即兴的合舞——浅谈西扎两座博物馆建筑设计与结构的协作

申屠团兵 陈永兵 赵远鹏Shentu Tuanbing Chen Yongbing Zhao Yuanpeng

鸟瞰Ⓒ侯博文

1 源起

优秀的建筑作品能够有力地推动行业技术和社会文化的发展，而工程技术则是确保这些作品得以落地的保障，它不但技术要求高、工作强度大、实施周期长，而且要求在注重技术的同时，也注重对建筑艺术和文化意义的理解，需要有从建筑整体环境、形体空间一直到具体的建筑构配件、建筑细部的整体性细思维，在符合技术经济的要求下，追求建筑创新，努力提升方案实现度。近二十年来，笔者所在的团队有幸与国内外诸多著名建筑师合作，其中与王澍老师的合作始于2004年的宁波五散房，其后又相继完成了中国美术学院象山校区二期、宁波博物馆、富春山馆、临安博物馆等作品。与西扎及卡洛斯团队的合作始于2012年的中国美术学院国际设计博物馆。华茂艺术教育博物馆是双方合作设计的第二个作品，自2020年11月开馆以来，受到业界的广泛关注。近期受邀参加了该项目的品谈会，有感于专家们就项目的工程设计协作、建筑方案实现度的聚焦讨论，特此撰文浅谈工程设计阶段建筑和结构协作中的一些体会，以飨读者。

2 边界

建筑是特殊产品，不仅要满足人类活动的安全、正常使用，而且应绿色环保、经久耐用。在技术条件、投资控制的约束下，各国都制定了相应的规范标准。对结构设计而言，严守结构安全和规范标准是边界红线。各种设计创新、探索必须控制在这个红线范围以内，否则建筑就会变成空中楼阁，甚至危及人身和财产安全。当然，在这个边界红线内，建筑师和结构工程师仍有很大的创造和发挥空间，而结构设计工作的着力点和切入点正是对这些可能性的发掘和探索。

3 创新

工程技术的创新应用作为手段，服务于建筑空间的创新。现代结构技术的发展以及结构分析手段的提高，为建筑师营造更新颖、更复杂的空间提供了更大的自由度和技术支撑。但是目前建筑结构材料技术并无大的突破，适用于大型公共建筑的基本结构材料依然是钢筋混凝土和钢材。因此，在无法脱离重力桎梏语境下的结构技术创新应用，只能依靠建筑师和结构工程师一起从最基本的力学原理出发，通过借鉴、类比、提升等手段，从建筑结构设计的具体构成、形态、尺度及组合方面进行探索。

4 落地

建筑评判的对象是最终建成的实体，而非止于图纸、模型、效果图这些手段和工具，设计的落地性和完成度是设计价值得以体现的保障。因此，保证设计意图的落地、标准的约束和技术创新应用的有机统一，是我们工作和思考的重点。在建筑工程中，结构工程师相对于其他专业，往往与工程现场联系更为紧密、频繁，施工现场遇到的各类技术问题往往会第一时间反馈给结构专业。因此，在长期的工程实践中，结构工程师对于国内工程技术水平的现状会有比较深入的了解。利用这些年积累起来的工程经验，我们在与建筑师合作的过程中，尤其是与大师们合作的这些复杂项目，在方案阶段就会要求尽早介入，对后续落地实施中可能遇到的各类难题给予提示，并共同思考解决的预案和设计调整的方向。

5 合舞

在这种共同探索的过程中，建筑师和结构工程师需要保持持续的互动，这有些像太极推手或是双人舞，互动的双方你来我往、较劲使力。太极推手的结果是一方被推倒，分出胜负，而舞蹈的特点是大家踏着一致的节奏、步调，相互协作完成，其目的不是分出胜负，而是为了最大限度地实现主创建筑师构建的作品愿景，为使用者提供更优的建筑体验。因此，我们更愿意将其比喻为一种舞蹈。但是这场“双人舞”无法事先编排，只能根据具体的环境条件，不断调整步伐、路线，即兴而为，这也是本文标题的由来。

