从北戴河碧螺塔谈形态仿生建筑的结构技术

陈诗白

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

形态仿生建筑[1]也称建筑形式仿生[2],或称造型仿生建筑,近几十年来开始在国内外起步。它的研究意义是为了建筑应用类比的方法从自然界吸取灵感进行创新[1～3]。

形态万千的自然界蕴藏着海螺、贝壳、骨骼、林木花草、蜘蛛网、巢穴等无数优美的可供人类建筑模仿的自然生物结构。我国形态仿生建筑先例“北戴河碧螺塔”(图1)已经建塔 20年了。作为世界独一无二的仿海螺形状的螺旋观光塔[4],碧螺塔飘入了无数中外游客的相册,也引起业界不断的学术关注[5～9]。与大量方块建筑形成鲜明对比,形态仿生建筑中成功的结构技术以其均衡、稳定的力学美感,使建筑与大自然共舞,和谐而悠远。

图1 北戴河碧螺塔

形态仿生建筑中成功的结构技术,是结构师超越模仿而升华为结构技术扩展创新的一种过程。对于被模仿的自然生物和被设计的建筑结构,结构师以其特有的理性思维,致力于力学与美学的转化,从整体到局部地对二者进行类比,从中萃取二者的结合点,同时使结构安全适用、经济合理。

2 形态仿生建筑的结构技术实例——北戴河碧螺塔

2.1 碧螺塔工程简介

北戴河碧螺塔位于北戴河海滨小东山,主体塔高21.8m,主体建筑面积约 850m2,共 7层。业主和建筑师旨在通过其近似海螺、远若帆轮,与三面环海呼应的仿生建筑形态,来构建北戴河标志性建筑。

同时,业主和建筑师还提出了碧螺塔应满足“可赏、可攀,可憩”的形态仿生需求和围绕“水、地、天”3个主题的建筑内部空间使用需求。

2.2 碧螺塔结构技术思路及方案

笔者作为当年北戴河碧螺塔的结构设计师,在刚刚接到这项新颖而棘手的工程项目时,心中尚无很明确的结构体系方向。因此,在设计初期对碧螺塔工程制定的结构总体设计原则是:碧螺塔的结构设计应首选以结构构件本身直接表达仿生建筑形态的结构方案;但是在没有把握的困难情况下可以考虑采用以结构体系间接仿生的较成熟稳妥方案,寓安全、合理、经济的结构技术于形态仿生建筑之中。

最初考虑的对比方案:结构设计开展初期,确实感到其技术困难重重,对于如何实现海螺形态仿生尚没有把握,因而设计思路趋于保守,其方案之一为:全部采用常规的梁、板、柱结构体系,间接仿生。这一结构方案的优点是设计经验成熟稳妥;缺点是需要大量横梁、立柱和大量的外包围护构件。这不仅不经济,而且形态仿生效果不很理想,也限制了业主和建筑师提出的许多空间使用需求。

最终实施的创新方案:经过对大小不一的各种天然海螺实体构造形态的反复研究和类比分析,方案思路逐渐拓宽:各种天然海螺壳是凭借着其空间螺旋构造得以承受水压力、弯矩和其他外力的。用这样的类比分析思路,在其后的多个碧螺塔结构方案探索中致力于用螺旋结构技术本身来直接表达海螺的主螺旋形态,最终,大胆而审慎地构思出“空间螺旋悬挑结构体系”方案。“空间螺旋悬挑结构体系”方案和它的具体深化设计,在当时无类似国内外应用先例可鉴,甚至至今都没有现成的结构技术模式或设计规范可直接套用,这是对螺旋结构技术和悬挑结构技术的扩展创新应用。

“空间螺旋悬挑结构体系”方案在碧螺塔上部结构的应用,摈弃了最初保守方案中许多的梁、柱和外包构件,满足了碧螺塔形态仿生需求和建筑空间使用需求。

2.3 碧螺塔重点采用的结构技术

(1)空间螺旋悬挑结构技术。空间螺旋悬挑结构体系是构成北戴河碧螺塔海螺造型的关键结构技术。空间螺旋悬挑结构体系的主要结构构件之一是钢筋混凝土螺旋悬挑板。沿竖向圆滑渐变上升的螺旋悬挑板,或袒露,或遮掩,在结构体系中是做为各楼层的基本承重传力构件;于形态仿生造型意义是直接展现了海螺的主螺旋基线;在建筑使用功能上既是作为观赏楼梯,又是作为每层房屋的楼盖或地板,

