東南亞大跨空間及高層結(jié)構(gòu)工程考察有感

牛秀博

(同濟大學(xué)，上海 200092)

1 考察概況

筆者近日參觀考察了新加坡、馬來西亞部分優(yōu)秀的大跨空間、高層結(jié)構(gòu)實際工程。建筑類型涉及機場、歷史建筑、清真寺、觀景塔臺、超高層建筑等，結(jié)構(gòu)體系涉及空間桁架、單層網(wǎng)殼穹頂、索膜結(jié)構(gòu)、空間索桁架結(jié)構(gòu)等(見圖1～圖4)。

圖1 新加坡濱海灣金沙酒店

圖2 殖民時期歷史建筑

圖3 吉隆坡雙子塔

圖4 濱海藝術(shù)中心

這些工程均為當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘目胺Q經(jīng)典的現(xiàn)代建筑，結(jié)構(gòu)類型豐富、實現(xiàn)的手段各不相同，但都具有體系構(gòu)思巧妙、傳力明確簡潔、加工制作精細等的特點，在一定程度上體現(xiàn)了大跨空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建造水平先進。了解這些工程的設(shè)計特點和近距離觀摩具體節(jié)點做法，對我們改進結(jié)構(gòu)設(shè)計思想和理念、拓寬空間結(jié)構(gòu)方案設(shè)計思路有很大的啟示作用。

2 考察思考與收獲

近年來，形態(tài)各異的大跨空間結(jié)構(gòu)在我國得到越來越多的應(yīng)用，但總體而言，大跨空間、高層結(jié)構(gòu)的項目始終存在單一的注重結(jié)構(gòu)安全性而結(jié)構(gòu)選型不夠新穎、實現(xiàn)手段比較貧乏的問題。現(xiàn)階段，對于建筑師的創(chuàng)意，結(jié)構(gòu)工程師基本可以做到能“實現(xiàn)”，而往往不能做到能有特點的“實現(xiàn)”。反觀這次參觀的這些工程，無論是精致的人行橋還是大空間的清真寺，暴露在外的結(jié)構(gòu)往往可以給人形態(tài)獨特、輕巧，傳力明確、合理的直觀感受，與建筑功能有非常好的融合，具有結(jié)構(gòu)的美感，使我們能很明顯的感覺到在這一領(lǐng)域自身設(shè)計水平尚有不小的差距(見圖5～圖8)。

通過近距離的觀察，我們發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)實例其實使用的也是我們并不陌生的結(jié)構(gòu)元素，像空間桁架、索桁架、斜交網(wǎng)格等等。這些結(jié)構(gòu)類型在國內(nèi)的工程實踐中，我們也曾有過許多成功的應(yīng)用。但當(dāng)這些結(jié)構(gòu)元素通過疊加、旋轉(zhuǎn)、扭曲、相交、切割等等一系列手法組合成渾然一體的空間結(jié)構(gòu)體系以后，都變得獨特、新穎起來。經(jīng)過對比和反思，我們認識到，與這些優(yōu)秀的設(shè)計作品相比，我們目前的大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的核心差距主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)造性、結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用的靈活性方面，可以說這是我們此行的最大收獲。

圖5 新加坡Double Helix Bridge

圖6 Double Helix Bridge局部節(jié)點

圖7 馬來西亞國家藝術(shù)中心挑檐

圖8 某鋼橋局部

如何提升我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的創(chuàng)造性以及靈活合理的運用各種結(jié)構(gòu)元素的能力，我們認為可以從以下方面入手。

首先，對于各種結(jié)構(gòu)元素的原理和本質(zhì)，我們需要進行深刻的理解。建筑的安全性是結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要使命，也是結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的前提。常規(guī)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的日益細致，結(jié)構(gòu)安全性的判斷已經(jīng)變得相對簡單和機械。而大跨空間、高層結(jié)構(gòu)體系傳力形式通常比較復(fù)雜，解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全問題并非易事。尤其是在只有大的輪廓和設(shè)計意向的時候，由于結(jié)構(gòu)的形式和單元沒有確定，無法依靠計算機分析完成結(jié)構(gòu)創(chuàng)意和方案;而在尋求變化進行創(chuàng)造時，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中也會經(jīng)常產(chǎn)生新的沒有被充分認識的問題，往往也不能在規(guī)范中找到相應(yīng)的條文作為依據(jù)。除了計算機和規(guī)范，大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)意和方案，更依賴于設(shè)計者對于結(jié)構(gòu)原理和本質(zhì)的深刻理解。