6 合拍

2016年4月，为了尽快建立两个团队在中国国际设计博物馆和宁波华茂艺术教育博物馆设计协作方面的默契，笔者赴葡萄牙与西扎及卡洛斯团队当面交流。期间参观了他们的部分建成作品，感受设计所呈现出的独特建筑风格、形体、光影、空间，考察作品中成熟的用材、技术及构造体系。在整个合作过程中，我们也体会到，越是优秀的主创建筑师对建筑结构及其他相关专业的掌握也越深刻，他们的概念方案往往已经包含了关于结构体系和机电系统的设想。在交流与沟通中，他们也非常尊重结构设计师的意见，经常通过几句话、几笔潦草的简图，就可以立即理解结构专业的诉求并迅速做出建设性的回应。在面临难题时，尽量找到“第三条道路”，综合性地解决建筑和结构问题。

7 迷宫

与建筑设计类似，结构设计也是一个从技术概念方案开始，层层深化推进的过程。在这个过程中，最核心的内容是逐步构建和优化荷载作用的传导路径。一个清晰、高效的传力体系是整体建筑结构遭受荷载作用时，满足稳定、刚度、强度、防连续倒塌的重要保证。根据建筑高度和形体空间的不同，结构设计重点关注的荷载和作用类型也有所不同。高层建筑常关注水平荷载作用的高效传递，而低矮的建筑更关注重力荷载传力途径的构建。重力荷载最基本的传力路径是楼层板——楼面梁——墙、柱、支撑等竖向构件——基础。对于普通建筑来说，竖向构件大多上下贯通连续，结构布置比较容易，但在特殊项目尤其是文化类的公共建筑中，出于功能流线和建筑空间艺术的需要，传力体系中的某些部位常常被打断，无法形成一路向下且直接的传力路径。这时就要求结构工程师重新构建比较复杂的传力路径，以满足建筑设计的要求。最常见和简单的情况是局部抽掉柱子的结构转换，当情况更为复杂时，还要采用桁架转换、悬挂等多种方式，甚至使荷载上下、左右转换，形成曲折的力流路径，我们把这种情况比喻为重力迷宫。下文以中国国际设计博物馆和宁波华茂艺术教育博物馆为例，解析这类迷宫形成的过程。

7.1 中国国际设计博物馆

在中国国际设计博物馆的设计初期，建筑方案初看是形体简洁的3层建筑和方整的空间单元，除了部分入口处的体块悬挑、较重的外立面石材干挂外，似乎看不出对结构有什么挑战。根据直观判断，结构选型可以采用最常规的钢筋混凝土框架结构体系，这与建筑师最初的结构设想一致。然而，我们仔细研究方案后发现，限于场地、流线和内部功能的需求，建筑师将几个大空间的展厅布置在建筑西侧体量的一、二层，一些小开间的研究办公空间布置在顶层，正好是大空间的上方。更具挑战的是，虽然外立面开窗很少（主要集中在底层入口庭院周边和二层围绕三角形内庭院的周边区域），但是这些窗都是超长的条窗，而且根据建筑师的要求，这些条窗在立面及平面的内退位置都不可以布置结构柱。

上述小开间房间在上、大空间在下、外周条窗区域无法设柱而导致竖向体系不连续的情况，使得混凝土结构体系的结构概念方案难以落地。经过与西扎及卡洛斯团队的深入沟通，结构方案改为钢框架（桁架）+钢筋混凝土筒体的混合结构方案，仅在楼梯间、电梯井等位置设置混凝土筒体，作为主要的承重和抗侧构件，利用钢桁架和局部落地钢柱形成大空间、大悬挑等大跨度结构，使重力荷载绕过传力路径中断的部位，最终传导至基础。

7.2 宁波华茂艺术教育博物馆

宁波华茂艺术教育博物馆的结构布置也遇到了类似的情况。从外部看，建筑形体像是一个扇形截面的实体悬浮在场地之上。这种悬浮状态的形成，首先是建筑东南两侧在2.20m标高以上做了整体的悬挑，同时在2.20m标高之下又设置了展开长度达49m的条窗，通透的条窗进一步加强了这种悬浮感。然而这个长度约占整个立面长度四分之三的条窗，彻底截断了上部墙体向基础传递荷载的路径。为了解决这个问题，结构最初的想法是避免大尺度的悬挑，以达到控制结构复杂性、减少施工难度、控制主体结构造价的目的。针对这个方向我们进行了多种尝试。

