關(guān)于建筑與結(jié)構(gòu)辯證統(tǒng)一性的研究

劉成明　祝元英　徐俊生

摘? ? 要：建筑與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性是創(chuàng)造獨(dú)特建筑空間體驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素。微電影小鎮(zhèn)大門(mén)通過(guò)空間懸拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，塑造一處城市標(biāo)志。獨(dú)特的標(biāo)志環(huán)造型，在詮釋了影視播放機(jī)輪盤(pán)寓意同時(shí)，像城市天空中劃過(guò)的一道彩虹。

關(guān)鍵詞：特型建筑;大門(mén);標(biāo)志環(huán);空間桁架;城市地標(biāo)

隨著當(dāng)代建筑技術(shù)和建筑材料的發(fā)展，城市中涌現(xiàn)出了很多特型建筑。它們以其獨(dú)特的外觀造型構(gòu)成了城市的一道風(fēng)景。特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與新型建筑材料的應(yīng)用，為建筑師實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)作理想，提供了強(qiáng)有力的支撐和保證。象鳥(niǎo)巢、水立方、國(guó)家大劇院、大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)等明星建筑均反映了建筑與結(jié)構(gòu)的辯證統(tǒng)一性，體現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)高度融合，塑造了非同凡響的建筑空間。

本文以微電影小鎮(zhèn)入口大門(mén)為例，淺析建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的辯證統(tǒng)一性。

微電影小鎮(zhèn)位于湖南省臨武縣掛榜山下。大門(mén)作為小鎮(zhèn)的主入口，正對(duì)城市主干路晴嵐路，其拱形的標(biāo)志環(huán)結(jié)構(gòu)像一道從空中劃過(guò)的彩虹，成為臨武城市地標(biāo)。建筑構(gòu)思取自放映機(jī)的圓形輪盤(pán)，輪盤(pán)分為兩半，前標(biāo)志環(huán)面向城市，為入口標(biāo)志;后標(biāo)志環(huán)面向小鎮(zhèn)，通過(guò)上人觀光屋面可以俯覽小鎮(zhèn)，為展示窗口。前后環(huán)的水平投影形成為一個(gè)半徑為20.8m的圓。

前標(biāo)志環(huán)的長(zhǎng)半徑為31.961m，揚(yáng)起角度為45[°]。半環(huán)中心設(shè)寬12m的水幕，下方有一弧形水池，為減小風(fēng)對(duì)水幕的影響，環(huán)與弧形水池之間通過(guò)玻纖絲線連接。水簾沿絲線流下，通過(guò)電動(dòng)控制其壓力與流速，使其在有風(fēng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生飛霧。下方水槽容積根據(jù)水流量詳細(xì)計(jì)算，槽內(nèi)設(shè)加壓水泵，將水凈化后重新注入標(biāo)志環(huán)上方出水槽內(nèi)，循環(huán)使用。

后半環(huán)揚(yáng)起角度為21[°]，后標(biāo)志環(huán)的長(zhǎng)半徑為24.208m，其下覆蓋著小鎮(zhèn)游客服務(wù)中心。服務(wù)中心首層功能有紀(jì)念品商店、公廁、消防控制室、室外機(jī)房、儲(chǔ)藏室。二層設(shè)售票處和咖啡廳。 大門(mén)前設(shè)有約50m寬的集散廣場(chǎng)，游人可通過(guò)屋頂上木坡道步行進(jìn)入園區(qū)。

大門(mén)主體采用鋼框架與獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，擋土墻為250mm厚鋼筋混凝土墻。兩個(gè)標(biāo)志環(huán)絞點(diǎn)設(shè)鋼筋混凝土支座，支座采用樁基礎(chǔ)。

前標(biāo)志環(huán)采用空間桁架體系，建筑截面尺寸為3.6m[×]3.6m的方形，兩側(cè)向內(nèi)凹進(jìn)600mm做造型線腳。在此標(biāo)志環(huán)內(nèi)部設(shè)有水幕的上水管、儲(chǔ)水箱和控制系統(tǒng)，標(biāo)志環(huán)桁架內(nèi)部空間可容一人檢修通過(guò)。整個(gè)標(biāo)志環(huán)造型材料以銀白色鋁單板為主，局部使用黑色亞克力板做飾面，通過(guò)搭配拼接形成膠片的裝飾圖樣。兩環(huán)之間以拉索連接，增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鋁單板幕墻采用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金板材，其構(gòu)造主要由面板、加強(qiáng)筋和角碼組成。角碼直接由面板折彎沖壓成型，加強(qiáng)筋與面板后螺釘（螺釘直接焊在板面背面）焊接，增強(qiáng)了鋁單板幕墻的強(qiáng)度與剛性，使之成為一個(gè)牢固的整體。保證了長(zhǎng)期使用中的平整度及抗風(fēng)震能力。鋁板幕墻表面經(jīng)過(guò)鉻化處理后，再采用氟碳噴涂處理。

后側(cè)上人標(biāo)志環(huán)與建筑主體結(jié)構(gòu)相連，其鋼結(jié)構(gòu)以四根立柱支撐。鋼環(huán)外裝在施工過(guò)程中，由內(nèi)而外分步安裝。首先，在主梁上確定好鋼骨架支撐，然后做一層15mm厚纖維水泥板墊層，在其上鋪設(shè)防水卷材，然后再鋪扣鋁板飾面，板縫采用無(wú)色防水建筑膠密封。