碧螺塔空间螺旋悬挑结构体系中的另一主要结构构件是竖向钢筋混凝土核芯筒。核芯筒在碧螺塔结构分析中被假定为刚体,作为螺旋悬挑板的支撑传力构件,使螺旋悬挑板自核芯筒盘旋悬出;于形态仿生造型意义上,核芯筒直接模仿海螺若隐若现的躯体;其建筑使用功能,是作为水电、维修等设备用房和仓库。

(2)异型轻钢小刚架结构技术。为呈现海螺壳的一条条起伏波纹棱褶和一个个螺壳分区,结构技术采用长短、高度、弧度无一相同的数十组小型轻钢刚架,上覆轻钢檩条和异型钢板,这种结构自重轻,受力性能好,使各层局部屋面荷载由此逐步传入螺旋悬挑板。由于尺寸相异,为达到线条顺滑的效果,对于数十组小型轻钢刚架,逐一编号,单独计算、设计并焊接成型。

(3)钢筋混凝土异型拱结构技术。为表达海螺外伸软体组织的蜿蜒性和飘逸感,结构技术采用了钢筋混凝土异型拱体系作为另一类室外观海楼梯。在异型拱形状突变之处配以局部加强钢筋、加强带等结构技术措施。异型拱基础与主体结构基础分离。

(4)耐久性结构措施。针对碧螺塔三面临海、位置孤立等工况特征,采用了抗海水侵蚀、抗裂等耐久性结构技术措施。

(5)施工配合。在工程施工中,结构师注重现场配合指导,严格掌控空间螺旋悬挑板结构体系中关键部位的钢筋接头位置、比例、搭接长度和混凝土浇筑与拆模时间,力求结构技术与仿生造型的对话安全、隽永、完美 。

2.4 碧螺塔结构计算重点

(1)碧螺塔上部结构的计算重点。对于承受较大活荷载和较大集中荷载的空间螺旋悬挑板的计算,当时无国内外应用先例可鉴,其结构内力计算及构造要求等,至今尚无统一的标准规范。结构师为此做了多种结构设计计算方法的对比分析,例如用悬臂梁法、平面圆环板近似法、空间有限元法等方式进行。

空间螺旋悬挑板结构的内力关键要素在于径向和切向弯矩。若取值偏小,则直接影响结构安全;若取值过大,会造成结构构件截面和配筋加大,不仅是不经济,也严重影响海螺造型需求和建筑空间使用需求。表1是用 3种计算方法计算出的螺旋悬挑板最不利位置最大径向弯矩值的比值。

表1 螺旋悬挑板最大径向弯矩计算结果比值

从表1的比值可以看出,各种计算方法的计算结果差异很大。用悬臂梁法计算的结果最大,而用空间有限元法计算的结果最小。

悬臂梁法是取出空间螺旋悬挑板水平面投影的1/8～1/4扇区作为计算模型,是假设扇区两侧切口处完全自由的,而实际上切口处受有环向弯矩、竖向剪力等约束,这种释放约束的计算模型,无疑会使位移加大,内力也随之增加,造成结构构件截面和配筋过大。因而这一计算方法的结果是有缺陷的,需要调整。

平面圆环板近似法,考虑了空间螺旋悬挑板环向弯矩、竖向剪力等约束的影响,但没有考虑空间螺旋悬挑板水平投影平面内的跨度变化和实际开口影响,没有考虑螺距的空间约束影响。因而这一方法的计算结果同样是有缺陷的,需要调整。

而空间有限元法的理论计算假定、计算机数值计算模型存在着与碧螺塔空间螺旋悬挑板实际工程结构的许多差异,其中有些差异难以细化分析,因而采用这一计算方法的结果时更需谨慎。