最初，我们在底层平面与长窗对应的坡道内侧找到一片基本完整的墙体，虽然这道墙并没有直接落地，但是我们尝试利用该墙及上下两块板形成的“C”形传力结构，作为上部悬挑的支撑。经过计算和分析，这个像“弹簧片”一样的构件若支撑20m左右的上部墙体和坡道，所需的截面尺寸会非常大，将严重影响建筑空间的尺度，因此这个方案并没有被采用；其后，我们又考虑将长条窗的立梃转化为细而密的钢立柱，但是长窗的玻璃尺度很大，立梃尺寸过小又无法做到足够的密，承载能力非常有限，这个方案也没有通过；最后，我们不得不回到大悬挑的方向上来，将坡道错位区域形成的矩形箱体设计为悬挑的空腹曲梁，让上部荷载向两侧传递。

但这个方案也有其难点，因为整个箱梁悬挂于主体之外，两端并没有可以直接受力的支点，最终我们利用中庭西侧和北侧的两片与箱梁垂直的墙体形成高大的暗牛腿，采用型钢混凝土墙作为箱梁的支撑点。同时前面提到的“弹簧片”形成折板支撑，发挥了改善传力路径、提高结构安全储备、控制正常使用期间坡道变形和振动的作用。

从上述分析来看，中国国际设计博物馆和宁波华茂艺术教育博物馆至少存在两套迷宫系统：一是建筑空间不均匀地穿插交叠、曲折迂回，形成的空间迷宫创造了层次丰富、抑扬开合的空间体验；二是建筑空间打破了结构构件布置的均匀性和连续性，重力通过曲折复杂的路径最终传向基础，从而形成重力迷宫。有趣的是，在二维平面里，互为图底的迷宫若能走通，图或底中的一个一定是不连续的。而在建筑中，空间迷宫和重力迷宫虽然互为图底，但各自必须完整且连续，这就要求设计摆脱图纸的二维限制，借助模型工具在三维中寻找走通迷宫的路径。

8 尺度

尺度控制是建筑师和结构工程师共同面对的另一个重要工作。空间和构件的尺度，除了满足基本的使用功能外，还是塑造形体观感和空间体验的重要因素，尤其在大中型文化类公共建筑中，后者的要求尤为突出。

对于结构专业，梁、板、柱、墙等受力构件的截面尺寸主要取决于受力条件和结构材料的力学性能，其确定的依据几乎是纯理性的。结构构件的尺寸与空间的高度、跨度正向相关，即空间越大，结构骨架本身的尺寸也会相应放大。例如，当处理大跨空间时，梁的高度可能会严重限制空间的净高。而对于建筑专业，除了满足必要的使用需求外，判断空间本身的三维尺寸、露明结构构件的尺度很大程度上依靠的是感性和直觉，即在特定的环境里，这个空间或构件需要“看起来大小合适”。这种对于同一问题的两种判断标准，是建筑和结构团队合作中经常产生矛盾的原因之一。

为了化解这种矛盾，我们需要与建筑师一起努力，采用各式各样的“障眼法”，保证最终的呈现既满足结构的受力需要，又满足“看起来合适”的感性要求：1）调整结构体系和结构布置，将影响尺度的结构构件挪移到不可见的部位（上一节已有详细分析）；2）在条件苛刻的部位，采用特殊的构件断面整合机电与结构空间，利用空腹梁、管线穿梁等手段，将机电设备管线所需的孔洞与结构梁板的空间压缩到一起，增加建筑的净空高度；3）在高大空间和大悬挑区域，当压缩结构构件不可行的时候，可以进行反向操作，如将梁、板等平面构件放大成桁架、箱梁等空间构件，将柱子放大为筒体，等等，即将结构构件整合为建筑空间界面的一部分，从而规避构件与空间的干涉和冲突；4）将建筑幕墙的立梃、栏板、栏杆等非结构构件，转化为结构主体受力构件或辅助受力构件，以达到结构的要求。

对于露明的结构构件，改变其截面形状是比较常用的方法。例如，大尺寸、正方形截面的柱子会显得比较粗笨，因而常将其设计为长方形或圆形截面；若是露明挑板比较厚重，则可以采用变截面，使其可见端的尺寸更薄，或者内外表面采用不同的曲面，以处理现在颇为流行的曲线建筑的结构空间问题。

