鋼結構建筑設計中結構體系化繁為簡的思考

董靜萍

(云南省設計院集團有限公司，云南 昆明 650228)

1 建筑結構概述

近幾年，建筑行業所呈現發展勢頭較為迅猛，在對項目進行設計和建設時，有關人員更傾向于引入先進理念與技術，希望能夠獲得更加理想的建設效果，而負責結構設計工作的人員，也逐漸將重心轉向創新與把控細節上，力求使所設計結構滿足行業、項目所提出的要求。從宏觀層面來說，結構所指代內容不再是傳統觀念所認為的堆砌梁柱，對其所提出要求自然也不再是隱藏和遮蓋。對大部分建筑而言，設計結構的過程，從本質上來說就是對結構加以表現的過程，建筑作為載體，可對結構精致度和美觀性進行直觀表達與呈現，以鋼結構為代表的部分結構，擁有較常規結構更為夸張的表現力，負責結構設計工作的人員，其職責主要是對建筑想要傳達的理念，進行系統而精準的闡述[1]。部分對結構語言擁有較高要求的建筑，所依托結構的形式往往更加復雜，無論是辨認、計算還是展開其他工作，均擁有較高難度，如何高效完成對結構脈絡進行理順的工作，在化繁為簡原則的指導下，完成梳理系統及后續環節，自然成為研究重點，下文將以具有代表性的建筑為例，對鋼結構體系所適用設計策略進行梳理，供有關人員參考。

2 結構體系設計

2.1 確定規律

若建筑方案復雜度較高，通常難以在短時間內對結構體系進行辨明，并對切實可行的設計思路加以確定，此時，設計師可先對建筑規律進行辨別，再以傳遞力的方式與路徑為依據，得出可為日后工作提供指導的結構體系，結合計算結果調整體系，使其趨于平衡，設計軌跡隨之形成。

以某文化藝術中心為例(如圖1)，該建筑主要由音樂廳、歌劇院和多功能廳構成，從外形來看，屬于典型的形態自由建筑，與科斯特地貌所特有山脈形態相似，屋頂多建設于主體建筑周圍，無論是獨有的造型，還是與自然相似的形態，均增加了辨認結構體系的難度。在對其進行設計時，設計師應對傳遞力的路徑進行分析，“山峰”是不規則屋頂，參照拱的方向對坐標進行設置，確保各拱都有與之對應的桁架曲線，且與屋頂走勢相契合。對各拱進行連接的構件為次梁，旨在使結構穩定性獲得有力保障。而山形大廳所對應首根坐標軸及末根坐標軸，均為以鋼筋混凝土為主要材質的墻壁，這樣做可使結構擁有更加理想的抗側力性能。出于使建筑呈現出良好漂浮效果的考慮，設計師決定將山形屋頂和云彩屋頂斷開，要想實現這一設計，關鍵要對人字形橋梁進行建設，三個端點分別對應三個支座，連接三個大廳，對傳遞力的路徑加以了解后，設計師自然會擁有更加清晰的設計思路，設計難度隨之降低[2]。

圖1 文化藝術中心

2.2 增強穩定性

在確定傳遞力的方向與路徑后，設計師就應將重心轉向對結構體系所擁有穩定性、整體性進行強化的方面，對設計工作而言，上述環節擁有無法被替代的作用。例如，某地所建設體育場，采用了懸索結構，此體育場共有座位六萬余個，由于體育場需要滿足的功能相對具象，將輪輻式屋頂轉變為不規則屋頂，經過數年實踐才趨于完善，對需要分階段建設的懸索結構進行融入，其難度自然不言而喻。此體育場的屋頂由兩部分構成，分別是外圈壓力環、自錨拉力環，任意軸向結構單元所對應結構均為五段結構，其構成分為受拉鋼索及空氣柱，懸挑距離的最大值為20 m，對其進行連接的構件為鋼索節點，數百個經過調整的鋼索節點，為懸空柱和拉力環的連接穩定性提供了保障。在對此體育場進行設計時，甲方要求分段施工，這是因為此體育場所承辦比賽數量較多，施工方要把握不同賽季的間隔時間，完成對體育場進行拆除及重建的工作。一般來說，只有完成主體結構的建設后，施工方才能安裝懸索屋頂，要想如期完成施工，最有效的方法便是同時對拉力環及壓力環進行建設，在此過程中，設計師應對以下內容引起重視：對壓力環進行安裝的位置相對固定，即結構上部，而對拉力環、軸向鋼索進行安裝的位置，多為內場地面，待壓力環安裝完成，再對二者進行拉緊并提升。

