东南亚大跨空间及高层结构工程考察有感

2014-11-09牛秀博

山西建筑 2014年1期

关键词：空间结构桁架结构设计

牛秀博

(同济大学，上海 200092)

1 考察概况

笔者近日参观考察了新加坡、马来西亚部分优秀的大跨空间、高层结构实际工程。建筑类型涉及机场、历史建筑、清真寺、观景塔台、超高层建筑等，结构体系涉及空间桁架、单层网壳穹顶、索膜结构、空间索桁架结构等(见图1～图4)。

图1 新加坡滨海湾金沙酒店

图2 殖民时期历史建筑

图3 吉隆坡双子塔

图4 滨海艺术中心

这些工程均为当地具有代表性的堪称经典的现代建筑，结构类型丰富、实现的手段各不相同，但都具有体系构思巧妙、传力明确简洁、加工制作精细等的特点，在一定程度上体现了大跨空间结构的设计、建造水平先进。了解这些工程的设计特点和近距离观摩具体节点做法，对我们改进结构设计思想和理念、拓宽空间结构方案设计思路有很大的启示作用。

2 考察思考与收获

近年来，形态各异的大跨空间结构在我国得到越来越多的应用，但总体而言，大跨空间、高层结构的项目始终存在单一的注重结构安全性而结构选型不够新颖、实现手段比较贫乏的问题。现阶段，对于建筑师的创意，结构工程师基本可以做到能“实现”，而往往不能做到能有特点的“实现”。反观这次参观的这些工程，无论是精致的人行桥还是大空间的清真寺，暴露在外的结构往往可以给人形态独特、轻巧，传力明确、合理的直观感受，与建筑功能有非常好的融合，具有结构的美感，使我们能很明显的感觉到在这一领域自身设计水平尚有不小的差距(见图5～图8)。

通过近距离的观察，我们发现这些结构实例其实使用的也是我们并不陌生的结构元素，像空间桁架、索桁架、斜交网格等等。这些结构类型在国内的工程实践中，我们也曾有过许多成功的应用。但当这些结构元素通过叠加、旋转、扭曲、相交、切割等等一系列手法组合成浑然一体的空间结构体系以后，都变得独特、新颖起来。经过对比和反思，我们认识到，与这些优秀的设计作品相比，我们目前的大跨空间结构设计水平的核心差距主要体现在结构方案的创造性、结构体系应用的灵活性方面，可以说这是我们此行的最大收获。

图5 新加坡Double Helix Bridge

图6 Double Helix Bridge局部节点

图7 马来西亚国家艺术中心挑檐

图8 某钢桥局部

如何提升我们在结构设计上的创造性以及灵活合理的运用各种结构元素的能力，我们认为可以从以下方面入手。

首先，对于各种结构元素的原理和本质，我们需要进行深刻的理解。建筑的安全性是结构设计的首要使命，也是结构创新的前提。常规结构体系设计中，随着计算机技术的发展和结构设计规范的日益细致，结构安全性的判断已经变得相对简单和机械。而大跨空间、高层结构体系传力形式通常比较复杂，解决结构设计中的安全问题并非易事。尤其是在只有大的轮廓和设计意向的时候，由于结构的形式和单元没有确定，无法依靠计算机分析完成结构创意和方案;而在寻求变化进行创造时，在结构设计和施工中也会经常产生新的没有被充分认识的问题，往往也不能在规范中找到相应的条文作为依据。除了计算机和规范，大跨空间结构设计的创意和方案，更依赖于设计者对于结构原理和本质的深刻理解。

无论是连续的实体结构形式还是离散的结构形式，大跨空间结构中受压单元和受拉单元是结构设计中最基本的受力单元，压力和拉力的力流和力的平衡是最简单的结构原理，但是千变万化的压力和拉力的组合方式和平衡方式足以形成令人眼花缭乱的复杂空间结构，从广义上来说，寻求最符合建筑环境功能需要的合适的组合形式就是创意的形成过程。所有的结构创意归根结底都需要看似简单的结构原理，如力流、压环、拉环、弯矩图、稳定的形式、机构的形式等，决定了结构创意的可行性。对基本原理的重视和理解应该是融入到结构设计者的日常思维中，不需要经过犹豫和思索就能够在需要的时候灵活应用。这样的能力是大跨度空间结构创新的最根本的技术支持，认识到这一点后经过日积月累的学习领悟和补充是可以得到加强的。

从已经建成的各种各样的复杂空间结构中发现和理解结构中用到的基本原理，再从已经掌握的简单结构原理发展到合适的符合环境功能的结构方案，这是结构设计的认知水平螺旋上升的过程。由平面延伸到空间，由规则平面拓展到不规则的曲面，从简单的结构原理出发，结合想象力的排列、组合、叠加、旋转、扭曲、相交、切割，从而发展得到丰富多变的空间结构形式，从而营造出创造性的建筑形态(见图9，图10)。

其次，对于结构细部、节点的设计，我们需要相当的重视。细节决定成败，这一观念在大跨空间结构体系的设计中尤为贴切。在复杂空间结构体系构思完成后，连接、支座等结构细部的节点能否实现决定了结构是否可行、安全，而节点是否能设计的细腻、精巧和美观则很大程度上决定了整个结构体系的观感。