钢与木的设计整合——市集上的美术馆

西塘古镇市集上的美术馆（西塘东区八九间项目二期一号楼）是山水秀建筑事务所折板系列项目的延伸，展现了建筑师对空间和结构选型的建构表达。本次对谈特邀项目主创建筑师祝晓峰和结构工程师张准，从柱、梁、斜撑、桁架等结构要素出发，探讨如何以现代手法重释双坡屋顶的思维脉络，解读钢材与木材的整合式设计。

The Art Gallery on the Market (No.1 Building,Phase II,89 District in Xitang East District) in Xitang is an extension of folded plate series projects of Scenic Architecture Office,showing the architect's constructive expression of space and structure selection.In this dialogue",Zhu Xiaofeng,the principal architect of the project,and Zhang Zhun,the structural engineer,will discuss how to reinterpret the thinking of the double-slope roof and interpret the integrated design of steel and wood by modern means,starting from the structural elements such as columns,beams,ramps and trusses.

1 设计起点

祝晓峰：西塘古镇是典型的江南水乡，有着丰富的建筑遗产和木构传统。除了西塘东区八九间项目二期一号楼外，附近的片区也由我们设计，这栋楼是最先完工的。我们计划将这个片区打造为文创商业街，其中包括游客服务中心、美术馆、酒店、汉服文化博物馆等，未来将被纳入西塘景区的范围中，建成后的游客导入情况还有待观察。

西塘东区八九间项目二期一号楼其实采用了一些特殊的建造方法，这样做主要是出于对场地的考虑，建筑位于片区的西南角，也是整个场地离西塘古镇景区最近的一个点，而且靠近河岸。在我们与业主商量之后，觉得这里应该成为一个被关注的点，它跟河岸的关系必须非常开放，能够吸引很多人参与进来，比较热闹，所以设想出市集的概念。

另外，业主希望在这里举办一些特定的活动，如艺术展览、宴会、讲座、论坛等。虽然市集充满文化、文艺气息，但是相对来说不可控，变数很大，各种各样的活动都会在这里发生。所以我们设计了一个2层的建筑，一层是比较现代的集市，二层是一个能容纳多种功能的、可变的展览空间，它们组合成了一个复合型的建筑，我们给它取名为市集上的美术馆，这跟最初的项目定位有关。

后来我们跟张老师探讨应该采用什么样的结构体系，最初希望整个建筑都采用木结构，但是最后一层改为钢结构，只保留了二层的木结构。

张准：这样做主要是因为防火的问题，全木结构不符合防火规范。另外，因为一层要采用大跨的方式，全采用木结构会产生一些结构性的困难。

祝晓峰：一层要实现最大25m的跨度，上面还要支撑二层楼板，全用木结构会非常吃力。所以一层改用了钢结构，二层在保留木结构的同时也引入了少量钢结构，变成了钢木混合的结构体系，钢结构占30%左右的比例。

2 波折桁架结构体系的再延续

祝晓峰：就建筑本身来说，一层市集将是一个大的开放空间。在我们的印象里，市集是可以有柱子存在的，我们不排斥柱子，但希望呈现出一种自由的空间状态，所以柱位不那么规则，其跨度不像传统方格网一样均匀，而是有大有小，呈一定序列布置。这个序列既可以与货架形成标准化模数，又可以营造弹性空间，从而容纳不同类型的活动。

张准：因为与祝老师合作了很多项目，也做过类似折板的结构，因此这个项目的结构设计相当于前面几个项目的结构延伸。刚才提到一层柱子的柱位是不规则的，所以一层楼面采用了波折桁架（并列三角桁架），每个波折桁架顶部的内部空间用于放置空调及其他设备管线。由于波折桁架的顺波方向具有较大的跨越能力，对于立柱支撑的跨度选定有一定的自由度。

基于以上的力学构思，我们将柱子的截面自上往下缩小，构成 Y 形，在视觉上尽可能营造纤细的效果，并通过铰接连至地面。当然，为了满足规范和抗侧的要求，我们还做了一些钢结构支撑，这些支撑有的能看到，有的隐藏在墙体里，它们跟空间和建筑之间产生了一些互动，这就形成了一层的结构设计。

祝晓峰：其实一层的波折桁架结构是我们折板系列中的一个，这个建筑大概是这一系列的第七个了，之前大部分都是跟张老师合作的。但是之前的波折桁架不管是钢桁架还是混凝土桁架，基本上都是单层结构，直到徐汇区的花鸟市场，我们有了一个新的想法：在波折桁架上方的三角空间里放置设备，这样可以将结构做到4层、5层甚至更高。当时设想把折板体系发展下去，在高度上叠加起来，成为一种新的多层建筑系统。这个系统利用波折桁架上方空间做设备空腔，折板的下层空间则提供了一个与传统坡屋顶形态有关的空间剖面和体系。当然这个设想不是通过装修实现的，而是直接在结构系统中生成了一个固定空间，让多层甚至高层建筑里的人也体验到在坡屋顶下的空间感受。现在花鸟市场还没建造，波折桁架结构就直接运用在了本项目里。我们采用波折桁架也是因为它拥有纵向的大跨，所以一层的柱子才能比较自由地布置。比如，跨度的忍耐极限是25m，那么20m、10m、8m的柱距都能符合要求。

