即興的合舞
——淺談西扎兩座博物館建筑設計與結構的協作

2021-11-13 12:58:54申屠團兵陳永兵趙遠鵬ShentuTuanbingChenYongbingZhaoYuanpeng

建筑技藝 2021年8期

申屠團兵陳永兵趙遠鵬Shentu Tuanbing Chen Yongbing Zhao Yuanpeng

鳥瞰?侯博文

1 源起

優秀的建筑作品能夠有力地推動行業技術和社會文化的發展，而工程技術則是確保這些作品得以落地的保障，它不但技術要求高、工作強度大、實施周期長，而且要求在注重技術的同時，也注重對建筑藝術和文化意義的理解，需要有從建筑整體環境、形體空間一直到具體的建筑構配件、建筑細部的整體性細思維，在符合技術經濟的要求下，追求建筑創新，努力提升方案實現度。近二十年來，筆者所在的團隊有幸與國內外諸多著名建筑師合作，其中與王澍老師的合作始于2004年的寧波五散房，其后又相繼完成了中國美術學院象山校區二期、寧波博物館、富春山館、臨安博物館等作品。與西扎及卡洛斯團隊的合作始于2012年的中國美術學院國際設計博物館。華茂藝術教育博物館是雙方合作設計的第二個作品，自2020年11月開館以來，受到業界的廣泛關注。近期受邀參加了該項目的品談會，有感于專家們就項目的工程設計協作、建筑方案實現度的聚焦討論，特此撰文淺談工程設計階段建筑和結構協作中的一些體會，以饗讀者。

2 邊界

建筑是特殊產品，不僅要滿足人類活動的安全、正常使用，而且應綠色環保、經久耐用。在技術條件、投資控制的約束下，各國都制定了相應的規范標準。對結構設計而言，嚴守結構安全和規范標準是邊界紅線。各種設計創新、探索必須控制在這個紅線范圍以內，否則建筑就會變成空中樓閣，甚至危及人身和財產安全。當然，在這個邊界紅線內，建筑師和結構工程師仍有很大的創造和發揮空間，而結構設計工作的著力點和切入點正是對這些可能性的發掘和探索。

3 創新

工程技術的創新應用作為手段，服務于建筑空間的創新。現代結構技術的發展以及結構分析手段的提高，為建筑師營造更新穎、更復雜的空間提供了更大的自由度和技術支撐。但是目前建筑結構材料技術并無大的突破，適用于大型公共建筑的基本結構材料依然是鋼筋混凝土和鋼材。因此，在無法脫離重力桎梏語境下的結構技術創新應用，只能依靠建筑師和結構工程師一起從最基本的力學原理出發，通過借鑒、類比、提升等手段，從建筑結構設計的具體構成、形態、尺度及組合方面進行探索。

4 落地

建筑評判的對象是最終建成的實體，而非止于圖紙、模型、效果圖這些手段和工具，設計的落地性和完成度是設計價值得以體現的保障。因此，保證設計意圖的落地、標準的約束和技術創新應用的有機統一，是我們工作和思考的重點。在建筑工程中，結構工程師相對于其他專業，往往與工程現場聯系更為緊密、頻繁，施工現場遇到的各類技術問題往往會第一時間反饋給結構專業。因此，在長期的工程實踐中，結構工程師對于國內工程技術水平的現狀會有比較深入的了解。利用這些年積累起來的工程經驗，我們在與建筑師合作的過程中，尤其是與大師們合作的這些復雜項目，在方案階段就會要求盡早介入，對后續落地實施中可能遇到的各類難題給予提示，并共同思考解決的預案和設計調整的方向。

5 合舞

在這種共同探索的過程中，建筑師和結構工程師需要保持持續的互動，這有些像太極推手或是雙人舞，互動的雙方你來我往、較勁使力。太極推手的結果是一方被推倒，分出勝負，而舞蹈的特點是大家踏著一致的節奏、步調，相互協作完成，其目的不是分出勝負，而是為了最大限度地實現主創建筑師構建的作品愿景，為使用者提供更優的建筑體驗。因此，我們更愿意將其比喻為一種舞蹈。但是這場“雙人舞”無法事先編排，只能根據具體的環境條件，不斷調整步伐、路線，即興而為，這也是本文標題的由來。

