建筑师，往往想把建筑做得更轻、更薄。但是为什么要这么轻，这么薄？建筑师是否有合理的理由？又该用什么样的理由去说服结构设计师？结构设计师又是否能认同这些理由？
中国院的总建筑师李兴钢和总工程师任庆英，从国家体育场“鸟巢”开始就一直在合作。作为多年的搭档，两个人如对话般，讲述了三个实践案例中建筑创作与结构创新的精彩故事。
本文原载于DR《设计与研究》039期，转载请征得本刊同意。
故事1 天津大学新校区体育馆
李兴钢
中国建筑设计院有限公司总建筑师
李兴钢工作室主持建筑师
天津大学新校区体育馆，是一个非常功能性的建筑，有篮球、排球、网球等不同运动空间，还有游泳馆和一条140m的跑道。我们的根据不同运动所需要的空间尺度进行设计，形成不同的体量，用一个公共空间把它们串联起来，形成整个建筑。通过室外台阶可以到达屋顶平台，可以开展极限运动等。
结构形体采用不同类型的拱壳覆盖不同的运动空间。经过与任总的配合，我们将拱壳系统进一步合理化，形成四组直纹曲面拱壳。体育馆采用筒拱拱壳，游泳馆是交叉的锥形拱，将若干空间联系在一起的公共大厅为线性空间，采用了波形的拱壳屋面，在外部可作为室外极限运动场地。
这些结构构件朝向室内一侧均为直接外露的清水混凝土效果，丰富明显的表面肌理是通过混凝土浇筑时小木模板的错缝拼接产生的。
任庆英
中国建筑设计院有限公司总工程师
任庆英工作室主持人
这个项目以清水混凝土为主，有几种不同的壳体结构形式。我首先向李总提出了一个限制条件，壳体作为屋顶，本身没有什么抗侧力，同时框架的抗侧力太弱，所以柱子需要采用Y型柱、V型柱来加大抗侧力体系。
▲ 屋盖类型 由左至右依次为：
１体育比赛馆 半圆筒形屋壳
２ 训练馆 拱形桁架
3 游泳馆 锥壳屋面
▲ 采用Y型柱、V型柱加大抗侧力体系
屋盖类型1 体育比赛馆 半圆筒形屋壳
筒壳屋面相对比较简单，刚度不变而且筒壳的矢高也比较高，值得注意的是筒壳的外边沿一定要约束住，如果开放的话筒壳可能会变形，壳体就不成立了。但由于目前外边沿没有约束的构件，我们就在边壳位置加了两个隔板，使它们的刚度比其他壳更大，在外侧形成了约束，使壳体结构成为可能。
▲ 比赛馆的筒拱和V形柱
这种屋面形式看似简单，实际上采用的是一种变截面壳，建筑上希望上边缘很薄，但下边缘处是需要受力的，钢筋不可能太小，因此下边缘交叉处比较厚，呈现出由上到下慢慢变厚的截面形态。
屋盖类型2 训练馆 拱形桁架
训练馆的壳比较有意思，上边缘是个拱形，底部则是直线。我们利用这个形状把它当作一榀一榀的拱形桁架来做。桁架的上弦是一个壳的上边缘支点，桁架的下弦则是前面一个壳的下边缘支点。为了减少对天窗采光的影响，我们采用了比较细的竖腹杆——实际上相当于是拉索。因为拱本身的侧向力是稳定的，就没有采用交叉的拉索，而是竖向的拉索。
▲ 训练馆的拱形桁架建造实景
屋盖类型3 游泳馆 锥壳屋盖
游泳馆的屋顶采用的是锥壳。这种形式我们以前没有做过，从建筑上看，它能够带来非常丰富的室内空间变化，效果也非常震撼。
▲ 游泳馆的锥壳形实景
锥形柱 游泳馆和体育馆
游泳馆和体育馆的柱子也很有特点，采用圆锥形的形式，与屋面的锥壳相对应。如果柱子做成实心的，就太大、太重了，我们把它们也做成竖向的锥壳，也就是锥筒柱，这样就增加了我们所需要的抗侧力的刚度，另外上小下大的形式也便于扩散应力。柱子的顶点是左右两个壳的支撑点，我们在这里设置了橡胶支座，因为拱脚容易因为温度、变形等产生一定的位移，要允许有一定的滑动量。壳的下面则设置了横向的拉杆，同时用作窗户的下弦，对于建筑来讲不会有视觉上的遮挡。
▲ 锥形柱与锥壳屋盖的交接
▲ 游泳馆室内
▲ 公共大厅的波形拱壳屋顶
故事2 吕梁体育中心
李兴钢
吕梁体育中心位于吕梁新城，周围都是山地，由四个单体建筑共同构成，即一个大体育场、一个体育馆、一个游泳馆和体校及室外训练场。不同功能以群组的方式串联起来，围合出一个半开敞的室外公共空间。室外空间既联系了各场馆的灰空间，本身又有可以有多种用途。