至于抗侧的设计，我们并不排斥山墙，大部分柱子在室内是独立的，抗侧正好需要在四个角部区域做一些交叉和抗剪力墙体。山墙主要位于东西向，因为设计需要通过倒V字形山墙跟传统山墙产生关联，所以我们欣然接受了它们。

但是因为结构需要还设置了部分南北朝向的墙，我们不太喜欢。所有这些墙有的结合服务空间放置，有的干脆将双向支撑结构暴露出来，现场会看到用绳子把它裹起来的状态。

现在回顾当时的设计，我觉得这不是一个特别好的解决办法，但是在初始的设计条件下，这是不可避免的。从空间的纯净程度来说，因为南北方向面对十里港河，所以南北向需要通透，最好的方法是把这些墙都去掉，在去不掉的情况下，就要用一些其他的方法来表达它。

局部外立面 ©《建筑技艺》杂志社（AT）

一层Y 形梁柱及折板 ©《建筑技艺》杂志社（AT）

3 二层钢木混合结构

3.1 “超级灯笼”的标志性

斜柱交叉立面构造大样 ©山水秀建筑事务所

柱群效果 ©皮黎明

木柱交叉部位细部 ©皮黎明

祝晓峰：与一层的市集不同，二层是一个容纳各种活动的、600m2的无柱大空间，所以一个约20m×30m的双向大跨空间成为内在的需求。另外，建筑需要成为一个标志物，同时考虑到西塘的规划限高非常严格，檐口高度不得超过16.5m，所以不能用高度凸显它的标志性，只能通过材质和形态进行表达。由于一层用了坡屋顶和散布的柱子，这个形式类似旁边商业街的三层坡屋顶，那么在二层就不希望用坡屋顶了，反而使用架构的方式，与商业街形成对偶。商业街的一、二层采用了架构，于是我们把架构用在美术馆的二层，商业街的顶层是坡屋顶，于是我们把坡屋顶用在美术馆一层，用交叉置换的方式来营造先天的标志性。

另外，业主还希望二层的活动能够被外界或清晰或朦胧地看到，即使没有进入到建筑内部仍能感受到里面的气氛，所以二层需要有一定的透明性，所以我们想到了灯笼这样一个非常直接的比喻。西塘当地有竹编灯笼的传统工艺，这就促使我们把竹编交织的灯笼形态跟包括屋顶大跨在内的建筑结构关联起来。另外，既然是木结构，就要跟传统的中国木结构产生一定关联。江南传统木结构除了柱子之外，梁、檩条、穿斗的做法经常用比较细小的杆件将结构插接在一起，包括传统的桥梁建造也有很多互承式结构，就是用短杆件、细杆件来实现大跨度，所以我们想把这个传统工艺用在这里，采用短杆的方式搭接二层结构。

3.2 X 形木质交叉柱

张准：最初，我们希望二层整体都用木结构（包括立柱），但出于防火要求，实际完成的立柱虽然看起来是全木的，但其中有一部分是钢结构。如果全是木立柱，根据防火规范要求，立柱的尺寸会比现在大50mm，将影响到整体的视觉效果。我们最终采用了一种在火灾工况下可变的立柱系统，二层外圈的支撑构件中，一部分是纯木柱，少量是木包钢柱。日常使用情况下，无论立柱是什么材质，均整体混合受力；在火灾工况下，那些纯木柱的抗火能力为0.5h，烧毁后会遗留下来少量几根钢柱，其承载能力能够继续支撑屋顶达到规范的防火时限，相当于在火灾工况下有一个结构系统的转换。

木柱的布置一开始是不共节点的，所有立柱一根根错开。后来调整成立柱共节点，我们在共节点的位置加了水平钢系杆，把所有节点串起来。这样一来，提高了立柱的稳定性，加工时可以把它分成上下两部分，不但结构的整体性提高了，而且为倾斜的玻璃幕墙提供了抗水平力的结构帮助。

祝晓峰：说到这里，我记得立柱尺寸是大家共同判断后的结果。根据当时张老师的计算结果，若不考虑防火仅作支撑，立柱尺寸只要150mm×150mm就够了。承包商昆仑绿建结合材料模数选定160mm×160mm，这是一个比较纤细的尺寸。我们在二层做了一圈X形交叉柱，实际上在结构支撑方面是有冗余的，主要是想呈现一个完整的灯笼编织形态。

