建筑空間與結構整合設計策略研究

李勇軍

（南京興華建筑設計研究院股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

結構與建筑系統(tǒng)的功能整合，整體出現(xiàn)主要是結構與建筑系統(tǒng)的一體化。結構技術與建筑空間的關系密切相關。結構技術的作用是幫助建筑物建立穩(wěn)定安全的空間和外部形式。因此，結構設計與建筑形式存在著必然的聯(lián)系。

1 結構和建筑整合的要素、原則及流程

1.1 建筑與結構整合要素分析

結構的組成要素包括幾何、材料及傳力，幾何的要素包括定位、長度及關系等；材料的要素包括工藝、用量及材料性質(zhì)等；傳力的要素包括作用點、方向及大小等。結構設計工作需要使用用量合適的材料、確定合適的幾何形狀來承擔預計荷載。幾何與材料整合形成了結構的形態(tài)和空間；幾何與傳力的整合為結構確定最合適的力的平衡機制；材料與傳力的整合構成結構找形的操作，通過整合來確定最合適的抗力物化形態(tài)。

1.2 結構設計原則

建筑與結構整合時要遵循構形、效能和清晰的原則。構形是整合的起點，是讓建筑和結構在基本形態(tài)和視覺上建立聯(lián)系的基礎；效能是對整合的提高，是對結構系統(tǒng)和建筑功能的優(yōu)化；清晰則是對建筑與結構整合成果的表達。

1.3 建筑信息模型（BIM）的應用

1.3.1 建筑信息模型的特點

建筑信息模型可實現(xiàn)信息的共享及交互，可實現(xiàn)形態(tài)優(yōu)化、碰撞檢測、設計建造全程信息的實施交換及確保視覺整合的形式美觀，利用建筑信息模型在信息共享及交互方面的優(yōu)勢可以為整合設計帶來很大便利。

1.3.2 目標及對象的確定

建筑信息模型的優(yōu)勢在于分析性能、設計算法及協(xié)同設計，可利用建筑信息模型來實現(xiàn)對子系統(tǒng)的優(yōu)化。要將性能整合作為目標來提高建筑系統(tǒng)性能，不能僅局限于碰撞檢測、構件修正、確定比例及尺度等方面。

整合對象選擇是否合適會對整合目標達成造成直接影響。對不同的構件進行信息處理只能整合不同構件，不能從整體上進行整合。例如只選擇幕墻構件開展構造分析及能耗分析，那么只能開展對幕墻子系統(tǒng)的整合設計，不能將設備及結構等系統(tǒng)納入整合設計中。這就要求合理選擇整合對象。

1.3.3 多學科介入建筑整合設計時需要多學科接入合作，除了與建筑相關的專業(yè)以外，還需要將拓撲優(yōu)化、幾何及數(shù)學等專業(yè)納入其中。

1.3.4 建筑與結構整合的流程

基于建筑整合設計思維的引導確定目標，確定整合對象及整合要素，使用BIM技術平臺來實現(xiàn)對建筑和結構的整合，其操作路徑如下：

（1）建立整合思維。建立整合設計思維，凸顯結構驅動建筑設計的作用，通過優(yōu)化結構性能來提升建筑系統(tǒng)的性能，體現(xiàn)出結構屬性對建筑的意義。

（2）建立整合平臺。組建整合團隊，設備師、建筑師及結構師都要密切配合，根據(jù)制定的整合設計目標合理選擇軟件平臺如Revit、Catia等，分析結構的形態(tài)特征選擇容易優(yōu)化、修改及編輯的插件或軟件，從而分析結構的效能和形態(tài)，為與其他專業(yè)的協(xié)同作業(yè)提供便利。

（3）選取整合對象。準確選擇整合對象，這對整合結果具有直接影響，應選擇結構元、體系、界面及空間等開展整合。

（4）整合的建筑要素及結構要素。確定整合對象后需要分析與整合對象密切相關的要素如圍護、幾何、外力、內(nèi)力、功能、空間及環(huán)境等。

（5）分解細化要素。從建筑及結構兩個方面分別尋找整合要素的對應關系，例如確定整合要素為幾何時，應從結構的傳力路徑、構件組織及形態(tài)設計等方面均基于幾何規(guī)則進行整合，建筑的界面劃分、空間形態(tài)及造型等方面也要盡可能滿足幾何規(guī)則的要求，這樣才能實現(xiàn)深層次整合。

