支承结构的消隐与表现——以尺度为线索的结构设计

杨笑天 李彦鹏 顾乐明 彭超

YANG Xiaotian,LI Yanpeng,GU Leming,PENG Chao

华东建筑设计研究总院

在中小尺度项目中，结构形式选择多样且构件尺寸小，结构不管是暴露还是隐藏都有较多的选择余地。例如，直岛海之车站通过极为纤细的柱子营造极致轻薄的建筑效果，让纤细的结构柱与环境融为一体（图1）；HOKI美术馆通过大尺度箱形截面实现让人惊叹的悬挑效果，让结构构件与建筑功能及效果高度结合（图2）；丝带教堂通过螺旋步道描绘爱情故事，让两个相互依靠的螺旋型结构取代通常意义上的梁柱（图3）。

而对于机场、体育场馆、街区覆盖天幕等大尺度的项目，往往由于建筑功能要求，结构跨度动辄高达50～100m甚至更大，可选的结构体系实际是非常有限的。同时，结构的重要性和设计使用年限往往也有更高的要求，加之考虑台风、防爆、反恐等偶然因素下结构的安全性，构件尺度一般很难做到细小。在这种情况下，结构与空间如何相互渗透影响，而不是简单地被吊顶遮盖，更加考验建筑师和结构师的功力。本文试图从不同尺度的项目设计实践中讨论结构与建筑之间的制约与互动，以及结构作为建筑要素的表达方式。

1 小型建筑——空间主导的结构表现

2019年第二届全国高校竹结构设计建造大赛中，同济大学“风之亭”的结构材料采用了原竹——易弯的管材。本方案的出发点是做一条有趣的“隧道”对着周边的三个主要出入口，隧道中部抬起宛如风拂竹帘，形成开合有度、可停可走的连续空间（图4）。

基于通道断面三角形及中部打开的形态，自然联想到“人字柱+边拱”作为主要的支撑结构。通道的跨度15～20m不等，尺度较大，基于竹材的受力性能，中部立柱自然是最直接的选择，但强烈的支撑感会破坏通道的连续性。为了消解这种不舒适的空间体验，初步设想把周边结构及屋面结构做强形成三铰拱，推力由周边结构承担（图5），这一策略虽然有机会取消中部落柱，但是承重的屋面及周边结构有违“风拂竹帘”的轻盈感。随后的方案推进重点考虑回应“轻盈”这个关键词，或许高效的钢拉索和原竹能产生双赢的化学反应，于是顺势诞生了弦支梁的结构方案（图6）。对着三个入口，人字柱的钢拉索托起竹梁形成中部主结构，顺应原有通道指向性的同时，中部的三角形拉索也刚好对应着天窗的形态。索与竹，这两种极轻材料的组合最大程度弱化了多种元素的混沌感，甚至加强了轻盈屋面的观感。拉索的出现也解放了屋面的结构，得以实现较小截面的主梁、檩条及边拱，最终地形方案从高处到低处依次为观演舞台和休憩空间（图7）。舞台一侧屋面开口形态的最终跨度由16m增加到25m左右，所以采用空间竹拱桁架，也为观演空间带来一丝乐趣。

1 直岛海之车站

2 HOKI 美术馆

3 丝带教堂

4 风之亭-初始设计理念

5 风之亭-三铰拱方案

6 风之亭-弦支梁方案

7 风之亭-结构图解

8 风之亭-中部拉索与三角天窗

9 风之亭-拱桁架

10 风之亭-入口

在小尺度项目中，空间是主导的。“风之亭”这个项目中，为了避免交叉点的落柱，弦支竹梁的出现正是形态与动线共同塑形的结果，结构让位于空间，最终通过与流线、天窗的呼应反而成为空间体验的重要组成，甚至会觉得弦支的结构形态源自建筑设计理念而非出于理性的推导（图8～10）。模糊的因果关系，让结构和建筑紧凑地交互、相得益彰。

2 中型建筑——空间与结构的博弈

在中等尺度的项目中，结构与空间的博弈更有张力，在互相制约中激发彼此的可能性。

虹桥国际机场T1航站楼是一个中等尺度的改造项目，这类项目对结构约束较多，一般都面临比较复杂的工况，让既有结构舒服地维持、新建结构自然地呈现，都是值得努力的方向（图11）。虹桥国际机场T1航站楼现存的A楼、B楼和楼前高架，自1960年代建成后，于1980、1990等不同年代多次扩建、改造而成。与虹桥T2航站楼相比，T1航站楼及周边相对破旧、环境较差。原有建筑主要面临三个棘手的问题：混杂的流线、凌乱破败的幕墙系统及净高偏低的室内空间。

