結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新與建筑效果實(shí)現(xiàn)

建筑設(shè)計(jì)是建筑師將自己的建筑思想與設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)的過程，一定程度上是感性的；而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則是工程師利用結(jié)構(gòu)技術(shù)支持建筑實(shí)現(xiàn)的過程，更多地表現(xiàn)為理性。因此建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合作，體現(xiàn)出感性和理性的融合。隨著現(xiàn)代建筑的發(fā)展，建筑在造型上不斷創(chuàng)新，空間構(gòu)成的變化使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念發(fā)生了重大變革，特別是中庭空間的出現(xiàn)和底部空間的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求，也需要結(jié)構(gòu)形式不斷創(chuàng)新。而經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念的創(chuàng)新則為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代建筑的特殊效果提供了依托。本文以廣東省博物館新館及廣州美術(shù)館這兩個(gè)項(xiàng)目為例，來展現(xiàn)結(jié)構(gòu)師如何通過結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新配合建筑師實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)構(gòu)想的過程和心得。

廣東省博物館新館

建筑設(shè)計(jì)

廣東省博物館新館位于廣州市珠江新城核心區(qū)花城廣場東南側(cè)，設(shè)計(jì)構(gòu)思源于中國精雕細(xì)琢的傳統(tǒng)寶盒，承載著歷史傳統(tǒng)、智慧及文化。項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)為香港許李嚴(yán)建筑師事務(wù)所有限公司，建筑合作設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院。

源于寶盒的設(shè)計(jì)概念使博物館建筑體形富有創(chuàng)意，建筑物四周懸挑，底部形成廣場，整體效果宛如放置在絨綢布上納藏寶物的文化器皿。博物館的空間組織概念取材于廣東傳統(tǒng)的象牙球工藝技術(shù)，室內(nèi)空間效果富于變化且層次深遠(yuǎn)，要求展廳內(nèi)形成一個(gè)大跨度無柱式空間，中間設(shè)置大面積的中庭。博物館的外立面設(shè)計(jì)也非常獨(dú)特，與象牙球的概念同出一轍，建筑外墻采用拉絲金屬板和穿孔金屬板，與玻璃和飾面屏風(fēng)相結(jié)合，塑造出玲瓏剔透的整體效果，形成強(qiáng)烈的視覺沖擊。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

廣東省博物館新館總建筑面積6.6萬m²，總高度為44.65m，共6層（地下1層，地上5層）。地面以上建筑平面外輪廓尺寸為114m×114m，對(duì)稱懸挑部分跨度23m；展廳內(nèi)形成內(nèi)部中庭，外部展廳為大跨度無柱式空間，內(nèi)庭58m×58m。內(nèi)外不同的大跨度空間且周邊無立柱對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了特殊的技術(shù)要求。為了實(shí)現(xiàn)建筑特殊的效果，地面以上的結(jié)構(gòu)體系采用了創(chuàng)新的鋼一混凝土組合懸掛結(jié)構(gòu)，主要受力構(gòu)件為內(nèi)置鋼管的鋼筋混凝土剪力墻、跨層雙向矩形鋼管混凝土預(yù)應(yīng)力桁架、鋼管與預(yù)應(yīng)力拉索組合吊桿、鋼一混凝土組合樓蓋。

根據(jù)建筑平面布局，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用建筑的豎向交通區(qū)域設(shè)置剪力墻作為結(jié)構(gòu)的抗側(cè)構(gòu)件和豎向承重構(gòu)件，平面上四個(gè)角筒對(duì)稱布置在中部68.5m×68.5m范圍的四個(gè)角部，角筒之間再均勻設(shè)置兩片剪力墻。為了增加其延性和整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能，保證剪力墻與鋼梁間的連接，剪力墻內(nèi)設(shè)置鋼管暗柱形成內(nèi)置鋼管的混凝土剪力墻并延伸至頂部大桁架下弦桿處，與桁架下弦桿剛接。對(duì)于外圍23.5m的展廳，考慮到建筑頂層的使用功能主要為博物館的辦公區(qū)及屋頂花園，對(duì)空間跨度要求不是特別高，結(jié)構(gòu)上利用該層設(shè)置大跨度的懸臂桁架作為主要受力體系，通過在桁架上設(shè)置吊桿懸吊外圍展廳，以實(shí)現(xiàn)建筑在最外圈無落地柱的效果。

懸掛結(jié)構(gòu)外周邊的豎向傳力采用內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼索的矩形截面吊桿，其中鋼吊桿為主受力桿件，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度及減小懸吊各樓層的振動(dòng)，軟吊桿預(yù)應(yīng)力鋼索作為懸掛體系的二次防線。對(duì)于中庭回廊，同樣利用桁架上設(shè)置的鋼管吊桿作為豎向受力構(gòu)件，既能實(shí)現(xiàn)建筑中庭的大跨度無柱式空間，又能平衡一部分由桁架外懸臂產(chǎn)生的彎矩。

