建筑空间与结构整合设计策略研究

2022-02-25李勇军

四川水泥 2022年2期

关键词：传力构形构件

李勇军

（南京兴华建筑设计研究院股份有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

结构与建筑系统的功能整合，整体出现主要是结构与建筑系统的一体化。结构技术与建筑空间的关系密切相关。结构技术的作用是帮助建筑物建立稳定安全的空间和外部形式。因此，结构设计与建筑形式存在着必然的联系。

1 结构和建筑整合的要素、原则及流程

1.1 建筑与结构整合要素分析

结构的组成要素包括几何、材料及传力，几何的要素包括定位、长度及关系等；材料的要素包括工艺、用量及材料性质等；传力的要素包括作用点、方向及大小等。结构设计工作需要使用用量合适的材料、确定合适的几何形状来承担预计荷载。几何与材料整合形成了结构的形态和空间；几何与传力的整合为结构确定最合适的力的平衡机制；材料与传力的整合构成结构找形的操作，通过整合来确定最合适的抗力物化形态。

1.2 结构设计原则

建筑与结构整合时要遵循构形、效能和清晰的原则。构形是整合的起点，是让建筑和结构在基本形态和视觉上建立联系的基础；效能是对整合的提高，是对结构系统和建筑功能的优化；清晰则是对建筑与结构整合成果的表达。

1.3 建筑信息模型（BIM）的应用

1.3.1 建筑信息模型的特点

建筑信息模型可实现信息的共享及交互，可实现形态优化、碰撞检测、设计建造全程信息的实施交换及确保视觉整合的形式美观，利用建筑信息模型在信息共享及交互方面的优势可以为整合设计带来很大便利。

1.3.2 目标及对象的确定

建筑信息模型的优势在于分析性能、设计算法及协同设计，可利用建筑信息模型来实现对子系统的优化。要将性能整合作为目标来提高建筑系统性能，不能仅局限于碰撞检测、构件修正、确定比例及尺度等方面。

整合对象选择是否合适会对整合目标达成造成直接影响。对不同的构件进行信息处理只能整合不同构件，不能从整体上进行整合。例如只选择幕墙构件开展构造分析及能耗分析，那么只能开展对幕墙子系统的整合设计，不能将设备及结构等系统纳入整合设计中。这就要求合理选择整合对象。

1.3.3 多学科介入建筑整合设计时需要多学科接入合作，除了与建筑相关的专业以外，还需要将拓扑优化、几何及数学等专业纳入其中。

1.3.4 建筑与结构整合的流程

基于建筑整合设计思维的引导确定目标，确定整合对象及整合要素，使用BIM技术平台来实现对建筑和结构的整合，其操作路径如下：

（1）建立整合思维。建立整合设计思维，凸显结构驱动建筑设计的作用，通过优化结构性能来提升建筑系统的性能，体现出结构属性对建筑的意义。

（2）建立整合平台。组建整合团队，设备师、建筑师及结构师都要密切配合，根据制定的整合设计目标合理选择软件平台如Revit、Catia等，分析结构的形态特征选择容易优化、修改及编辑的插件或软件，从而分析结构的效能和形态，为与其他专业的协同作业提供便利。

（3）选取整合对象。准确选择整合对象，这对整合结果具有直接影响，应选择结构元、体系、界面及空间等开展整合。

（4）整合的建筑要素及结构要素。确定整合对象后需要分析与整合对象密切相关的要素如围护、几何、外力、内力、功能、空间及环境等。

（5）分解细化要素。从建筑及结构两个方面分别寻找整合要素的对应关系，例如确定整合要素为几何时，应从结构的传力路径、构件组织及形态设计等方面均基于几何规则进行整合，建筑的界面划分、空间形态及造型等方面也要尽可能满足几何规则的要求，这样才能实现深层次整合。

