或更直白的说是运气。

过程中调整

向下拉的立面斜杆（下图中红色点示意）在平时情况下受力很小，但在纵向和横向地震作用下均发挥作用，受拉和受压的需求都有，方案设计阶段按预应力拉杆考虑。由于结构整体刚度不大、斜撑竖直角度大，施加预应力使下拉杆保持拉力的效果不好，只能另寻出路。

▲ 标准单元在竖向荷载下变形和轴力图

▲ 标准单元横向水平荷载下变形和轴力图

▲ 标准单元纵向水平荷载下变形和轴力图

采用拉杆，建筑效果虽好，但结构抗震冗余度变差；不采用拉杆，支撑长度大导致截面尺度较大，为了能够做得比较细又不至于在受压情况下屈曲，结构工程师想到了屈曲约束支撑。

长度为11.8m、外观直径180mm，通过施工阶段精细分析控制杆件所受的轴压力，承载能力满足设计要求，最终呈现很好的整体效果。

结构工程师充分考虑新增结构的水平力传递问题：水平力由入口处支承柱和右侧单跨框架结构共同承担，为控制入口混凝土支承柱的截面并实现钢结构与混凝土的连接，柱内设置局部型钢。

▲ 入口处支撑柱与单跨框架的加强

▲ 单跨框架的加强

二层楼面以上的单跨框架改造后仍为小开间用房，通过增设屈曲约束支撑的方式增加其抗侧刚度以分担更多的水平力，从而减轻入口支承柱的水平向负担；刚架后部的短柱因绿色自然通风需求而加高，且与原结构通过埋件相连、连接较弱，因此采用格构式的弱钢框架加强，保证构件尺度统一。

▲ 格构化“分叉柱”单元的安装现场

以上过程中的调整，看似是结构专业内部的事，背后其实是结构工程师寻找优化方案、建筑师把关杆件尺度和布置，是双方全力配合合作、相互理解的过程。

▲ 改造后投入使用的T1航站楼

节点和细部

因为结构外露得到展示，节点是其中的重要环节。设计师通过三维模拟、实体模型进行研究。所有撑杆的二端以精细的铰接节点，显示其仅需承受轴力的特点，采用了销轴配合铸钢件设计。

▲ 节点图纸与照片

节点确定过程和体系确定过程一样，都需要建筑与结构专业紧密的配合，建筑师对美感更能把控，但很难分清哪些是谁定的，最终呈现的是双方探讨研究得到的结果。

混凝土结构

接下来再简单介绍两处混凝土结构的设计，分别是A楼联检大厅的混凝土结构天窗和交通中心敞开式地下车库结构，也体现了建筑结构融合设计的理念。

联检大厅因自然通风要求，需在混凝土屋面上开洞，建筑师选择在柱顶开洞，框架梁按正常做法穿过洞口。建筑师希望在柱顶采用伞形结构的采光天井，特别是框架梁的截面因空间关系要局部减小。

结构工程师基于抗震概念设计一向对框架梁柱心存敬畏。这次要从梁柱节点根部收小截面，我们作了谨慎的尝试。先从框架结构的竖向荷载弯矩图出发，梁上反弯点附近存在一个对梁截面需求较小的区域，这使得建筑师的要求存在逻辑合理性和实现可能性，再加上洞口四边环梁高度较大可以形成环箍发挥作用，最终采用型钢混凝土伞形梁柱并对边梁进行加强，实现了建筑师的要求，效果还是令人满意的。

▲ A楼联检大厅混凝土结构天窗最终效果

交通中心采用敞开式地下车库的策略，车库四周和内部设置多个下沉庭院，引入通风和采光。周边进出场道路系统复杂、场地狭小，在地下室外墙周边绿化边庭位置，只能采用垂直挡墙的设计思路。结构若采用纯悬臂挡墙的方式，建筑效果最好，但近10米高的悬臂墙辅以扶壁柱抵抗水土压力结构效率低、顶部变形大、造价高。

▲ 交通中心车库剖面图

▲ 不同支撑下外墙弯矩图

因此，设计上综合考虑结构受力效率和建筑空间效果，尽可能减少车库外墙与垂直挡墙间的支撑杆件以实现更好的透空效果，最终采用了多种因地制宜的方案。

部分区域仅地下一层设置水平支撑，通过支撑间暗梁悬挑其上的挡墙；部分区域地下一层水平支撑间距为较密的9米，首层支撑间距增大为18米；部分区域仅地下二层设置局部的小三角撑等。

结语

最后，以国外一位建筑师关于“工程师与建筑师的对话”的描述作为结尾。“我们的工程师同事对于好的建筑设计感兴趣，就像我们对好的工程结构感兴趣一样 ......我们一起设计了很多项目，不去探讨谁对什么部分负责的问题，而是思考多种才能的汇集将产生什么。自然，我们的合作集中于那些具有特殊形式的建筑中，以及在那些造型必须由承重结构决定的建筑中......”

从中可以解读出关于建筑师和结构工程师、建筑与结构的一些关系：

建筑师和结构工程师有共同的兴趣点，即成就好的工程，在实现兴趣目标的驱使下能相互理解，这是合作的前提。

大跨空间结构的特殊形式建筑，建筑造型与承重结构的关系密不可分，为建筑结构融合设计提供了很多机会。建筑师和结构工程师从方案开始的紧密合作、融合设计，可以实现1+1>>2的效果。

参考资料：

建筑学报《多目标性能优化下的结构建筑学实践—虹桥国际机场T1航站楼改造设计》郭建祥、周健、张耀康、吕程

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