如此,对于这样没有设计计算规范可依据、没有成熟的计算方法、没有计算先例可借鉴的空间螺旋悬挑板的结构计算,结构师采用了基于概念分析的综合调整取值方法。即:结构师以结构受力概念为宏观依据,认真分析各种计算方法的前提假定和计算过程,分析它们与碧螺塔空间螺旋悬挑板实际工程结构的差异性质,然后综合调整确定内力取值。用这样基于概念分析的综合调整取值方法设计的碧螺塔空间螺旋悬挑板结构,满足了安全、经济理念,满足了海螺造型需求和空间使用需求,历经了漫长岁月的验证。

(2)碧螺塔基础结构的计算重点。形态仿生的碧螺塔整体概貌为上大下小、非轴线对称结构,因此基础设计计算重点在于解决主体结构在自重和风荷载、地震力等工况组合作用下的抗倾覆稳定问题。此外,还在基础工程中采用了抗震、抗倾覆的结构构造措施。

3 形态仿生建筑的结构设计要点

形态仿生建筑的结构设计不仅需要满足常规的建筑结构功能,还承担着将结构技术向仿生建筑美学意境转化的重任。笔者通过形态仿生建筑的结构设计实践,通过对中外形态仿生建筑代表作品结构技术的学习与研究,归纳出形态仿生建筑的结构设计要点如下。

(1)力求以结构体系本身直接表达形态仿生建筑,不外包,不装饰。这是结构技术用于形态仿生建筑的高境界。如前所述,北戴河碧螺塔的“空间螺旋悬挑结构体系”就是对这种高境界的探索尝试。近 20年来,国内外相继涌现了一些体现出这种高境界的范例。例如:圣地亚哥◦卡拉特拉瓦[10]的许多经典工程。他主持设计的法国里昂机场高速铁路客运站(图2),于 1994年建成,由通往机場的长廊、上部钢结构站厅层和下部横穿的钢筋混凝土结构站台层三大主要部分构成。站台层采用坦裸的预制混凝土 Y形构件,支撑顶部钢筋混凝土的拱梁架,梁架构件之间的斜向交叉,自然形成奇妙的图形;站厅层钢结构护翼,由一系列锥形钢肋支撑,倾斜钢肋固定在巨大的混凝土格构梁上,像展开双翅的雄鹰。卡拉特拉瓦还将裸露的异型刚架结构技术用于西班牙瓦伦西亚科学城的骨骼形态(图3)和葡萄牙里斯本东方车站植物蔟群形态(图4),淋漓尽致地展示不外包,不装饰的结构技术美感。

图2 法国里昂机场高速铁路客运站

图3 瓦伦西亚科学城

图4 葡萄牙里斯本东方车站

北京国家体育馆,采用裸露的钢桁架“编织”成整体的巨型空间曲面“鸟巢”结构,其结构即外观,实现了结构技术与仿生建筑造型的完美转换。

图5 施工中的铁路武广客运专线武汉站

为展现“千年鹤归”的远观效果,已开通的我国铁路武广铁路客运专线武汉站(图5)以大跨度钢结构异型曲面格构网壳展示大面积的弧型屋顶;主站房拱形门及裸露的内外立柱像一束束天然树枝,主干与支叉均在发挥着承重传力作用和形态仿生作用,实现了结构技术与建筑美学的和谐统一。

(2)对结构技术进行扩展和创新应用,是形态仿生建筑满足空间需求的必经之路。仅就满足建筑造型来说,用于常规建筑的结构体系,例如框、排架,剪力墙,筒体,桁架,壳体,等等,均可用于形态仿生建筑,并且可采用混凝土、钢材、石材、砌块等常规材料。配之以围护、装饰构件,这些结构体系主要起着间接仿生作用。

然而,形态仿生建筑的空间需求,用上述常规的结构体系往往无法实现。从小建筑规模的北戴河碧螺塔,到大建筑规模的“鸟巢”,几乎每一座成功的形态仿生建筑的空间使用需求都基于对结构技术的扩展创新应用。

目前,大跨度刚架结构、网壳结构、索拱结构、管桁架结构、拱型结构等新型结构技术已经在新北京南站、武汉站(“鹤归”形态)、广州站(“芭蕉叶”穹顶)、上海虹桥站、天津西站等铁路大型客站被广泛采用,其中蕴含了大量的对结构技术的扩展创新,营造了高大、开敞的站房空间环境。无疑,对大跨度空间结构技术的进一步扩展创新应用,是形态仿生建筑满足大空间需求的必经之路。