6 合拍

2016年4月，為了盡快建立兩個團隊在中國國際設計博物館和寧波華茂藝術教育博物館設計協作方面的默契，筆者赴葡萄牙與西扎及卡洛斯團隊當面交流。期間參觀了他們的部分建成作品，感受設計所呈現出的獨特建筑風格、形體、光影、空間，考察作品中成熟的用材、技術及構造體系。在整個合作過程中，我們也體會到，越是優秀的主創建筑師對建筑結構及其他相關專業的掌握也越深刻，他們的概念方案往往已經包含了關于結構體系和機電系統的設想。在交流與溝通中，他們也非常尊重結構設計師的意見，經常通過幾句話、幾筆潦草的簡圖，就可以立即理解結構專業的訴求并迅速做出建設性的回應。在面臨難題時，盡量找到“第三條道路”，綜合性地解決建筑和結構問題。

7 迷宮

與建筑設計類似，結構設計也是一個從技術概念方案開始，層層深化推進的過程。在這個過程中，最核心的內容是逐步構建和優化荷載作用的傳導路徑。一個清晰、高效的傳力體系是整體建筑結構遭受荷載作用時，滿足穩定、剛度、強度、防連續倒塌的重要保證。根據建筑高度和形體空間的不同，結構設計重點關注的荷載和作用類型也有所不同。高層建筑常關注水平荷載作用的高效傳遞，而低矮的建筑更關注重力荷載傳力途徑的構建。重力荷載最基本的傳力路徑是樓層板——樓面梁——墻、柱、支撐等豎向構件——基礎。對于普通建筑來說，豎向構件大多上下貫通連續，結構布置比較容易，但在特殊項目尤其是文化類的公共建筑中，出于功能流線和建筑空間藝術的需要，傳力體系中的某些部位常常被打斷，無法形成一路向下且直接的傳力路徑。這時就要求結構工程師重新構建比較復雜的傳力路徑，以滿足建筑設計的要求。最常見和簡單的情況是局部抽掉柱子的結構轉換，當情況更為復雜時，還要采用桁架轉換、懸掛等多種方式，甚至使荷載上下、左右轉換，形成曲折的力流路徑，我們把這種情況比喻為重力迷宮。下文以中國國際設計博物館和寧波華茂藝術教育博物館為例，解析這類迷宮形成的過程。

7.1 中國國際設計博物館

在中國國際設計博物館的設計初期，建筑方案初看是形體簡潔的3層建筑和方整的空間單元，除了部分入口處的體塊懸挑、較重的外立面石材干掛外，似乎看不出對結構有什么挑戰。根據直觀判斷，結構選型可以采用最常規的鋼筋混凝土框架結構體系，這與建筑師最初的結構設想一致。然而，我們仔細研究方案后發現，限于場地、流線和內部功能的需求，建筑師將幾個大空間的展廳布置在建筑西側體量的一、二層，一些小開間的研究辦公空間布置在頂層，正好是大空間的上方。更具挑戰的是，雖然外立面開窗很少（主要集中在底層入口庭院周邊和二層圍繞三角形內庭院的周邊區域），但是這些窗都是超長的條窗，而且根據建筑師的要求，這些條窗在立面及平面的內退位置都不可以布置結構柱。

上述小開間房間在上、大空間在下、外周條窗區域無法設柱而導致豎向體系不連續的情況，使得混凝土結構體系的結構概念方案難以落地。經過與西扎及卡洛斯團隊的深入溝通，結構方案改為鋼框架（桁架）+鋼筋混凝土筒體的混合結構方案，僅在樓梯間、電梯井等位置設置混凝土筒體，作為主要的承重和抗側構件，利用鋼桁架和局部落地鋼柱形成大空間、大懸挑等大跨度結構，使重力荷載繞過傳力路徑中斷的部位，最終傳導至基礎。

7.2 寧波華茂藝術教育博物館

寧波華茂藝術教育博物館的結構布置也遇到了類似的情況。從外部看，建筑形體像是一個扇形截面的實體懸浮在場地之上。這種懸浮狀態的形成，首先是建筑東南兩側在2.20m標高以上做了整體的懸挑，同時在2.20m標高之下又設置了展開長度達49m的條窗，通透的條窗進一步加強了這種懸浮感。然而這個長度約占整個立面長度四分之三的條窗，徹底截斷了上部墻體向基礎傳遞荷載的路徑。為了解決這個問題，結構最初的想法是避免大尺度的懸挑，以達到控制結構復雜性、減少施工難度、控制主體結構造價的目的。針對這個方向我們進行了多種嘗試。