考虑到防火的要求，立柱外面要加40mm碳化层，如果发生火灾，40mm的厚度是允许被火烧碳化的，之后自然就形成了一个保护层，内部的钢结构还可以起到支撑作用，达到1h的耐火极限。这就意味着，虽然结构计算尺寸是160mm，可是要在外面加一圈碳化层，柱子就变成240mm，这是我们不可忍受的，因此就产生了其中一部分柱子被钢结构取代的做法。这部分钢柱截面尺寸是120mm×120mm，不需任何空腔和龙骨，直接把木材包在钢结构外表皮上，局部用螺丝固定，整体尺寸也是160mm×160mm，外观与其他木柱一模一样。当然，内部也刷了防火涂料，所以结合得特别紧密。

3.3 交叉柱间的交叉节点

祝晓峰：另外，针对这些柱子的叉接，我们与工程师、结构师、专业的制造商一起群策群力进行了很多轮讨论。最初有想过把柱子分开，但受力并不是很好。

张准：分开的话每根杆的计算长度要翻倍，从受力稳定性来讲，木结构也是受影响的，尤其在一些特殊的地方，受力是不一样的。后来又考虑到运输加工的问题，就把柱子做短，叉接以后对各方面都比较好。

祝晓峰：开始我希望交叉柱是两根，就像两根手指一样交叉，但是这样做非常复杂，因为不光在立面上交叉，还在平面上也有交叉，不借助电脑工具没有办法实现这样的三维交叉。最后我们想到了鲁班锁，将其隐蔽式的榫卯结构运用在立体交叉柱插接结构上，并在端部加一个钢插片，这里很感谢昆仑木结构的精确加工技术，让这一做法得以实现。从外面看有点像魔术师的表演，在交叉节点位置，杆件完全合在一起，看不到里面的钢插片。屋盖的交叉梁节点也是如此，再通过互承的方式实现大跨度。

X 形交叉柱 ©《建筑技艺》杂志社（AT）

二层室内 ©《建筑技艺》杂志社（AT）

日常状态下木柱+钢柱承重 ©山水秀建筑事务所

火灾工况下钢柱承重 ©山水秀建筑事务所

鸟瞰 ©皮黎明

4 单层网壳木结构屋盖

祝晓峰：屋顶的短杆设计是张老师的贡献，我开始还想会不会像互承式结构一样，每一片木结构之间会产生小错位。但张老师说这是有先例的，实际上就是一个十字形结构，搭接方便，每一根杆件的长度都不长。

张准：是的，这一结构在西岸人工智能峰会B馆用过，但是这次的做法有所不同。因为西岸为临时建筑，可以尝试更特别的做法，比较强调手工木结构现场拼装，而这次的项目需要考虑审图等问题，更依靠工厂加工，不过基本的方式是类似的，都采用了十字交错的形式。

祝晓峰：其实我们也考虑了木材加工过程和原材料的环保性，所以采用短杆件搭接的方式比较现实，更有可持续性的意义。

屋顶使用单层网壳木结构，以向上微微起拱的胶合木梁通过单元组合的方式完成。这个单层网壳内部各个结构单元的交接方式都为互承式，每一个菱形内都有一根水平拉杆，外圈钢桁架提供抗推力，我记得这也是张老师的建议。

张准：外圈桁架不但要抵抗屋面推力还需要协调立柱变形，受力上比较复杂，用钢结构更为合适。

祝晓峰：这样其实对实现跨度有一定好处，因为有了适当的起拱，会减少中间木构件的高度，原本需要900mm，现在只需要600mm、700mm就可以做到。另外还比较方便结构找坡，屋顶的排水也解决了。由于交叉节点是立体的，从剖面上看它能够非常好地解决幕墙的水平推力，所以幕墙不需要再做单独的结构，只需要将外框直接跟交叉柱的交叉点连在一起，就能把约5.5m高的幕墙分成上下两半，比较巧妙地解决了幕墙的受力问题。

这种做法在垂直构件和屋面的结构之间形成了一个类似直角三角形的空间，我们在此处放置了新风设备。可以说，整个建筑比较巧妙地借用了结构的支撑体系和体系之间的位置，完成了结构转换并形成了设备空腔。在这一点上，不管是一层还是二层，结构空间、设备和建筑空间的整合度是非常高的。

最后补充一点，我们主要希望在设计中用结构要素实现更多的功能。所谓性能化，我的理解是一方面这代表着结构本身的性能，比如谢亿民院士说的如果将柱子断面制造成中间粗两头细的形态，可以使用材减到最少，这是结构本身的性能；另一方面，结构构件可以承载对建筑、设备、次结构的贡献。在设计过程中，我比较倾向于让结构发挥更多的效能，如果结构能够帮助我们整合更多的资源或解决更多的难题，实现一举三得或者一举四得，这可能是建筑跟结构合作时特别大的收获。

屋顶平面图 ©山水秀建筑事务所

屋顶施工现场 ©皮黎明