对于一些关键部位的孤立构件，可同时考虑改变构件材料的组成和连接方式。例如，华茂艺术教育博物馆中唯一的柱子位于屋顶层，为了严格控制截面尺寸，在材料选择上，选用了承载能力更强、构造尺寸更小的钢管混凝土柱，并将其设计为两端铰接柱，减小其上大跨度梁的梁端弯矩对柱子弯曲造成的影响，让柱子仅承受屋面结构的竖向重力，让其他结构构件来承担水平荷载，从而达到控制尺寸的目的。

9 结语

任何优秀建筑作品的设计和落地，都是系统、复杂而艰苦的工作，限于篇幅，本文仅对建筑与结构配合过程中的部分内容进行简要的总结和分享。我们相信，唯有通过设计团队整体的协作和合拍的互动，才能建立起建筑艺术创作和工程技术实践之间的有效连接，让好作品落地，为使用者创造更好的建筑体验。

图片来源

1,11-13,17-22 侯博文摄影

2-4,8-10,14-16 CC&CB,Arquitectos 提供

5-7 中国美术学院风景建筑设计研究总院有限公司提供

1 匀质光线下的中庭空间

从外部看，建筑形体像是一个扇形截面的实体悬浮在场地之上。为了表现这种悬浮感，我们将坡道错位区域形成的矩形箱体设计为悬挑的空腹曲梁，让上部荷载向两侧传递。这个方案的难点是，整个箱梁悬挂于主体之外，两端并没有可以直接受力的支点。

From the outside,This building looks like a fan-shaped entity suspended above the site.In order to express this sense of suspension,we designed the box beam formed by the ramp dislocation as a cantilevered,hollow and curved beam,allowing the upper load to be transmitted to both sides.The difficulty of this scheme is that the whole box beam is suspended outside the main body,and there is no fulcrum at both ends that can be directly stressed.

2 剖面图

3,4 手工模型

我们利用中庭西侧和北侧的两片与箱梁垂直的墙体形成高大的暗牛腿，采用型钢混凝土墙作为箱梁的支撑点；同时，首层平面与长窗对应的坡道内侧的一片基本完整的墙体及其上下两块板形成“C”形传力结构，作为上部悬挑的支撑。

We use two walls,perpendicular to the box beam on the west and north sides of the atrium,as tall and concealed corbels.Steel concrete walls are used as the support of the box beams.At the same time,an almost complete wall and its upper and lower plates on the inner side of the ramp corresponding to the first floor plane and the ribbon windows form a "C"shaped force transmission structure as the support of the upper cantilever.

5 南侧支撑墙结构布置

6,7 箱梁恒荷载变形

8 建筑主体结构施工

9 混凝土结构施工

10 天窗混凝土结构施工

11 沿道路望向博物馆

12 长条窗强化了建筑整体的悬浮感13 首层与室外场地的关系

在条件苛刻的部位，采用特殊的构件断面整合机电与结构空间，利用空腹梁、管线穿梁等手段，将机电设备管线所需的孔洞与结构梁板的空间压缩到一起，增加建筑的净空高度；或者将建筑幕墙的立梃、栏板、栏杆等非结构构件，转化为结构主体受力构件或辅助受力构件，以达到结构的要求。

In the parts with harsh conditions,special component sections are used to integrate the mechanical and electrical space with the structural space.By means of hollow beam and pipelines through beam,the holes required by the mechanical and electrical pipelines are compressed together with the space of structure beams and slabs to increase the clearance height of the building.Or the non-structure components of the building curtain wall,such as uprights,railings and balustrades,can be transformed into stress components or auxiliary stress components of the structure to meet the requirements.

14 首层平面图

建筑东南两侧在2.20m 标高以上做了整体的悬挑，同时在2.20m 标高之下设置了展开长度达49m 的条窗，约是整个立面长度四分之三，条窗的通透进一步加强了建筑的悬浮感。

The southeast and southeast sides of the museum are overhung above 2.20m.Meanwhile,under 2.20m,a window with a length of 49m is set,which is about three quarters of the length of the whole facade.The transparency of the window further strengthens the sense of suspension of the museum.

15 窗口衔接处理

16 窗口细部轴测图

17 中庭两根圆柱形光源

18 从中庭望向顶部天窗

19 墙体、栏板材料的划分20 坡道

21 屋顶VIP 休息室

22 暴露的柱子