（6）自性整合。优化整合对象的自身属性，从而为提升整体性能奠定基础。例如优化结构构件的性能及形态后才能为下一阶段的整合设计创造前提。

（7）功能整合。以自性整合为基础，进一步提高整合对象对系统的贡献，通过分析、提取整合对象的共性来实现互动协同。

（8）表达整合成果。表达整合成果时要寻找到自行表达与功能属性逐渐的平衡，例如要想强调结构的空间属性就会造成结构的承载属性减弱，反之亦然。

2 构件及组合

设计构件单元式需要立足于材料、几何及传力的基础上，采用拓扑变换的方法推演构形。

就柱元的构形上，柱元具有承受轴压或压弯的作用，是典型的垂直构件。柱元的构形应重视长柱的稳定性，以柱的弯矩图及屈曲变形图来开展设计。柱元构形式可以采用长柱适合、两端固结及两端铰接的策略开展设计。对短柱而言，宜采用实体截面，采用两端固结或两端铰接的方式来均匀分布内力；对长柱而言，宜采用格构化截面，以控制材料用量为前提来增加截面的尺寸进而确保稳定性。

就梁元的构形上，梁元属于典型水平构件。梁的跨度较小时可不考虑平面外稳定，但跨度较大时需要增加稳定支撑来保证平面外稳定。梁构件的两端支座条件会对梁的变形图和弯矩图带来直接影响，例如采用连续梁对降低跨中弯矩的效果明显。优化梁元时，可以从体系拉压、体系压力、体系拉力及截面四个方面着手。

梁、柱刚性连接形成单层框架，刚架的形态与梁、柱组成部分、支座条件等有关。刚架构形设计时，可采用不同梁柱组合、格构化及弯矩图拟形的方法来进行设计。

就构件的组合构形上，要确保结构整体能获得抗力，确保结构整体空间传力，不同方向均保持稳定。应遵循几何变换法则，采用分形、交叉、旋转、平行等方法来构形从而生成不同的空间[1]。借助上述两项法则开展构件组合可在构件的组合构形上进行创新，例如对梁、柱组合关系进行调整，可以让结构传力方式改变，赋予结构功能属性，见图1。

图1 通过梁、柱断开改变结构属性

3 建筑与结构的功能整合

3.1 界面整合的策略

3.1.1 减少材料的使用减少材料的使用有两个含义，一个是指减少材料的使用，在使用最少材料的前提下获得足够的抗力性能；另一个指的是材料的种类少。材料极少代表着结构极轻，使用极少的材料来确保结构的安全性与合理性，这与人们对传统结构的认识不同，从而取得材料上的少与人们对结构感知上的多。图2是纽约苹果旗舰店全玻建筑，该建筑结构大量使用玻璃，楼梯踏步、承重曲梁、梁、柱均为玻璃支撑，结构材料种类的少带来了高度透明的空间氛围，也减少了结构承重，从而让人们形成深刻的印象[1]。

图2 纽约苹果旗舰店全玻建筑

3.1.2 几何抽象

通过几何抽象来加强结构感知，其特征在于：第一，外界面承重，也就是由建筑的表皮来作为结构性界面，将楼层空间释放出来，通过对建筑界面和结构开展整合升级来保证建筑界面几何特征得到满足，又保证建筑界面的建构特征和厚度感足够。第二，表皮连续，通过足够的界面来形成形式特征，从而实现连续传递结构荷载，确保空间围护闭合[2]。

3.1.3 传力转换

结构的作用在于沿着相应路径将荷载传递给大地，为了提高结构效能应选择便捷、简短的路径，这与效能原则是符合的，但效能最优是，空间中结构的存在感却未必会受到关注。为了强化结构的存在，可采用传力转换的方式，转换传力路径除了是对结构构形的强化以外还可以很好地实现界面整合和获得结构空间，这是因为通过传力转换可以让建筑水平拓展和竖向叠加的方式出现改变，可以增强结构的界面感知和空间存在。可以采用切角转换、架空转换、吊挂转换等方法实现传力转换，见图3。

图3 传力转换图示

3.2 结构渗透

结构渗透是结构三维空间构形到二维界面表达的过程，以结构形态和结构空间表示。结构渗透体现了结构驱动建筑设计从而改变空间体验。结构渗透设计时，可以采用通过结构离散实现空间渗透、通过结构连续实现空间流动及从结构的骨转变为建筑界面（骨包皮）的策略实现[3]。