作为项目改建的门面担当，A楼的出发大厅是最大也是最重要的区域。原15.8m标高的混凝土屋面抬高至24.0m，形成高大的室内空间；悬挑雨篷由约5m加大至12m以上，使其挡雨范围明显增大。在改造策略上，对于原有的混凝土结构，减小入口处支承柱的受力成为选择结构方案的出发点。采用钢结构轻型屋盖是最直接的方法，最先被确定下来。新增结构与原混凝土柱铰接设计也是减少柱受力的有效方法，而能够实现铰接连接的前提是屋面、立面、雨篷三者形成一体化的整体结构，让大悬挑雨篷的弯矩与大跨屋盖的弯矩内外自平衡，从而最大程度减小支承柱的弯矩，并能呈现出稳重的混凝土基座支托轻盈屋盖的漂浮感。

11 虹桥国际机场T1 航站楼-改造前后

与既有结构连接部位的铰接缓解了老结构的受力压力，但是由于钢屋盖高度较大，新建结构侧向刚度很小，设置斜撑是提高结构抗侧刚度的直接方法。因此，结构设计建议将平屋面改为局部单坡，这一形状修改不仅有利于结构抗侧，同时减少了建筑室内空间，有利于绿色节能，结构效率与空间关系紧密结合（图12）。

12 虹桥国际机场T1 航站楼-出发大厅改造

13 虹桥国际机场T1 航站楼-屋盖结构比选

大致的结构形态确定后，接下来就是解决横向跨越问题，24.7m的屋盖跨度和12m的悬挑雨篷若采用实腹钢梁，构件尺度会比较大，为了削弱刻板的支承观感，采用以轴力杆件为主的更高效的单元化结构体系。方案初步考虑采用拉索或者伞形柱的方案，基于拉索方案可能对空间产生的压迫感，于是按照伞形柱方案进行深化，把结构高度消化在幕墙一侧，利用三角形稳定性，从混凝土柱上立起伞形柱结构和支撑杆件；同时，伞形单元和斜撑平衡雨篷荷载减小了屋面钢梁截面，此时结构作为韵律空间的构成，轻松呈现（图13）。

每个伞形单元形成后，纵向的相互联系依托密而小的结构横梁，且横梁兼作遮阳百叶，完成了结构与幕墙的一体化设计（图14，15）。由于立面支撑在水平力下会出现较大的压力，支撑长度为11.8m，杆件截面较小时容易出现失稳破坏。因此采用BRB（防屈曲约束支撑）单元，外径由250mm减小到180mm，突破极限以求空间韵律。

14 虹桥国际机场T1 航站楼-改造结构体系图解

15 虹桥国际机场T1 航站楼-改造后室内全景

节点设计同样重要，雨篷V形斜撑、伞形钢柱等构件均为铰接节点，大量采用铸钢节点制作而成，受力明确且便于安装。伞形柱、支撑、V形屋面梁等结构以简洁的三角形稳定体系、清晰的受力逻辑，成为有趣的建筑空间中重要的表现要素，给旅客带来轻松愉悦的享受（图16，17）。

在中等尺度的项目中，结构与建筑的互动产生了轻松的结构状态和空间体验，既没有结构炫技的强烈表达，也没有结构消极滞后服从建筑。相较于明确的梁柱支撑体系，本项目中通过离散的杆系单元将屋盖、幕墙以及雨篷有机整合在一起，视觉的“粗细”暗示着背后的“拉压关系”，对于传递水平力的需求则隐藏在BRB（Hide-tech）以及一系列三角形元素中，无法一眼看透激发理性的推测，这个过程也是充满趣味的。比较有意思的是，建筑师有意加大了伞形立柱的尺寸（非受力需要），相较于对所有构件“极细”的追求，这种强化粗与细的对比是否也增加了空间的层次感（图18，19）？

16 虹桥国际机场T1 航站楼-改造后雨篷设计

17 虹桥国际机场T1 航站楼-幕墙屋盖一体化设计

18 虹桥国际机场T1 航站楼-伞形立柱的视觉强化

19 虹桥国际机场T1 航站楼-伞形立柱铰接铸钢节点

20 呼和浩特机场-鸟瞰图

21 呼和浩特机场-室内效果图

22 呼和浩特机场-建筑吊顶逻辑

23 呼和浩特机场-结构网格

24 呼和浩特机场-轴测图

25 呼和浩特机场-天窗建筑效果

26 呼和浩特机场-天窗结构布置

3 大型项目——结构主导的表现方式

在大尺度项目中，结构往往处于主导地位。方案阶段，我们便会介入建筑空间的讨论、形态的生成，以下通过几个大型项目中的结构实践，谈谈我们关于结构表现方式的一些思考。

3.1 暧昧的结构——呼和浩特机场

在呼和浩特机场的屋盖设计中，我们试图让结构构件成为建筑肌理，同时又可以让大家很容易猜测到背后的结构逻辑（图20，21）。设计初期建筑师提出了几点构想和要求，首先机场屋盖作为大跨度结构，出于功能考虑中柱跨度需要达到54m；受到当地文化图腾的启发，希望将蒙古包的菱形网格元素用于室内吊顶纹路中；希望以4个18m×72m的大天窗用于采光，同时希望柱子支撑在天窗处且要尽量纤细。