最初，我們在底層平面與長窗對應的坡道內側找到一片基本完整的墻體，雖然這道墻并沒有直接落地，但是我們嘗試利用該墻及上下兩塊板形成的“C”形傳力結構，作為上部懸挑的支撐。經過計算和分析，這個像“彈簧片”一樣的構件若支撐20m左右的上部墻體和坡道，所需的截面尺寸會非常大，將嚴重影響建筑空間的尺度，因此這個方案并沒有被采用；其后，我們又考慮將長條窗的立梃轉化為細而密的鋼立柱，但是長窗的玻璃尺度很大，立梃尺寸過小又無法做到足夠的密，承載能力非常有限，這個方案也沒有通過；最后，我們不得不回到大懸挑的方向上來，將坡道錯位區域形成的矩形箱體設計為懸挑的空腹曲梁，讓上部荷載向兩側傳遞。

但這個方案也有其難點，因為整個箱梁懸掛于主體之外，兩端并沒有可以直接受力的支點，最終我們利用中庭西側和北側的兩片與箱梁垂直的墻體形成高大的暗牛腿，采用型鋼混凝土墻作為箱梁的支撐點。同時前面提到的“彈簧片”形成折板支撐，發揮了改善傳力路徑、提高結構安全儲備、控制正常使用期間坡道變形和振動的作用。

從上述分析來看，中國國際設計博物館和寧波華茂藝術教育博物館至少存在兩套迷宮系統：一是建筑空間不均勻地穿插交疊、曲折迂回，形成的空間迷宮創造了層次豐富、抑揚開合的空間體驗；二是建筑空間打破了結構構件布置的均勻性和連續性，重力通過曲折復雜的路徑最終傳向基礎，從而形成重力迷宮。有趣的是，在二維平面里，互為圖底的迷宮若能走通，圖或底中的一個一定是不連續的。而在建筑中，空間迷宮和重力迷宮雖然互為圖底，但各自必須完整且連續，這就要求設計擺脫圖紙的二維限制，借助模型工具在三維中尋找走通迷宮的路徑。

8 尺度

尺度控制是建筑師和結構工程師共同面對的另一個重要工作。空間和構件的尺度，除了滿足基本的使用功能外，還是塑造形體觀感和空間體驗的重要因素，尤其在大中型文化類公共建筑中，后者的要求尤為突出。

對于結構專業，梁、板、柱、墻等受力構件的截面尺寸主要取決于受力條件和結構材料的力學性能，其確定的依據幾乎是純理性的。結構構件的尺寸與空間的高度、跨度正向相關，即空間越大，結構骨架本身的尺寸也會相應放大。例如，當處理大跨空間時，梁的高度可能會嚴重限制空間的凈高。而對于建筑專業，除了滿足必要的使用需求外，判斷空間本身的三維尺寸、露明結構構件的尺度很大程度上依靠的是感性和直覺，即在特定的環境里，這個空間或構件需要“看起來大小合適”。這種對于同一問題的兩種判斷標準，是建筑和結構團隊合作中經常產生矛盾的原因之一。

為了化解這種矛盾，我們需要與建筑師一起努力，采用各式各樣的“障眼法”，保證最終的呈現既滿足結構的受力需要，又滿足“看起來合適”的感性要求：1）調整結構體系和結構布置，將影響尺度的結構構件挪移到不可見的部位（上一節已有詳細分析）；2）在條件苛刻的部位，采用特殊的構件斷面整合機電與結構空間，利用空腹梁、管線穿梁等手段，將機電設備管線所需的孔洞與結構梁板的空間壓縮到一起，增加建筑的凈空高度；3）在高大空間和大懸挑區域，當壓縮結構構件不可行的時候，可以進行反向操作，如將梁、板等平面構件放大成桁架、箱梁等空間構件，將柱子放大為筒體，等等，即將結構構件整合為建筑空間界面的一部分，從而規避構件與空間的干涉和沖突；4）將建筑幕墻的立梃、欄板、欄桿等非結構構件，轉化為結構主體受力構件或輔助受力構件，以達到結構的要求。

對于露明的結構構件，改變其截面形狀是比較常用的方法。例如，大尺寸、正方形截面的柱子會顯得比較粗笨，因而常將其設計為長方形或圓形截面；若是露明挑板比較厚重，則可以采用變截面，使其可見端的尺寸更薄，或者內外表面采用不同的曲面，以處理現在頗為流行的曲線建筑的結構空間問題。

