中小尺度航站楼空间中的结构表达

周健

华建集团华东建筑设计研究总院

结构在成就建筑之美的同时，自身也能作为建筑美的一部分得以表达，这是结构工程师最希望看到的结果。以往，较多的航站楼设计选择了大尺度的室内空间，甚至将大空间的屋盖钢结构部分全部外露进行展示，其中结构体系展示完整、形和力契合完美、节点处理干净的项目，往往能够给人留下深刻印象，成为结构与建筑完美融合的范例。

近年来，越来越多成熟的机场业主对航站楼建筑的关注点，从追求外部形态的标志性和室内空间的高大气派，转向追求功能的便捷高效和环境的人性化，这种务实的建筑观使中小空间在航站楼中频繁出现，如何在这样的中小空间中实现结构的建筑表达是一个新的命题。下面通过华建集团华东建筑设计研究总院的三个项目实践，探讨中小尺度航站楼空间结构表达的几个关键要素。

1 虹桥机场T2航站楼

虹桥交通枢纽综合了机场、高铁、轨道交通等多个功能，是由几个高度相当的单体连成一体的巨大建筑群（图1），虹桥机场T2航站楼位于最东侧。若以一般大型机场为参照，T2航站楼室内空间只能算中小尺度。T2航站楼是横平竖直的规则形态，不适合通过建筑外形彰显建筑特点，建筑师设计的重点在于建筑功能的便捷、高效、人性化以及建筑空间的简洁、精细、内敛，同时建筑师希望通过结构的适当展示来强化建筑总体特征，并助力建筑空间品质的塑造。

由于结构跨度不大，常规的结构体系即可满足受力需求。结构设计并没有止步于关注结构效率的最优化，而是力求在结构受力合理的范围内，把结合建筑表达需要寻求综合的最优作为目标；又因为空间尺度不大，旅客离结构构件相对较近，外露结构的精致性也顺理成章地成为设计的基本要求。

T2航站楼的办票大厅平面类似一个高度为36m的倒置梯形，屋面在其中三条边的边缘都设置了3m宽的条形天窗。对于这个跨度，从结构受力角度分析，钢桁架是最为经济的选择，但天窗的存在会使相对繁杂的桁架构件直接暴露在视线内，与建筑空间的简约风格不甚相符。最终建筑师选择了更为简洁的实腹箱梁方案——吊顶设于梁间，梁的底面全部外露，结构的传力途径得以完整展示，干净利落（图2，3）。

常规的梁柱体系难以表现结构的精致性，建筑师与结构工程师不约而同地想到了通过节点的处理进行表达：梁柱间采用理想的铰接，使得销轴节点这一发挥余地极大的节点形式有机会应用，同时梁截面得以在端部大幅收小，以实现视觉上的轻量化，从而呈现精致的效果（图4）。

纤细的支柱可使屋盖显得轻盈，尽可能减小外露柱的截面也是建筑师的要求。通常情况下，柱截面无法做小是因为柱子需要同时承受竖向荷载和水平荷载。在办票大厅中，通过加强屋面内刚度，将水平荷载全部传至不外露的框架结构和周边的柱间支撑（图5），使外露柱仅承受竖向荷载，10m净高的钢柱直径可以控制在450mm，达到了纤细的效果（图6）。柱间支撑采用钢拉杆，梁、柱、系杆、支撑间的铰接节点做了特殊处理（图4）。自动扶梯位置各层楼板缺失，支撑屋顶的柱从-16m的地下层直接升到+22m，柱长达38m。为了使同一空间中的外露柱保持相同的450mm直径，结合幕墙构件的需要，在各楼层设置水平桁架，对柱形成弹性侧向约束以减小计算长度，桁架本身也尽可能简化构造，缩减尺寸（图7）。

2 虹桥机场T2航站楼办票大厅钢梁

3 虹桥机场T2航站楼办票大厅钢梁

4 虹桥机场T2航站楼多杆铰接节点

5 虹桥机场T2航站楼柱间支撑

虹桥机场T2航站楼

业主：上海机场集团

建筑设计：华建集团华东建筑设计研究总院

设计团队：郭建祥、高文艳、黎岩、潘胜龙、付小飞、冯昕、张建华、吕程、纪晨、杨梦柳、余舜华、谢曦、张宏波等（建筑）；周健、徐志敏、陈红宇、项玉珍、汪大绥、张富林、周伟、施志深、许静、季俊杰、刘建飞、陆屹、陈小平、毕晓平（结构）