对于跨度54m的屋盖，很难做到结构完全完美地外露，因此通常最经济的做法是网架结构，而后通过吊顶将结构构件完全隐藏，但是这种物理性的隐藏使得建筑和结构完全是两张皮，乘客也就无法感知结构的韵律美。

本项目中同样遇到这个问题，结构师并非不想发挥，而是建筑体量不允许结构师随意发挥。结合室内吊顶的菱形网格，结构选用平面桁架结构体系，并尝试和建筑网格寻找对位关系，经过多次试算和协调后发现，结构网格是能够与建筑吊顶逻辑完全对应的。于是建筑师和结构师开始讨论结构外露的可能性，如果结构完全暴露，构件尺度比较大且很难做到精致的表达，于是决定对结构构件做半暴露处理，仅露出下弦杆的一部分，这样既能表现结构的逻辑，又能达到建筑的室内效果，这种手法在早先的浦东机场二期屋盖设计中也有应用。当乘客行走在办票大厅时会被吊顶的菱形网格所吸引，而无法一眼察觉到吊顶的线条是由结构构件所勾勒，由此或许会引发一系列揣测；但如果有心人想要更深层次了解屋盖时，就可以通过吊顶的划分读懂结构的生成逻辑，从而感知力流的方向，此时结构网格就将抽象的力流可视化地表达了出来（图22～24）。

此项目中天窗处的摇摆柱是建筑想要表达的亮点，但实际上这是与结构受力相悖的。因为通常柱顶都是受力最大的地方，自然柱顶桁架的构件尺度也会很大，天窗打亮后相当于将结构最粗壮的地方暴露了出来。同时，中部四根柱子每根都要支承近3000m2屋盖的重量和地震力，常规做法无法做到纤细，因此只能突破原有的结构范式。

结构也同样从蒙古包中寻找灵感，将中部立柱均做成摇摆柱，宛如蒙古包中间的桅杆，同时加密周圈的钢柱间距，这样地震力就可以通过结构刚度很大的交叉网格屋盖传到四周的钢柱，而保证中部钢柱的纤细（图25）。同时天窗处桁架断开并采用拉索吊挂于柱顶，这样被天窗打亮的就会是纤细的钢索。通过将结构效率较低的抗弯桁架替换为效率更高的抗拉拉索，摇摆柱与拉索的组合在这样一个超大尺度的空间内显得有趣而“格格不入”，这种强烈的不稳定感也暗示着背后的力学逻辑——仅承担竖向荷载，这种支承结构的表现在半藏半露的屋盖结构的衬托下大大加强了空间的张力（图26）。

3.2 极限的结构——杭州世纪中心悬链

在大尺度的项目中，结构完全外露作为一个大概率的导向更值得关注，我们期望结构哪怕完全展现在面前，却不会让人感觉其孤立、压迫甚至高高在上，而是作为空间的一部分自然地呈现。天幕作为街区覆盖、商场中庭、景观廊道等公共空间遮风挡雨的上部覆盖，也需要保证明亮的采光。一方面，通过选用高效的结构形式和优化形态以尽可能减小结构的尺度，减小结构对视线和采光的遮挡；另一方面，通过结构形式、拓扑关系和节点细部的精细化设计，使结构贴合并融入建筑的一体化设计中。

杭州世纪中心项目由两幢高约310m的塔楼和商业裙楼组成，是杭州市目前已批复规划的最高地标建筑。双塔造型呈独特的“H”形，寓意融合精致、和谐、开放、大气的城市精神（图27）。两栋塔楼形成空间与力学上的连接，二者之间的互动与制约最终磨合为统一的整体。

“柔性”与“高效”是我们首先想到的，“H”形双塔之间的悬链形天幕主要作为塔楼之间宴会大厅和屋顶花园的遮阳，跨度和垂度都比较大，悬链顶前开口52～87m，垂度最大约73m，表皮面积约9400m2，是一个大跨度的复杂曲面结构，同时也要求结构形式简洁、通透，构件尺寸尽可能纤细，这给结构设计提出了挑战（图28）。