對于一些關鍵部位的孤立構件，可同時考慮改變構件材料的組成和連接方式。例如，華茂藝術教育博物館中唯一的柱子位于屋頂層，為了嚴格控制截面尺寸，在材料選擇上，選用了承載能力更強、構造尺寸更小的鋼管混凝土柱，并將其設計為兩端鉸接柱，減小其上大跨度梁的梁端彎矩對柱子彎曲造成的影響，讓柱子僅承受屋面結構的豎向重力，讓其他結構構件來承擔水平荷載，從而達到控制尺寸的目的。

9 結語

任何優秀建筑作品的設計和落地，都是系統、復雜而艱苦的工作，限于篇幅，本文僅對建筑與結構配合過程中的部分內容進行簡要的總結和分享。我們相信，唯有通過設計團隊整體的協作和合拍的互動，才能建立起建筑藝術創作和工程技術實踐之間的有效連接，讓好作品落地，為使用者創造更好的建筑體驗。

圖片來源

1,11-13,17-22 侯博文攝影

2-4,8-10,14-16 CC&CB,Arquitectos 提供

5-7 中國美術學院風景建筑設計研究總院有限公司提供

1 勻質光線下的中庭空間

從外部看，建筑形體像是一個扇形截面的實體懸浮在場地之上。為了表現這種懸浮感，我們將坡道錯位區域形成的矩形箱體設計為懸挑的空腹曲梁，讓上部荷載向兩側傳遞。這個方案的難點是，整個箱梁懸掛于主體之外，兩端并沒有可以直接受力的支點。

From the outside,This building looks like a fan-shaped entity suspended above the site.In order to express this sense of suspension,we designed the box beam formed by the ramp dislocation as a cantilevered,hollow and curved beam,allowing the upper load to be transmitted to both sides.The difficulty of this scheme is that the whole box beam is suspended outside the main body,and there is no fulcrum at both ends that can be directly stressed.

2 剖面圖

3,4 手工模型

我們利用中庭西側和北側的兩片與箱梁垂直的墻體形成高大的暗牛腿，采用型鋼混凝土墻作為箱梁的支撐點；同時，首層平面與長窗對應的坡道內側的一片基本完整的墻體及其上下兩塊板形成“C”形傳力結構，作為上部懸挑的支撐。

We use two walls,perpendicular to the box beam on the west and north sides of the atrium,as tall and concealed corbels.Steel concrete walls are used as the support of the box beams.At the same time,an almost complete wall and its upper and lower plates on the inner side of the ramp corresponding to the first floor plane and the ribbon windows form a "C"shaped force transmission structure as the support of the upper cantilever.

5 南側支撐墻結構布置

6,7 箱梁恒荷載變形

8 建筑主體結構施工

9 混凝土結構施工

10 天窗混凝土結構施工

11 沿道路望向博物館

12 長條窗強化了建筑整體的懸浮感13 首層與室外場地的關系

在條件苛刻的部位，采用特殊的構件斷面整合機電與結構空間，利用空腹梁、管線穿梁等手段，將機電設備管線所需的孔洞與結構梁板的空間壓縮到一起，增加建筑的凈空高度；或者將建筑幕墻的立梃、欄板、欄桿等非結構構件，轉化為結構主體受力構件或輔助受力構件，以達到結構的要求。

In the parts with harsh conditions,special component sections are used to integrate the mechanical and electrical space with the structural space.By means of hollow beam and pipelines through beam,the holes required by the mechanical and electrical pipelines are compressed together with the space of structure beams and slabs to increase the clearance height of the building.Or the non-structure components of the building curtain wall,such as uprights,railings and balustrades,can be transformed into stress components or auxiliary stress components of the structure to meet the requirements.

14 首層平面圖

建筑東南兩側在2.20m 標高以上做了整體的懸挑，同時在2.20m 標高之下設置了展開長度達49m 的條窗，約是整個立面長度四分之三，條窗的通透進一步加強了建筑的懸浮感。

The southeast and southeast sides of the museum are overhung above 2.20m.Meanwhile,under 2.20m,a window with a length of 49m is set,which is about three quarters of the length of the whole facade.The transparency of the window further strengthens the sense of suspension of the museum.