丁洁平易近建筑设计

弁言

构造设计如何融入建筑设计之中，一贯是构造工程师追求的设计目标之一，大跨度建筑设计为追求这类设计目标创造了很好的工程实践机会。

1 建筑造型与构造体系相结合

构造创新首先哀求构造要与建筑造型、建筑功能和建筑室内效果相折衷，构造体系选择要根据受力性能与建筑造型相结合，创造着力与形完美结合的受力体系。
通过三个工程案例解释在实践中如何实现建筑造型与构造体系的完美结合。

1.1 复旦大学正大体育馆

复旦大学正大体育馆[1-2]（图1）位于复旦大学南区体育中央内，是复旦大学百年校庆主会场，也是复旦大学建校100周年的重点工程。
体育馆的紧张设计理念为“海面上冉冉升起的太阳”，意寓着日日向上的复旦精神。

图1 复旦大学正大体育馆建成后效果

体育馆采取钢桁架-索-拱杂交体系。
屋盖主体构造采取脊桁架+纵向桁架，次构造采取拉索和飞拱构造（图2、图3）。
屋盖上空与水平面呈76°斜置的钢拱超过全体构造，大拱跨度为100m，象征复旦大学百年历史。

(a）主体构造室内效果

(b）主体构造支配

图2 屋盖主体构造

（a）屋面次构造室内效果

(b）屋面次构造支配

图3 屋盖次构造

构造构件须要通过合理的支配达到受力合理的哀求，表示力与美的结合（图4、图5）。

图4 建筑造型与构造体系

(a）拱的造型

(b）拉索与吊点支配

图5 拱吊主体构造

复旦大学正大体育馆采取拱构造承担部分屋面荷载，拱截面比较纤细，知足建筑造型的须要（图6）。
屋盖吊索形成琴弦式扇形支配，展现着力与形的柔柔之美。

图6 屋盖构造荷载分配

弧形桁架以及次钢管拱作为膜的支架，上覆白色具有较高透光率的PTET 膜材。
白天，室外光芒透过玻璃纤维膜进入室内，全体场馆被一种柔和、均匀的光芒包围，通透而又舒适；夜晚，室内的灯光透过屋顶漫射在夜空中，远了望去像一个冉冉升起的太阳（图7）。

(a）白天室内效果

(b）夜晚室外效果

图7 复旦大学正大体育馆建筑白天与夜晚效果

1.2 上海东方体育中央室外跳池塘

上海东方体育中央[1-2]（图8）位于上海黄浦江畔，浦东三林地块内。
体育中央包括主体育馆、拍浮馆和室外跳池塘，是2011年第14 届国际泳联天下锦标赛的核心比赛场馆。
室外跳池塘坐落于人工湖中的岛上，包含一个50m×25m的标准比赛池和一个30m×25m的跳池塘，其造型呈半月形，取名为“玉轮湾”。

(a）外不雅观效果

(b）室内效果

图8 上海东方体育中央建筑效果

室外跳池塘屋盖为悬挑型挑篷，由18榀悬臂钢桁架（图9）组成，其平面投影由外侧圆环和内侧偏幸的椭圆环构成。

图9 单榀桁架构造

18 榀形状相似的悬臂钢桁架沿着斜置的椭圆环排列，每一个构造单元的构思都来源于海上雄伟壮不雅观的帆船（图10）。

(a）整体构造支配

(b）单榀桁架间支撑和环梁支配

图10 整体构造

1.3 长沙国际会展中央

长沙国际会展中央[3]（图11）位于城市南部综合发展带上，包括南北登录厅、展馆、连廊、室外展场四个部分，总建筑面积约445100m2。
室内展览面积为177500m2，室外展览面积85000m2。
相邻两个展厅组成屋盖构造相连的整体，其平面投影为207m×162m，屋盖构造最大跨度81m，屋盖构造高度为18.9~32.1m。