由于杭州世纪中心天幕主要承受的幕墙和自重恒荷载都是沿构件长度均匀分布的，符合悬链线的理想荷载分布。巧妙的悬链方案使得天幕悬垂为自然曲线并吊挂在塔楼上，同时在地震下又不会产生相互拉扯影响。最终，悬链形式的结构构件截面宽度仅150mm、高度300mm（选用H300×150×6.5×9型钢），截面高度与跨度的比值达到1/300，结构效率非常之高。通过参数化设计与曲面优化，微调悬链曲面的形态，进一步改善结构在风荷载等复杂工况下的受力性能，同时优化减小四边形玻璃板块的翘曲，实现建筑、结构、幕墙的一体化设计（图29）。

3.3 异规的结构——上海马术谷

体育建筑因其特殊性，一般球场和田径场为圆形或椭圆形，结构设计也可以充分利用这一形体通过张拉索做到极致轻薄，由此将结构构件很好地隐藏于环境当中。上海马术谷项目中，建筑屋盖分为飘带形和贝壳形两部分，悬挑跨度约为30m，结构设计“迫不得已”选用了相对粗壮的桁架结构体系（图30）。

通常悬挑桁架均采用由上弦、下弦和腹杆组成的规律性强的平面桁架或空间桁架，但交叉腹杆的建筑效果不好（图31，32）。如果暴露区都采用常规的桁架形式，会让结构构件在整个环境中显得尤为突出，并且与马术运动优雅的属性不甚契合。因此结构设计将桁架异化处理，原有的平行上弦被改为弧线，使得结构线条更加优雅；将原交叉腹杆改为平行腹杆并进行加密，这样腹杆在充当受力构件的同时也可像吊顶一样起到装饰作用；通过计算其受力方式与马骨的构造也有相似之处，当有观众注意结构时也可以产生联想、共鸣（图33，34）。

27 杭州世纪中心-效果图

28 杭州世纪中心-悬链结构的尺寸

29 杭州世纪中心-悬链局部效果图

30 上海马术谷-鸟瞰图

31 常规平面悬挑桁架

32 常规空间悬挑桁架

33 上海马术谷结构马骨意象

34 上海马术谷异规后的悬挑桁架

35 上海马术谷外露区结构效果

36 G60 科创云廊

37 G60 科创云廊网格实景

在外露结构中无法通过纤细的构件获得物理上的透明观感时，通过对结构体系和构件进行建筑化的处理，使其更加自然地融入建筑与环境，亦可弱化强支承的体验（图35）。

4 结语

在不同尺度的项目中，结构与空间之间的话语权重是不同的，小空间中结构更应该注意不能喧宾夺主，而在中大型空间中，结构与空间的冲突、妥协与融合让结构成为可感受、可欣赏的“特殊空间”。上述项目实践中结构都是外露或者半消隐，相较于单纯地把构件做小做细以获得纯物理上的透明观感，通过合理的规划力流路径来决定构件是否参与抵抗风、地震等横向荷载以及构件与幕墙吊顶结合的一体化设计，模糊了“强支撑”的刻板印象，努力追求合理的或者合理近旁的结构表现，同时这些表现作为一种图形化的肌理渗透于空间中，让人感到轻松愉悦。这既是我们对于小、中、大三种尺度项目中结构与建筑的形态互相渗透、互相纠缠以获得多义解读的空间的理解，也是我们对于“虚的透明性”的理解。

与“虚的透明性”相对的，是结构主宰形态的“实的透明性”。G60科创云廊就是一个在以上语境中颇显争议的项目，位于上海南部门户G60高速旁，是一个11栋建筑上方的巨型覆盖。长约700m、宽约200m、跨度约100m的单层铝合金网壳在天空中闪闪发光，可谓是结构强势的表达，在结构造价和设计难度上都付出了巨大的代价（图36，37）。

值得讨论的是，为什么要选择这样一个高技派的策略？从建成结果上看，乘飞机或沿高速进入上海第一眼就会注意到这座结构成就的纤薄的金属云朵，它的地标效应所带来的经济效益远超过它的造价。在这里，视觉化的技术表现成为更符合该项目特质的权宜策略。

由此引申出一个话题，“虚的透明”这种均衡状态固然是很多项目的追求，但是否也会形成一种所谓正确的结构伦理？G60科创云廊这种特殊工况下的“High-tech”是否因为完全结构主导而仅存物理的透明？这些问题可能超出了建筑结构本身的范畴。最后引用结构工程师巴尔蒙德的一句话：“对于高技派的钢架、钢索之类的有限建筑语汇的热衷，或者只满足于横平竖直梁柱体系都是值得质疑的。我们所探寻的结构，既非强加的形态，亦非笨拙的骨架。”

图片来源

图1～3，33 来源于网络；图4～10 来源于同济大学风之亭设计小组；图11～13，15，20～26 来源于华东建筑设计研究总院；图14，16～19 来源于见闻影像；图27，29 来源于绿地集团、宋都集团；图28，31，32，34，35 由作者自绘；图30 来源于华建集团科创中心；图36，37 来源于上海通正铝合金结构工程技术有限公司。