设计时间：2005～2010

建成时间：2010

6 虹桥机场T2航站楼办票大厅钢柱

7 虹桥机场T2航站楼跨层柱

8 虹桥机场T2航站楼无行李通道连桥

T2航站楼内的连接通道均独立设置在较高空间的中部，自然成为了视觉的焦点，它们也都被作为结构表达的对象进行展示：到达大厅的无行李通道位于柱间跨中，与柱网呈45°夹角关系，结构上采用纤细的钢杆斜拉方式为通道结构提供支点，强化了结构的悬浮感（图8）；前往交通中心的长连桥采用了同样的斜拉结构形式，钢箱梁整体为锥形，使周边显得很薄，增加了轻巧感，箱梁内设置了TMD减振装置以解决人致振动问题（图9）；跨越下沉花园进出车库的步行桥采用梁柱结构，钢柱上下铰接只承受重力，侧向刚度由较为隐蔽布置的外加水平索提供，让简单的结构呈现一种看似不稳定的趣味性（图10）；办票大厅内通往屋顶餐厅的连桥采用普通单跨梭形桁架结构，斜腹杆按受拉方向布置，截面明显小于受压的直腹杆，视觉效果上使杆件显得更为简洁，同时二者截面尺寸的差异也为相交处采用销轴节点创造了条件。结合泛光照明，整个连桥显得玲珑剔透（图11）。

9 虹桥机场T2航站楼前往交通中心连桥

10 虹桥机场T2航站楼前往车库连桥

11 虹桥机场T2航站楼办票大厅连桥

12 虹桥机场T2航站楼双向张弦梁屋盖

13 虹桥机场T2航站楼格构式腹杆

14 虹桥机场T2航站楼入口雨篷

航站楼中唯一跨度较大的结构是位于南北两侧的贵宾候机厅屋盖，其平面形状为底边90m、高45m的等腰直角三角形，采用了双向张弦梁结构以配合建筑师对屋面天窗指向性的要求（图12）。为了解决双向杆件相互穿越的问题，所有的腹杆均做了空腹的特殊处理（图13）。

楼前入口雨篷，也采用了小型的弦支结构，很好地控制了顶部结构的厚度，从而为格栅等建筑构造让出空间，同时撑杆和下弦拉杆的节点进一步强化了结构的精致性（图14）。

整个虹桥T2航站楼虽然没有用到复杂的空间结构体系，结构的表达也采取了较为含蓄的方式，但每一处结构的设计都遵循了建筑空间简洁、精细、内敛的统一逻辑，通过结构细节的精致表达，提升了建筑空间品质。

15 虹桥机场T1航站楼改造后外景

虹桥机场T1航站楼改造

业主：上海机场集团

建筑设计：华建集团华东建筑设计研究总院

设计团队：郭建祥、张宏波、吕程、孙芸、马洪涛、鞠黎舟（建筑）；周健、张耀康、许静、王帅、顾乐明、蔡学勤、周慧、陆屹（结构）

设计时间：2012～2017

建成时间：2018

2 虹桥机场T1航站楼改造

虹桥机场T1航站楼分为A楼和B楼，本次改造前已在20世纪60、80、90年代经多次改扩建，是一个根据时代发展需求逐渐“生长”的建筑。本次改造的目标是提升整体服务品质、安全保障系统、环境空间形态，并使之与新建的T2航站楼匹配。根据结构鉴定结果和投资情况，本次改造为部分拆除后新建、部分加固改造，其中拆建面积超过5万m2，加固改造面积超过7万m2（图15）。

与结构表达相关的主要是A、B楼立面改造和相应办票大厅内部空间的改造。原办票大厅楼面以上立面及屋顶拆除，原楼面上加建抬高的立面、屋顶和外挑加大的雨篷（图16）。改造后的办票大厅进深24.5m，属于中等偏小的空间尺度，结构上实现这种尺度的跨越有多种方案，如何选择取决于两个关键因素：一是下部混凝土结构加固条件的约束，二是建筑师希望结构在这个空间中起怎样的表达作用。

为了在一个不大的空间里尽可能减少构件和层次，建筑师根据直觉，提出可以尝试屋面、幕墙、雨篷一体化设计。“一体化”概念在结构工程师眼中就是一幅名为“平衡”的弯矩图（图17）：悬挑雨篷的弯矩与屋盖的弯矩内外平衡，可以明显减小对原结构柱的弯矩作用从而减小对柱的加固要求；屋面、立面、雨篷三者形成一体化整体结构，弱化了与支承柱的连接，体现了由稳重的混凝土基座支托轻盈屋盖的漂浮感，这也是建筑师希望看到的效果。

为了与T2航站楼风格相协调，建筑师希望结构“能以一种精致的方式在建筑空间中呈现”。结构体系的研究从构件的尺度与建筑空间尺度相协调开始：支承屋盖-立面-雨篷一体化系统的混凝土柱间距为24.5m，屋面的跨度23m并由单坡的折点划分为9.5m+13.5m，外挑雨篷12m；在这些跨度条件下，各种现有的格构化结构体系如桁架、网架都会因杆件过多而显得繁复，常规的梁式跨越对构件的截面需求相对于这个空间尺度又显得偏大。通过采用将竖向支承构件格构化离散的方式，将外轮廓上所有杆件的跨度减小至界面高度500mm以内的钢梁可以轻松跨越，格构化的竖向支承构件也成为显示结构逻辑和节点的载体（图18，19）。外轮廓构件均采用矩形截面以方便与幕墙、天窗及屋面板等围护系统连接，格构化离散构件全部采用铰接圆杆，以精细的铰接节点展示其仅承受轴力的特点（图20，21）。