▲ 由功能和体量确定的单元体以群组的方式串联起来
我们使用了一种反向悬挂的方式来进行结构找形的工作，获得了这样的结构体形式。反向悬挂的找形主要是利用重力对材料的作用实现的：用纱布浸满石膏溶液后，反向悬挂在图版下面，等到凝固后形成建筑的基本形态，我们可以据此获得拱壳的矢高，再通过三维扫描的方式，将这一形态转化成数字模型，然后进行精确的几何转化及初步的结构计算，最后形成这样的一个空间形态。
▲ 通过反向悬挂进行建筑找形
▲ 由实物模型扫描细化为精确的数字模型
任庆英
从李总开始用悬挂的方式进行建筑形态实验，我们结构工程师就已经介入了项目的设计。他的这个投入和执着让我感动，但是这么大跨度的混凝土壳体恐怕全世界还没有过——体育场是160m×200m，体育馆的跨度是120m，混凝土壳体还只有四点着地，难度非常大。李总问我壳体能不能实现，我回答，从道理上来讲应该没有什么不能实现的，它的受力是合理的，但是有几点一定要做到：
第一，支撑点间一定要有拉梁，约束壳体的外推力，不然的话壳就垮掉了，正好体育场和体育馆的下面有一个很高的台座，我就建议用台座把四点联系起来，但经过计算后发现想得太容易了，拉杆差不多要有一层高，大量巨型的竖向钢拉杆会把整个基座空间挡死了，后来改成让四角插到地面以下，在地下做拉杆的方式；
▲ 屋盖壳体采用四角点支撑方式，中部为变厚度双层带肋壳体，壳体落地区域由带肋壳体过渡为实心壳体
第二，壳的四边微微向内倾斜，形成对壳体的约束，成为四个拱，它们的推力通过拱脚向下传递；
第三，基础承台与混凝土预应力拉梁连接，形成自平衡体系，来抵消壳体通过隐形大拱传来的水平推力，提高整个壳体的稳定性。
▲ 体育馆结构体系分解
建筑方案中通过悬挂实验获得建筑形态，悬挂状态是全截面受拉的。模型反转过来后就是全截面受压了。虽然以全截面找形最为合理，但通过分析我们发现，当结构的自重增加到一定程度，形态会发生变化。我们为此进行了大量优化，建立了计算机模型，可以根据建筑师的改动尽快修正，找到结构参数都比较好的一个范围，指导建筑师对形态的调整。由于体育场馆的结构还要满足内部看台的制约条件，需要进行很多结构和建筑的配合工作。
▲ 体育馆屋盖壳体基本参数
我们注意到模型有一个翻檐，是实验时模型边缘翘起形成的，建筑师把它作为雨棚。刚开始，我们以为这个翻檐对于结构是多余的，经过计算发现，翻檐的作用很大，和两边的板和拱共同起到了约束边缘构件的作用。
▲ 利用向内侧倾斜壳体翻檐，形成隐形拱形加强结构
对于体育馆而言，通过调整拱的倾斜度和高跨比，结构能够明显体现出壳的作用。但由于转换为四角支撑，局部会产生一定的弯矩。在形状优化分析中，我们将初始厚度设为100mm，如果壳体最大主应力超限即增加厚度，但经过n次迭代，发现板厚达到500mm变形仍未满足条件，这样的壳自己都把自己压垮了，而壳就是需要尽量轻、尽量薄，因此放弃了完全采用混凝土板壳的想法，改为双层壳，内部加上交叉网格密肋。在重量增加不大的情况下增加了截面的矢高比。底部的板采用现浇做法，上部的板由于受温度影响较大，采用预制构件，利于协调温度变形，也解决在空腔不便于支模板的问题。
▲ 壳体肋截面示意及肋布置示意图
拱脚和翻檐的交接处尺寸比较大，如果采用混凝土现浇会非常重——对于拱来说，自重是非常大的威胁。我们在这里做了一个钢的空腔，在拱脚形体截面较小的位置向空腔内浇筑混凝土，保证受力面积，在上部截面变大处维持空腔，这样来提高整体的性能。
▲ 拱脚节点采用钢空腔，截面较小位置内浇混凝土，保证受力面积，截面变大处维持空腔
设计的最初阶段，李总希望拱脚就只有四个尖点着地，看上去好像要飞起来一样。但这在结构上是不可能的，那么大的东西着地，一定要有一定尺度的支点，要不然撑不起来，结构设计还是选择让拱脚的一部分入地，确保支座的尺寸。
▲ 结构优化过程
体育场由于中部开了大洞，壳的作用就弱了很多，经过试算，很难采用纯混凝土结构，因此用钢和混凝土混合，现场吊装、焊接钢拱，在钢肋上加上预制的混凝土壳板。有规律的网格看上去也很美观，有可能省去吊顶而直接展现出结构的美感。
