结构工程师通过完善建筑功能体现艺术表现的工程实践

王慧玲

【摘 要】在当今世界建筑舞台上，结构工程师们也有机会参与建筑艺术品的设计和创作。他们把推敲建筑艺术表现和结合结构设计的工作有机的整合了起来。本文主要以东北大学综合科技大楼项目为例研究在建筑设计中结构工程师通过何种途径来体现建筑的艺术性。

【关键词】结构工程师；建筑设计；艺术表现

本文以东北大学综合科技大楼为例，详述在建筑设计中，专业间的配合在非常受限制的情况下，结构工程师在结构设计方面如何通过完善建筑功能体现艺术表现的工程实践。该工程是清华大学建筑学院和东北大学设计院合作。

该项目在第五届中国建筑学会上获得了优秀建筑结构设计奖。作为一名建筑设计人员能够参加东北大学综合科技大楼项目，并且从头至尾了解到其中的各个环节，实在是一个难得的机会。笔者也在实践的过程中了解了建筑创新与技术创新的过程，体会到合作与创造的艰难。

1项目介绍

东北大学综合科技大楼总建筑面积39422㎡，地上十五层，地下一层，总高度65.5m。该建筑建于东北大学校园内，场地位于东北大学校园南北主轴线上。大楼的建筑风格传承校园建筑的传统风格，与校园总体规划及周边环境相协调，与原有建筑和谐共处，又体现出较强的时代感。

建筑平面设计呈矩形，长85.68m，宽35.36m。柱网尺寸7.5m×7.3m，并设15m×22.5m中庭二个，中厅两侧为教学科研用房。由中部楼电梯间相连系，构成整个平面。竖向设计地下一层为6级人防人员掩体及设备用房，地下室埋深-5.45m。一至十五层为教学科研等综合用房，一层层高4.50m，二层层高5.4m，十三层层高为4.40m，十五层层高4.20m。其余各层层高均为4.00m，室内外高差0.600m。设室外大台阶直通二层地面。中庭跨越一至七层，在八层至九层中庭处设二层的多功能学术报告大厅。使中庭在竖向一分为二，整个建筑富于变化，功能齐全。不断优化设计方案，使建筑与结构和谐统一，充分发挥结构体系的受力特点，给建筑创造更加合理可利用的空间。

2结构工程师在方案设计中完善使用功能的艺术表现

在设计院的流程中，通常是建筑专业先做方案，进行简单的结构选型。如果是框架结构，那么柱网基本是在经济柱距之内，结构基本合理。在美轮美奂的效果图冲击下，甲方也通常很快就确定方案。确定方案后，开始进入施工图阶段，一个误区就产生了，各专业开始配合，进入深入设计。因为甲方已经确定了方案，当结构专业看到方案后想优化方案，建筑专业的人以甲方已经确认了方案，拒接结构优化。因为结构一变，那么方案就变了，他们觉得再次向甲方汇报方案很麻烦，而在这期间可能由于结构工程师优化结构方案后的空间艺术表现也随之抹杀。如果结构工程师在建筑方案期间就参与建筑设计，那么这个方案设计会比较成熟，结构计算也更合理。

2.1结合通风的艺术表现

本项目建筑初步设计方案是由清华大学建筑学院完成的，结构设计和各专业全部施工图设计由东北大学设计研究院完成，在方案开始阶段，结构专业积极参与配合，不断优化，原建筑方案设计为两侧单跨框架结构，中间为通高（15层）中庭，仅由屋面弧型轻钢结构采光板相连。中庭两侧的单跨框架结构高宽比达到6.77，不满足高层建筑混凝土结构技术规程A级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比小于5的要求。同时单跨框架对抗震极为不利。针对此情况，结构专业采取措施，与建筑专业共同协调，在两侧沿走廊增加一排框架柱，使单跨框架成为双跨框架，同时减小了走廊上方框架梁的高度，一方面使其框架梁有明显抗震变形耗能机制，另一方面可解决通风管道的穿行空间。

2.2结合抗震要求的艺术表现

该建筑功能为两侧教学、科研、办公用房，在建筑方案构思阶段，曾布置中央一个长60m的大中庭，中厅通透通高，仅由中间通廊相连，由于建筑物长度较长，在水平地震力作用下两侧变形很难保持谐调一致，经结构与建筑密切配合，建筑专业主动将大中庭一分为二，将主要楼电梯间移设中央，形成东、西两个中庭。但在地震力作用下，中间楼电梯连接和两端山墙处的结构连接仍显得很薄弱，变形不谐调。

结构专业经过分析研究，提出在大楼的结构第七层、第九层中厅部位，增加两层跨度为15m的组合钢结构楼板，使大中庭一分为四，一方面给建筑物带来了两个近300㎡具有两层层高的多功能大厅，解决了该综合大楼无大型会议厅的功能问题，另一方面又对整体结构起到加强整体刚度，提高结构的抗震性能的功效。从计算分析可以看出，增加两层楼板后，结构在风荷载及地震作用下的位移，明显改善。

结构体系的选择是建筑设计结构构思阶段的主要任务之一。高层建筑抗震结构体系要求受力明确、传力合理、传力路线简洁不间断，使设计阶段对结构的抗震模拟分析与结构在地震发生时的实际表现相吻合。结构体系随着技术的發展和人们的不断地研究和探索中变得越来越合理，越来越有效和富于诗意。结构工程师通过对既有结构体系的分解、研究和重构，从中解脱出来，创造出许多的崭新的建筑艺术。

2.3结合新技术的艺术表现

方案阶段，本工程如采用C60普通混凝土框架柱，断面尺寸需要1000×1000mm。建筑对这个尺寸很不满意，如果在加上二次装修的尺寸，那么柱子会看起来很粗，很笨，在中庭中也会比例失调，空间没有美观可言，这时，建筑师与结构工程师沟通，希望柱子的截面可以做的小一些。于是结构工程师将本设计采用钢筋混凝土框剪结构，并采用我国自主开拓的一种新型结构体系-钢管混凝土叠合柱结构。在《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》CECS188：2005编制组成员的指导下，完全按该规程设计施工，并在钢管内采用C100级高强、高性能混凝土。所有剪力墙的端柱中均增设钢管混凝土柱。

采用叠合柱的主要优点是钢管内浇筑高强混凝土，钢管的套箍约束作用使钢管内混凝土的抗压强度大幅度提高，且不会发生脆性破坏，可以充分发挥高强混凝土承压能力高的优势，从而减小柱的截面尺寸，增大建筑的使用空间。采用钢管混凝土叠合柱后，柱断面仅为600×600㎜。两柱之间增加出400宽的建筑使用空间，可使每个标准教室都能增设一列固定座席，综合效益大大增加。

3小结

本文通过作者参与的东北大学综合科技大楼实际工程，对结构工程师通过完善建筑功能体现艺术表现的方法进行总结，得出以下结论：

（1）结构工程师结合设备专业的通风管道设置，对柱与梁分布的优化影响着建筑空间的艺术表达。

（2）结构工程师结合抗震要求与建筑专业配合，对建筑空间的形成与艺术表现起着制约的作用。（3）结构工程师采用新的结构技术也潜移默化的完成着对建筑空间的艺术表现工作。