在结构体系和节点确定过程中，建筑与结构两个专业紧密配合，很难分清哪些是建筑确定的、哪些是结构确定的，所有做法都是在探讨研究过程中逐渐得出结论。最终完成的这个外观平直方正、内部能感受到结构细部的航站楼基本实现了最初的设想。

16 虹桥机场T1航站楼改造情况

17 虹桥机场T1航站楼改造一体化结构平衡弯矩图

18 虹桥机场T1航站楼改造柱格构化后的结构骨架

19 虹桥机场T1航站楼改造格构化的支承柱

20 虹桥机场T1航站楼改造后入口雨篷

21 虹桥机场T1航站楼改造后办票大厅

22 扬州泰州机场航站楼外景

3 扬州泰州机场航站楼

扬州泰州机场航站楼总建筑面积约3万m2（图22），在本项目中，建筑师想尝试不设吊顶、屋盖结构完全外露的设计，以结构的力量表现这个经济快速发展地区的勃勃生机。失去了选择性地隐藏结构的机会，整个结构的每一个角落都成了室内空间重要的表达内容（图23），这对建筑和结构设计都是新的挑战。

该屋面的形态为由一条双波曲线经扇形展开而成的双曲面，支承屋面结构的柱网也呈放射状布置，径向和环向最大柱距分别为45m和24m，建筑师最初希望暴露的屋盖结构是一个单层的斜交网格。经过初步的结构分析发现，如按视觉效果合适的角度斜交布置网格，柱顶支承点之间无法有直接网格构件，因而网格受力的效率很低，截面高度需求过大，经济性较差且建筑外观过于笨重；如果调整构件网格夹角至柱顶间有构件直接连接，则视觉效果不好，且过小的杆件间夹角也会给制作带来困难。

于是我们尝试了主次结构的方案：由径向布置于柱顶的主跨越结构支承斜交网格次结构（图24），次结构24m的最大跨度可以采用较小的构件截面，网格的布置原则也更为自由，从而满足建筑师的要求。建筑师最终选择了网格边长基本不变的斜交网格布置原则，视觉效果更为匀质。至此，设计的关键问题已经转化为主跨越结构形式的选择。

23 扬州泰州机场航站楼结构完全外露的钢屋盖

扬州泰州机场航站楼

业主：苏中江都机场投资建设有限责任公司

建筑设计：华建集团华东建筑设计研究总院

设计团队：郭建祥、付小飞、张宏波、纪晨、申世明（建筑）；周健、张耀康、蒋本卫、王冬、许静、王静（结构）

设计时间：2010～2012

建成时间：2012

24 扬州泰州机场航站楼屋盖主次结构布置图

25 扬州泰州机场航站楼拱形连续钢梁

45m+40m的二跨拱形主跨越结构有桁架、张弦梁、拱形实腹梁三个可行的选择。由于外露的斜交网格次结构已经形成了一个比较丰富的视觉背景，同样杆件繁多的桁架结构映衬在上面显得过于杂乱，因此首先被排除；根据建筑对室内净高的要求，设有下弦杆的张弦结构也被否定；最终确定了最为简单的连续拱形梁作为主跨越结构（图25）。拱形钢梁截面最高处为1.5m，建筑师觉得在这个不高的空间中还是略显厚重，最终通过在截面中抽槽的方式来实现视觉上的轻量化（图26）。主次结构按上表面平齐的方式交接，消除了屋面板铺设后由于面高差带来的空隙。

26 扬州泰州机场航站楼抽槽处理的钢梁截面

27 扬州泰州机场航站楼V形柱和人字柱

28 扬州泰州机场航站楼铰接柱顶

29 扬州泰州机场航站楼铰接柱底

30 扬州泰州机场航站楼径向布置的拉索支撑

连续起伏的拱形梁使屋盖充满动感，支承柱也选择了活泼的V形柱、人字柱和摇摆柱与之协调（图27），柱采用二端铰接，柱顶、柱底的节点都做了特别处理（图28，29）；沿径向布置的V形柱和人字柱给屋盖结构提供了径向刚度，环向的刚度则由沿环向布置于幕墙面的拉索支撑提供（图30）。

在本项目中，结构完全外露使得结构的表达更为强烈，在这种情况下，过多杆件视觉上的重叠和杆件间的不自然交接需要引起重视。

4 结语

在中小尺度航站楼空间中，结构的表达尤其需要关注旅客对结构的感受，它需要传递给旅客的信号应该与这座航站楼希望给人的印象统一，比如虹桥机场的精致和人性化、扬州泰州机场的活力感。从结构技术角度来看，结构逻辑清晰完整的展示、构件尺度的控制、节点的精雕细琢是结构表达的三个关键点。结构体系本身不分高下，是否适用和处理得当、能否给建筑的整体品质加分才是成败的关键。要做好一个中小空间的结构表达，需要耗费和做一个大型复杂空间体系同样多的心思。

图片来源：图1～11，14由傅兴拍摄；图12，13，19，20由周健拍摄；图16～18，21，24，25由设计团队提供；图15，22，23，27，28，30由庄哲拍摄；图26，29由蒋本卫拍摄。