▲ 体育场中部开洞较大，无法形成完整混凝土壳体受力，故采用边缘大拱带钢肋组合薄壁壳板结构
故事3 玉环县博物馆、图书馆
李兴钢
玉环县城是一处渔港，博物馆和图书馆是两座相对独立又一起建设的建筑，位于填海后形成的空旷平地上。我们的总平面规划吸收了很多当地渔港的空间特征，结合水面，形成建筑之间一种对望的关系，并与周围大的山形水势相配合。
▲ 功能单元体—结构单元体
▲ 结构单元体的组合
我们希望以一种结构的单体概念进行设计，用了两种结构形式来形成相对标准化的无柱空间，对应不同的阅览空间和展厅空间：一种是反曲的混凝土悬索屋面，悬索屋面固定在两端的墙体上，以竖向墙体起到结构支撑和固接作用；另一种是用鱼腹梁的大跨度结构来形成无柱空间，用结构底板抵消所产生的水平推力。这两种结构单元的水平和竖向组合，形成不同的建筑形态和空间，对应不同的功能，形成总体建筑群。
▲ 反曲混凝土悬索屋面+纵向片墙支撑体系
▲ 鱼腹梁大跨度结构+结构地板抵消水平推力
任庆英
这个项目规模并不大，但是很有趣味。刚开始李总找我的时候，我很不理解，我说你是不是因为正壳做多了，就想尝试反过来的？下凹、反曲的形态对于混凝土结构来说是比较困难的，因为混凝土本身是带裂缝工作的，反曲的屋面对于裂缝处理是很困难，而且也没有一个合理的说法，说明为什么要做成这样。
▲ 悬索线 垂跨比1/20
后来我看了项目的地勘报告和当地情况，就跟他说：“我给你找到说法了。”这是一个海边的县城，风荷载特别大，北京五十年一遇的风是0.45，海口是0.9，当地差不多是1.2，是北京的好几倍。风荷载会造成屋面受到很强的风吸力，这样反曲的屋面就成为一个反向的拱，可以避免屋顶被吸上去。当然，我也给他提了一个条件：建筑的两侧要有一定数量的墙体，在整个跨度方向提供刚度。反曲的混凝土屋面，必须有相当大的预应力，才能让混凝土在重力作用下处于受压状态，才不会开裂。因此要求屋面两侧有相对固定的支座，能够在屋面张拉的情况下提供足够的预拉力，如果是一般的柱子会被拉变形，必须有足够宽度的墙体。
▲ 纵向片墙提供支撑
李总提供了非常好的条件，每个3.6米的跨度就有一堵墙，刚度很大，在功能上也可以利用这些隔间作为办公空间。反曲的混凝土屋面板采用变厚度的预应力混凝土曲面，由于目前的规范要求慎用无粘结预应力混凝土，预应力钢绞线外包裹一种减缓凝固的材料，在混凝土强度达到、张拉锚固完成后，经过一段时间再开始凝固，与混凝土粘结起来。
▲ 屋面悬索结构张拉过程分析
这样的设计也让我产生了几个担忧。一是，两边刚度那么大的墙体，在向外张拉时，预应力是被墙吃掉了还是加到板上来？如果被墙纸掉，板上没有预应力，施工的时候整个结构就垮了。我们和预应力厂家做了很多研究和分析，随后发现，如果屋面是平板的，预应力是加不上去的，只有墙变形之后板才能受压；但对于反曲的板而言，张拉的时候由于板的刚度比墙小得多，板的底部会不断上移，使板处于受压状态，也就是预应力确实加到了板上。消除了我们的担心。
▲ 结构单元内景
第二个担心的地方，有的建筑是两层的，李总要求下面的楼板和顶部屋面一样，也能在室内呈现出反曲的清水混凝土造型。这给结构造成很大的难题。楼面从使用功能考虑应该是平的，而下边又要求是曲面的，结构设计非常费劲。一般的结构设计会说，我给你做个平板就是，下边你用GRC也行，用其他材料也行，自己做个吊顶吧。
▲ 结构选型
但后来我想，这样做等于把问题留给建筑设计了，吊顶做出来也肯定不是清水混凝土的感觉，同时我也考虑到，由于顶部的张拉屋面给两侧墙体造成很大的侧推力，中间这层楼板就处于受压状态，而压杆需要中部截面较大，承受较大的弯矩，两端的截面可以相对较小。因此，鱼腹状恰好是这层梁需要的形状。我就和李总说，干脆还是我给你做出来吧。同时，在鱼腹梁上开若干个洞，便于设备管线的穿行。既能将管线封闭起来，又较好地体现了结构的受力，是一个非常好的创意。DR
▲ 地上结构模型
客服