由于本工程材料和構(gòu)件的特殊性，而且懸掛結(jié)構(gòu)體系對(duì)節(jié)點(diǎn)的要求特別高，節(jié)點(diǎn)的處理非常復(fù)雜，對(duì)不同的節(jié)點(diǎn)作不同的技術(shù)處理。除了要滿足實(shí)際受力要求外，同時(shí)還要滿足施工的可操作性以及起重機(jī)的吊裝能力等多方面要求。其中吊桿與三層樓面主框架梁連接節(jié)點(diǎn)采用不傳遞彎矩的構(gòu)造，使吊桿受力更簡單、更直接。

由于結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計(jì)要求施工受力模式與設(shè)計(jì)使用受力模式盡可能相一致。本工程最終選用高空拼裝和累計(jì)滑移方案，利用核心筒鋼管混凝土柱作為滑移的軌道支撐，屋蓋桁架采用液壓爬行器同步滑移就位。

本項(xiàng)目由于建筑造型獨(dú)特，六面幕墻洞口凹凸有致，而且部分洞口尺寸較大，完全通過幕墻來實(shí)現(xiàn)建筑立面效果有一定的難度。結(jié)構(gòu)上設(shè)置約3m×3m的空間鋼架作為外墻主支撐骨架，該體系跟隨建筑上凹凸或開洞的位置下沉或斷開，以實(shí)現(xiàn)建筑的立面效果。

廣州美術(shù)館

廣州美術(shù)館位于廣州市珠江南岸嶺南廣場東北側(cè)，以“水中盛放的英雄花”為題，突出建筑所反映的嶺南風(fēng)格和廣州地域特色，打造獨(dú)具特色的綠色建筑。項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)為Herzog+Partners Asia（德國赫爾佐格與合伙人建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所）和華南理工大學(xué)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院。

廣州美術(shù)館總建筑面積8萬m²，高度為40m，建筑平面尺寸為97m×97m，內(nèi)部設(shè)40m跨度中庭天光照明采集系統(tǒng)。建筑以廣州市花木棉花為造型概念，二層立面出挑，形成獨(dú)特地域氣候特色的“騎樓”建筑空間，建筑立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)和屋頂設(shè)計(jì)為多層光伏發(fā)電的“傘面”式結(jié)構(gòu)，起到獨(dú)特的裝飾及節(jié)能效果。

由于美術(shù)館主要功能為各種展覽空間，建筑對(duì)內(nèi)部柱網(wǎng)的跨度要求約20m，周邊懸挑跨度最大8m，且對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面限制較嚴(yán)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有針對(duì)性地采用了鋼管混凝土框架一鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系由外部鋼管混凝土柱鋼框架、內(nèi)部鋼管混凝土柱一鋼筋混凝土柱鉸接框架，及設(shè)置消能減震裝置的分散式剪力墻筒體組成。由于本項(xiàng)目框架剛度較弱，剪力墻承受水平作用較大但豎向作用較小，需采取措施有效改善剪力墻抗震性能；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在各層采用了梁柱互為鉸接而彎矩連續(xù)的新型鋼管混凝土柱梁柱節(jié)點(diǎn)，并通過分散式的剪力墻布置及創(chuàng)新的連梁阻尼器設(shè)計(jì)，可有效減小構(gòu)件尺寸、保證結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度及提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

建筑外立面為設(shè)置光伏發(fā)電構(gòu)件的花瓣造型幕墻，外圍框架柱采用與建筑外立面傾斜角度一致的斜向柱，以懸臂承托幕墻剛架。為保證建筑室內(nèi)豎直柱的效果要求，并控制各層懸挑跨度一致，外框柱為新型的變截面長橢圓鋼管混凝土斜柱，斜柱符合建筑效果要求，也可為長懸挑梁提供可靠的支座剛度，結(jié)構(gòu)受力合理。頂層區(qū)域則結(jié)合建筑辦公空間間隔采用了局部設(shè)置斜腹桿的空腹鋼桁架及輕鋼桁架結(jié)構(gòu)，中庭光屋蓋采用了簡潔的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了建筑屋面效果及通透采光要求。

結(jié)語

廣東省博物館新館項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系，廣州美術(shù)館項(xiàng)目提出新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件及結(jié)構(gòu)解決思路，全過程的精細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體、構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的承載力及抗震分析，以多種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)參考，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過技術(shù)創(chuàng)新成就了特別的建筑效果。