图11 长沙国际会展中央

（1）构造体系屋面曲线垂跨比仅1/38，屋盖构造跨度81m。
屋盖构造体系选择张弦梁构造，主梁贴合屋盖造型支配，填补了下凹形态导致的刚度不敷的缺陷，又知足通透的不雅观感哀求，无需吊顶（图12、图13）。

图12 设计理念

图13 展厅构造轴测图

张弦梁拉索垂跨比为1/9.5，与主梁弧度相折衷，形成韵律的水波，构造受力与建筑美学相平衡（图14、图15）。

图14 展厅构造立面图

图15 单榀张弦梁轴测图

（2）下凹形张弦梁平面外稳定性下凹形的展厅屋盖张弦梁构造易发生平面外稳定性，采取以下方法防止其失落稳：

1）垂直张弦梁方向的次梁密布且与张弦梁主梁刚接连接，以担保屋盖构造具有足够的整体抗弯刚度。
2）撑杆打破性地采取H型钢，与主梁采取双板铰节点连接，在张弦梁平面内可迁徙改变，面外具有足够的抗弯刚度，知足下凹型张弦梁施工张拉和面外稳定性需求。
3）附加稳定方法：设计中在较高的撑杆两侧设置隅撑，提高安全冗余度（图16）。

图16 担保张弦梁面外稳定性方法

巨型且优雅的构造创造了通透简洁的巨型空间，优雅有力而富有韵律感的构造线条彰显建筑的美与力量感。
同组展厅仅以间距18m的鱼腹梁相连。
山墙立面柱紧张抵抗风荷载，以均匀开设圆角矩形孔的H型钢作为构件截面。
张弦梁撑杆H型钢截面高度较大，截面抗压承载力富余度较高，在H型钢腹板上开圆角矩形孔，与山墙立面柱相互呼应（图17）。

图17长沙国际会展中央建成后效果

2 建筑空间与构造支配相折衷

2.1 同济大学嘉定校区体育馆

同济大学嘉定校区体育馆[1]（图18）在构造设计与建筑设计相领悟，其构件层面和节点设计在表达建筑师理念上具有突出的亮点。
该体育馆采取单曲面的建筑造型，跨度为纵向76.5m，横向60m，包括有看台的体育馆和拍浮馆（图19）。

图18 同济大学嘉定校区体育馆

图19 体育馆内部空间

体育馆采取张弦梁构造体系，完美贴合建筑形象，创造了令人满意的内部建筑空间。
拍浮馆采取了可开合的张弦梁体系（图20），在知足建筑功能的同时，开合屋盖可以担保构造绿色环保，节省运营本钱。

图20 拍浮馆开合屋盖

在构件层面，体育馆引入导光管的设计（图21、图22），将自然光引入室内，节约能源，绿色环保。
对张弦梁腹杆和导光管进行了一体化设计，将导光管放在撑杆内部，避免导光管霸占建筑空间，创造了满天星的建筑艺术表达。

图21 屋面导光管傍晚效果

图22 撑杆与导光管的一体化设计

拍浮馆的滑动屋盖（图23）采取了屋面立面一体化设计。
将单层网格屋面和立面构造结合的设计可以将屋盖的轨道设置于地面，进而减少屋盖滑动对整体构造的影响，知足建筑功能的需求。

（a）拍浮馆内部效果

（b）滑动屋盖构造

图23 拍浮馆屋面立面一体化设计

在节点层面，拍浮馆开合屋盖的张弦梁撑杆与上弦采取了调皮过渡（图24），造型简洁都雅。
撑杆底部索夹节点采取了一体化设计，节点风雅都雅。

图24 拍浮馆张弦梁细部节点

对体育馆张弦梁下部索夹节点进行了风雅化设计（图25），将拉索支配在撑杆两侧，避免了却构对导光管的影响。
在施工张拉时，索夹节点可以许可拉索滑动，张拉施工完成后锁紧，避免了施工张拉过程中在撑杆上端产生较大的弯矩。