另外，此體育場還對懸吊觀景廊進行了建設，位于屋頂內沿的觀景廊，能夠給人以最直觀的震懾力。事實證明，懸索結構所表現出特征較為明顯，即用鋼量小、質量輕，當然，由此而產生的問題也十分明顯，其穩定性往往難以得到有力保障，風荷載成為屋頂形變的主要原因，由此可見，對結構進行動態分析很有必要，只有逐一核實不同工況所對應振動與形變情況，才能減小風荷載所帶來影響。驗算結果表明，柔性結構所出現振動，其持續時間往往較剛性結構更長，疲勞分析自然也成為需要設計師關注的重點，上文所提及景觀廊所處位置為拉力環之上，箱體所處位置均為軸向鋼索間，這也導致箱體運動、錯位與懸索屋頂擁有較高一致性，無論是變形的程度，還是其不規則性，均以較為明顯的方式被表現了出來，只有全面分析并設計箱體的連接細部，才能使其擁有更為理想的穩定性。

2.3 掌握傳遞路徑

調查所得結果表明，目前，一定比例建筑兼有簡潔的外表和復雜的結構，詳細來說，就是外觀并不復雜，對內在結構進行探究，卻發現對其規律加以掌握的難度較大，設計師既無法對梁柱進行簡單布置，又難以確保力得到順利傳遞。要想使上述問題得到解決，最有效的方法是以力學原理為切入點，對傳遞力的路徑加以確定，保證所選定傳遞形式可滿足高效且經濟的要求，待上述工作告一段落，設計師便可將力學路徑所得計算結果的最優值作為依據，展開結構設計等工作[3]。

此類建筑的代表為海爾布隆博物館，此博物館擁有相對清晰的結構體系，鋼結構桁架和混凝土核心筒是承重的主要結構，但是，此博物館對力進行傳遞的路徑并不清晰，出于增強旋轉漂浮感的考慮，設計師在外立面對貫穿建筑的時空線進行了規劃，并將此時空線打造成為交通動線，這樣做的目的是給參觀者帶來連貫且完整的體驗，不同樓層均以樓梯角度為依據，不規則地進行旋轉。在對外觀進行設計時，設計師對玻璃幕墻和時空線進行了疊加處理，突出了建筑的通透感，時空線所在區域，均無斜撐桿件存在，換言之，此博物館的一層到五層，均借助立柱對豎向載荷進行傳遞，結構穩定性、水平荷載，則要將力向其他區域進行傳遞。不同的旋轉角度，決定各樓層對立柱進行設置的區域，僅為下層與上層的交叉點，這樣設計可使力獲得更為直接且有效的傳遞。出于使豎向構件達到對位要求的考慮，設計師選擇對桁架結構所對應角度進行調整，旨在確保交叉點擁有對齊立柱。除此之外，設計師還綜合考慮多方因素，對計算模型進行了多次調整，使模型擁有和實際高度一致的細節，以此來達到驗證猜想的目的，所建設博物館自然也擁有了和預期相符的良好效果。綜上，對此類建筑進行設計時，設計師可將傳遞力的路徑簡化為結構布置，以傳遞路徑為依據，確定結構設計方向，真正做到化繁為簡。

3 結 論

通過對上文所敘述內容進行分析可知，要想對復雜建筑進行高效設計，關鍵是確定規律，對結構體系所對應內在聯系加以明確，在此基礎上增強穩定性，通過對結構細節加以完善的方式，確保各構件所擁有性能均可獲得應有發揮，待上述工作告一段落，再以化繁為簡原則為指導，按部就班地完成后續環節，使結構體系展現出最優性能。

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