前標(biāo)志環(huán)底側(cè)600mm凹槽內(nèi)安裝LED屏幕，屏幕多塊拼接成弧形。屏幕與小鎮(zhèn)內(nèi)的智能中控室連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送，展示宣傳小鎮(zhèn)活動(dòng)場(chǎng)景與游覽參觀動(dòng)態(tài)畫(huà)面。

入口大門(mén)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，包括鋼框架結(jié)構(gòu)、空間桁架結(jié)構(gòu)、拉鎖結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 雖然該建筑規(guī)模不大卻極具設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)空間模型搭建，反復(fù)分析和模擬關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力情況，不斷進(jìn)行計(jì)算與修正。在前期結(jié)構(gòu)方案中，考慮了采用箱型截面作為標(biāo)志環(huán)的受力管筒來(lái)解決其結(jié)構(gòu)問(wèn)題。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，箱型截面固然有強(qiáng)度儲(chǔ)備充足、結(jié)構(gòu)剛度大的優(yōu)點(diǎn)，但本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)力的主要占比成分是自重荷載和風(fēng)荷載，箱型截面不僅產(chǎn)生較大的自重，同時(shí)材料消耗也較大。結(jié)構(gòu)方案將錨固于大門(mén)建筑上的懸索作為45°地標(biāo)環(huán)的斜拉條件來(lái)平衡標(biāo)志環(huán)的傾覆荷載。經(jīng)過(guò)分析和比較，雖然大門(mén)的房建部分已經(jīng)承擔(dān)了標(biāo)志環(huán)的傾覆荷載，但框架自身受建筑使用條件的限制，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度非常弱，加之受制于建筑的使用功能要求，增加房建部分結(jié)構(gòu)平衡剛度將影響到實(shí)際使用功能。基于以上條件及對(duì)結(jié)構(gòu)特性的進(jìn)一步理解，后期嘗試標(biāo)志環(huán)采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計(jì)中將箱型實(shí)腹桿件優(yōu)化為空間桁架，結(jié)構(gòu)自重降低很多（降低約50%）。又經(jīng)過(guò)對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)多個(gè)軟件計(jì)算（邁達(dá)斯Gen、盈建科）復(fù)核，確認(rèn)了此建筑采用自結(jié)構(gòu)體系的可行性，最后采用空間桁架結(jié)構(gòu)。

標(biāo)志環(huán)采用Q345圓鋼，單個(gè)桿件最大軸力達(dá)到1745kN。樁頂反力計(jì)算中采用盈建科模型結(jié)果為1765KN，采用邁達(dá)斯模型結(jié)果為1533kN，計(jì)算結(jié)果接近，取較大值。標(biāo)志環(huán)位移分析為145/41287=1/284<1/250，按大跨結(jié)構(gòu)其最大位移滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算比值Mr/Mov為524。X向最大層間位移角：1/4136，Y向最大層間位移角：1/3213。X方向最大位移與層平均位移的比值為1.95，Y方向最大位移與層平均位移的比值為1.96。因?yàn)楸窘ㄖ矫婕柏Q向布置較特殊性，在地震荷載下二層最大位移僅為2mm，不足以對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全性構(gòu)成危害。標(biāo)志環(huán)的總體傾覆彎矩很大，作為一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)體系，其自身的穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)安全性的第一要點(diǎn)。所以在初步設(shè)計(jì)階段，要求地質(zhì)勘察單位對(duì)標(biāo)志環(huán)實(shí)際基礎(chǔ)點(diǎn)位完成地質(zhì)勘察工作。

在前面分析中，提到了將標(biāo)志環(huán)拉索作為裝飾性拉索來(lái)處理，避免其較大拉力對(duì)大門(mén)的房屋建筑部分的不利影響。雖然拉索部分采用了裝飾索來(lái)處理，但拉鎖本身長(zhǎng)度在45米，正常使用過(guò)程中，風(fēng)荷載會(huì)對(duì)其受力有較大影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮采用對(duì)裝飾拉索施加部分預(yù)應(yīng)力的方案來(lái)解決，同時(shí)在拉索交匯位置，分批次將臨近拉索通過(guò)鎖具進(jìn)行連接固定，從而降低拉索長(zhǎng)度。

拉索在兩個(gè)標(biāo)志環(huán)之間是交叉聯(lián)系的，每個(gè)拉索與標(biāo)志環(huán)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)弧度是相同的，所以由上至下，拉索之間的距離應(yīng)該是由小至大，上方幾個(gè)“人字形”拉索之間由于距離太近可能產(chǎn)生相互摩擦，對(duì)拉索受力產(chǎn)生不利影響，也會(huì)產(chǎn)生摩擦聲響。為避免拉索之間摩擦，在兩個(gè)距離較近拉索之間設(shè)置鎖扣固定，鎖扣由專業(yè)廠家按實(shí)際位置定型制作，樣品經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試樣檢驗(yàn)合格后使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張譽(yù)，趙鳴.空腹桁架式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1999（6）：11～17.

[2] 袁烽，劉宇揚(yáng).建筑與結(jié)構(gòu)之辨[J].建筑技藝，2019（6）：12～19

[3] 方如意.城市標(biāo)志性設(shè)計(jì)與城市地域文化[J].藝術(shù)探索，2010（6）：111～112