图25 体育馆腹杆拉索节点风雅化设计

2.2 济宁拍浮馆

济宁拍浮馆（图26）地上4层，地下1层，构造总高度为23m。
屋盖主体呈现连续折板形态，以纵向中轴对称。
屋盖纵向长度195m，横向最大宽度102m。

图26 济宁拍浮馆建成效果

侧部六边形蜂窝立面采取方钢管网格构造下包至室外地面（图27），承受竖向及水平荷载，并与屋盖主构造连为整体，使建筑造型直接表现于构造形式。

图27 构造整体模型

济宁拍浮馆屋盖构造的突出特点在于采取“上部主梁分叉形、下部拉索分叉形”的双Y形张弦梁作为中心屋盖的支配方案。
此方案在合理掌握跨中挠度的条件下，有效减少了用钢量；且自重和拉索预应力下的反拱值较为合理（图28、图29）。

图28 构造构思草图

（a）平面支配

（b）立面刚架效果

图29 构造模型

此外，拍浮馆墙面蜂窝刚架构造（图30）在知足建筑造型的同时，也为屋面张弦梁的延伸段供应了立面支撑，改进了却构刚度，增强了自身的面外稳定性，使构造设计与建筑设计完美契合。

（a）外部效果

（b）内部效果

图30 蜂窝刚架效果

2.3 重庆西站

重庆西站（图31）是中国西南地区规模最大的铁路客运交通枢纽，位于沙坪坝区与九龙坡区之间，以铁路为主，集长途汽车、公交、轨道交通等多种交通办法于一体，是重庆市方案的“三主两辅”客运交通网络中的一主。

图31 重庆西站建成后整体效果图

站房东立面采取全国车站中最大跨度组合拱支撑构造体系。
下拱受力跨度为108m、上拱受力跨度为192m，组合拱构造将屋面承重构造与立面幕墙构造完美组合起来，从而造诣了车站主入口处无柱的大气通透开敞空间（图32）。

（a）主拱构造

（b）建筑完成后的主拱

图32 重庆西站主拱构造体系

入口大厅幕墙构造设计采取了数字化设计技能，构造和建筑达到了完美结合，精彩展现了“重庆之眼”（图33）。

图33 “重庆之眼”效果

设计创新性地提出“采取无站台柱净水混凝土雨棚的设计创新实践”方案（图34），即以重庆西站雨棚为试点在海内大型铁路站房中首次采取现浇纯净水混凝土雨棚设计方案。

图34 净水混凝土站台

3 数字化新技能的引入

随着大跨建筑造型越来越繁芜，将数字化技能引入到构造设计中，不仅提高了却构设计的效率，同时提升了建筑与构造的领悟度。

上海交响乐团（图35）屋面为异形的净水混凝土薄壳构造（图36）。
为了找到构造受力最合理的形式，采取数字化技能，通过多次循环找出终极屋盖形态（图37）。

图35 上海交响乐团建筑效果

图36 屋盖形态

图37 找形过程

3.2 滇池水上乐园

滇池水上乐园（图38）为一个跨度200m的壳体构造，建筑造型和构造体系（图39）在方案阶段受到的约束较少，设计比较自由。

图38 滇池水上乐园建筑方案

（a）平面尺寸

（a）立面尺寸

图39 构造尺寸

在本项目数字化新技能运用到了极致，构造在知足建筑造型和建筑空间的条件下，进行了各种方案的比选（图40~42）。

图40 构造方案

图41 构造找形过程

图42 终极方案三维模型

4 结论与展望

构造设计创新不仅应建立在对传统构造体系和材料特性有深刻理解的根本上，还应从办理工程实际问题出发；其次要切实节制创新设计在全体设计中的权重，并让这种创新设计为各方所接管，末了要不断提高自身建筑教化，并让构造创新之美与建筑之美和谐统一，以达到构造设计的空想境界。

作者简介

丁洁民 全国工程勘察设计大师，同济大学建筑设计研究院( 集团) 有限公司总工程师

张月强 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司工程技能研究院繁芜构造研究所副所长

张峥 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司工程技能研究院院长

本文为“建筑构造杂志社”头条号原创文章，已获授权转载。

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