無論是連續(xù)的實體結(jié)構(gòu)形式還是離散的結(jié)構(gòu)形式，大跨空間結(jié)構(gòu)中受壓單元和受拉單元是結(jié)構(gòu)設(shè)計中最基本的受力單元，壓力和拉力的力流和力的平衡是最簡單的結(jié)構(gòu)原理，但是千變?nèi)f化的壓力和拉力的組合方式和平衡方式足以形成令人眼花繚亂的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，從廣義上來說，尋求最符合建筑環(huán)境功能需要的合適的組合形式就是創(chuàng)意的形成過程。所有的結(jié)構(gòu)創(chuàng)意歸根結(jié)底都需要看似簡單的結(jié)構(gòu)原理，如力流、壓環(huán)、拉環(huán)、彎矩圖、穩(wěn)定的形式、機構(gòu)的形式等，決定了結(jié)構(gòu)創(chuàng)意的可行性。對基本原理的重視和理解應(yīng)該是融入到結(jié)構(gòu)設(shè)計者的日常思維中，不需要經(jīng)過猶豫和思索就能夠在需要的時候靈活應(yīng)用。這樣的能力是大跨度空間結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的最根本的技術(shù)支持，認識到這一點后經(jīng)過日積月累的學(xué)習(xí)領(lǐng)悟和補充是可以得到加強的。

從已經(jīng)建成的各種各樣的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)和理解結(jié)構(gòu)中用到的基本原理，再從已經(jīng)掌握的簡單結(jié)構(gòu)原理發(fā)展到合適的符合環(huán)境功能的結(jié)構(gòu)方案，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計的認知水平螺旋上升的過程。由平面延伸到空間，由規(guī)則平面拓展到不規(guī)則的曲面，從簡單的結(jié)構(gòu)原理出發(fā)，結(jié)合想象力的排列、組合、疊加、旋轉(zhuǎn)、扭曲、相交、切割，從而發(fā)展得到豐富多變的空間結(jié)構(gòu)形式，從而營造出創(chuàng)造性的建筑形態(tài)(見圖9，圖10)。

其次，對于結(jié)構(gòu)細部、節(jié)點的設(shè)計，我們需要相當(dāng)?shù)闹匾暋＜毠?jié)決定成敗，這一觀念在大跨空間結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計中尤為貼切。在復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)體系構(gòu)思完成后，連接、支座等結(jié)構(gòu)細部的節(jié)點能否實現(xiàn)決定了結(jié)構(gòu)是否可行、安全，而節(jié)點是否能設(shè)計的細膩、精巧和美觀則很大程度上決定了整個結(jié)構(gòu)體系的觀感。

圖9 太子城清真寺

圖10 國家清真寺內(nèi)部

重視結(jié)構(gòu)細部和節(jié)點設(shè)計，并在日復(fù)一日的工程設(shè)計實踐中有意識的積累，對于結(jié)構(gòu)工程師在大跨空間結(jié)構(gòu)體系概念設(shè)計階段靈活的組合應(yīng)用各種結(jié)構(gòu)元素也將提供技術(shù)上的有力保障，同時也能對結(jié)構(gòu)創(chuàng)新思維的火花提供充沛的能量。

東南亞考察之行，給了我們近距離觀察當(dāng)?shù)馗咚娇臻g結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)工程的難得機會。這些優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計作品，帶給我們結(jié)構(gòu)設(shè)計理念上的沖擊，也有技術(shù)使用思路上的啟發(fā)，而更多的是促使我們進行反思。這些感受都是我們此行的收獲，也都將成為難得的營養(yǎng)，推動我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計水平在創(chuàng)造性、靈活性上穩(wěn)步的前行。