4 建筑空间与结构整合的措施

4.1 内部空间整合

以内部空间为主，采用限定内部空间和结构围合的方法来对空间的属性进行改变。整合内部空间时，建筑师需要考虑到结构构件这一因素。结构在引导和组织空间、围合中庭和无障碍楼层创造等方面都具有无可替代的作用。

4.1.1 结构引导和组织空间

在结构构思的指导下对传统结构体系进行解体重构，排布、组织结构构件，充分凸显出结构构件在空间的组织和引导中的作用，这能创造出令人惊喜的空间效果。结构在组织、引导空间时可以作为点和面等不同元素。例如设计时可以重新组织楼板构件和水平柱构件，使用不规则的配置方式来创造内部空间，可以将管线和楼电梯布置到网格支柱内部，使用结构构件来引导、组织建筑空间。

4.1.2 结构围合中庭

中庭可实现空间的共享，可以组织空间，给人们带来良好的自然空间体验。中庭可以引入自然光，且具有改善通风的作用，因此其对减少建筑能源消耗具有积极作用。创造合适的中庭空间是现代建筑中非常重要的一部分，设计中庭需要将开口布置在结构的中间部位，这也就要求由外围来负荷结构的荷载，主要使用结构外围构件来发挥传力的效果。

对高层建筑而言，设计中庭时应采用外核模式，在建筑外围布置抗侧构件和竖向承重构件，使用巨型结构。

4.1.3 无障碍楼层中结构的应用

无障碍楼层为自由分隔提供了条件，其空间灵活性高，可以满足多种功能需求。无障碍楼层中，结构的应用可采取以下几种方式：第一，空间结构外围化布置；第二，纵向展开的巨型梁、柱；第三，尽量减少柱子的数量，将柱子布置在外围。

4.2 外部空间整合

4.2.1 悬挑

采用悬挑的手法可以创造出不稳定感和重量感，这种手法在空间和建筑造型的创造中较为常用。悬挑可以让室内空间的深度得到增加，可以扩展建筑外部空间的范围及层次，因此这种手法是应用较多的手法。从结构的解决方案上进行划分，悬挑包括空间结构悬挑、板加强、桁架悬挑和层加强等。从建筑的尺度上进行划分，悬挑包括多层悬挑、层悬挑和板悬挑等。

多层悬挑的结构多为采用斜撑加固来实现多层板、梁共同受力，从而形成桁架结构，或空间结构、桁架结构的悬挑。层悬挑结构可采用空间结构、桁架结构的悬挑，上下层板、梁经斜撑加固共同受力或经过加强的梁、板等。板悬挑可以使用桁架、网壳、网架结构等，也可以使用加强的梁、板。

4.2.2 底架悬空

当基地需要跨越铁路路线、文物古迹或城市道路时必须采取建筑底架悬空的方式。底架悬空的方式可以让建筑外部空间与内部空间实现过渡，也可以在建筑内部中引入城市空间。就底架悬空的处理手法上，可以使用以下几种手法：第一，将空间结构应用于上部结构中；第二，使用巨型结构、巨型梁或者巨型柱等来强化水平构件，减少竖向构件的使用；第三，使用桥式结构来跨越一定跨度。

4.2.3 空间界面的整合

建筑空间界面与结构整合时，可以采用结构构件对空间和界面的渗透关系进行调整，调整空间的开敞程度及私密性，进而塑造空间界面的属性。要基于空间的需求，将结构构件适度、合理地布置在界面中，不能局限于结构体系的约束。

结构构件以线状居多，构件的尺寸比建筑构件的墙的尺寸更小，且结构构件可连续，可以使用结构构件实现空间界面的渗透和流动。为了营造出渗透、流动的空间效果，对不大的建筑可以采用连续屋盖结构覆盖的方法[4]。

就空间界面的透明与弱化处理上，建筑师在设计建筑时需要对建筑的体量进行弱化，尽可能减少对环境造成的破坏从而让建筑与环境融合。采用尽可能透明的空间界面来让借用景观及实现建筑内外部空间的交流。为了实现这一点可采用透明、轻盈的结构，就结构上可选择张拉索体系，这一体系的特点在于效能高、结构构件的尺寸纤细，这能减少建筑结构对建筑内外部空间的交流、借用景观带来便利。