(3)关于结构技术与被模仿的自然生物结构形态的对应关系。一座形态仿生建筑的实现,究竟采用哪种结构技术,理论上没有唯一解。可资借鉴的经验是:仿螺旋生物形态的可采用螺旋结构技术并扩展创新,例如北戴河碧螺塔;仿树枝、骨骼、巢穴形态的可采用刚架结构技术并扩展创新,例如北京“鸟巢”;仿飞鸟翅膀形态的的可采用网壳结构技术、刚架结构技术或拱形结构技术并扩展创新,例如法国里昂机场高速铁路客运站、武汉新客站。

(4)结构体系需适应施工技术。例如北戴河碧螺塔,对于每层上部起翘的海螺壳造型,原设计方案是采用异型网壳结构,但由于当时施工条件的限制而不能实施,最后改为采用异型轻钢小刚架结构。

(5)形态仿生建筑中结构构件的平、竖向布局,既要精致地表达仿生建筑的形态造型,又要把握好结构抗震概念设计原则。北戴河碧螺塔的设计中,对体系转换之处、刚度突变之处、受力集中之处等薄弱部位增设了各种补强措施或抗震构造措施,严格保证“大震不倒”三水准抗震设防目标。

(6)形态仿生建筑若采用绿色环保型结构,会获得仿生、环保“双赢”的效果。

钢结构:钢材不仅自重轻、抗震性能好和有利于构建大空间,且革除了生产或加工砖、瓦、石、灰、水泥等建材对环境的破坏与影响,材料的回收和再利用率高,是人与自然和谐可持续发展的绿色建材。上述的形态仿生建筑工程范例,不仅仅是结构体系与仿生形态一致化的范例,而且也几乎都是结构技术与绿色环保钢结构材料和谐统一的范例。

清水混凝土结构:这种结构技术显示的是天然、厚重与清雅的美感。它舍去了大量的抹灰、饰面等化工产品,减少了建筑垃圾和污染,因此是绿色环保型结构。这种结构在国外尤其在日本应用较多;在我国也得到了一定的应用。武汉新客站的高架桥将清水混凝土结构技术寓于其中,取得了良好效果。

(7)目前,形态仿生建筑的结构技术仅仅是对自然生物结构的借鉴性模仿、重构,但还不是复制。虽然可以做到“形似”和“神似”自然生物结构,其结构力学状态有的较吻合,有的却差异甚大。

4 目前的局限与限制

(1)国内外有关仿生建筑的论述尚未形成思想或体系[3]。而从结构技术的角度探讨仿生建筑,国内外仍不多见。也就是说,形态仿生建筑的结构技术应用与研究,尚处于潜意识起步阶段。

(2)施工技术的局限性,也是制约形态仿生建筑结构技术发展的重要因素。

(3)形态仿生建筑的结构技术发展前景,应是实现生态建筑、绿色建筑[11]或进化式建筑[12]。不仅“形态”意义的仿生,整体组织机理和使用功能也应仿生,但这目前首先受限于仿生材料技术。大自然中的生物以最少的材料构建了坚固、美观的外形和实用的生存空间,往往令以力学为基本视点的结构师们惊叹和困惑,因为对天然生物材料的构造性能和生长机理进行分析、复制或超越,研制出轻质高强的仿生建筑结构材料,往往需要生物工程、基因工程、高分子化学等多学科的交融渗透。

5 结语

从最近几年国外一些建筑事务所参与我国国际招标工程所提供的设计方案来看,建筑形态的仿生化、结构体系与仿生形态的一致化是明显趋势,以往形态单一方正的设计方案已没有竞争力。而设计难度远远高于常规的结构设计,形态仿生建筑的结构设计实践,是对结构师的尖锐挑战。其意义不止于对于建筑结构技术的扩展与创新,对于建造生态建筑、绿色建筑更具极大推动力。

[1] 高福聚.空间结构仿生工程学研究[D].天津:天津大学,2002.

[2] 刘先觉.仿生建筑文化的新趋向[J].世界建筑,1996(4):55-59.

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[4] 百度百科.碧螺塔[EB/OL].(2009-12-30)[2010-04-20]http://baike.baidu.comview411863.htm.

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