（6）自性整合。優(yōu)化整合對象的自身屬性，從而為提升整體性能奠定基礎。例如優(yōu)化結構構件的性能及形態(tài)后才能為下一階段的整合設計創(chuàng)造前提。

（7）功能整合。以自性整合為基礎，進一步提高整合對象對系統(tǒng)的貢獻，通過分析、提取整合對象的共性來實現(xiàn)互動協(xié)同。

（8）表達整合成果。表達整合成果時要尋找到自行表達與功能屬性逐漸的平衡，例如要想強調(diào)結構的空間屬性就會造成結構的承載屬性減弱，反之亦然。

2 構件及組合

設計構件單元式需要立足于材料、幾何及傳力的基礎上，采用拓撲變換的方法推演構形。

就柱元的構形上，柱元具有承受軸壓或壓彎的作用，是典型的垂直構件。柱元的構形應重視長柱的穩(wěn)定性，以柱的彎矩圖及屈曲變形圖來開展設計。柱元構形式可以采用長柱適合、兩端固結及兩端鉸接的策略開展設計。對短柱而言，宜采用實體截面，采用兩端固結或兩端鉸接的方式來均勻分布內(nèi)力；對長柱而言，宜采用格構化截面，以控制材料用量為前提來增加截面的尺寸進而確保穩(wěn)定性。

就梁元的構形上，梁元屬于典型水平構件。梁的跨度較小時可不考慮平面外穩(wěn)定，但跨度較大時需要增加穩(wěn)定支撐來保證平面外穩(wěn)定。梁構件的兩端支座條件會對梁的變形圖和彎矩圖帶來直接影響，例如采用連續(xù)梁對降低跨中彎矩的效果明顯。優(yōu)化梁元時，可以從體系拉壓、體系壓力、體系拉力及截面四個方面著手。

梁、柱剛性連接形成單層框架，剛架的形態(tài)與梁、柱組成部分、支座條件等有關。剛架構形設計時，可采用不同梁柱組合、格構化及彎矩圖擬形的方法來進行設計。

就構件的組合構形上，要確保結構整體能獲得抗力，確保結構整體空間傳力，不同方向均保持穩(wěn)定。應遵循幾何變換法則，采用分形、交叉、旋轉、平行等方法來構形從而生成不同的空間[1]。借助上述兩項法則開展構件組合可在構件的組合構形上進行創(chuàng)新，例如對梁、柱組合關系進行調(diào)整，可以讓結構傳力方式改變，賦予結構功能屬性，見圖1。

圖1 通過梁、柱斷開改變結構屬性

3 建筑與結構的功能整合

3.1 界面整合的策略

3.1.1 減少材料的使用減少材料的使用有兩個含義，一個是指減少材料的使用，在使用最少材料的前提下獲得足夠的抗力性能；另一個指的是材料的種類少。材料極少代表著結構極輕，使用極少的材料來確保結構的安全性與合理性，這與人們對傳統(tǒng)結構的認識不同，從而取得材料上的少與人們對結構感知上的多。圖2是紐約蘋果旗艦店全玻建筑，該建筑結構大量使用玻璃，樓梯踏步、承重曲梁、梁、柱均為玻璃支撐，結構材料種類的少帶來了高度透明的空間氛圍，也減少了結構承重，從而讓人們形成深刻的印象[1]。

圖2 紐約蘋果旗艦店全玻建筑

3.1.2 幾何抽象

通過幾何抽象來加強結構感知，其特征在于：第一，外界面承重，也就是由建筑的表皮來作為結構性界面，將樓層空間釋放出來，通過對建筑界面和結構開展整合升級來保證建筑界面幾何特征得到滿足，又保證建筑界面的建構特征和厚度感足夠。第二，表皮連續(xù)，通過足夠的界面來形成形式特征，從而實現(xiàn)連續(xù)傳遞結構荷載，確保空間圍護閉合[2]。

3.1.3 傳力轉換

結構的作用在于沿著相應路徑將荷載傳遞給大地，為了提高結構效能應選擇便捷、簡短的路徑，這與效能原則是符合的，但效能最優(yōu)是，空間中結構的存在感卻未必會受到關注。為了強化結構的存在，可采用傳力轉換的方式，轉換傳力路徑除了是對結構構形的強化以外還可以很好地實現(xiàn)界面整合和獲得結構空間，這是因為通過傳力轉換可以讓建筑水平拓展和豎向疊加的方式出現(xiàn)改變，可以增強結構的界面感知和空間存在。可以采用切角轉換、架空轉換、吊掛轉換等方法實現(xiàn)傳力轉換，見圖3。

圖3 傳力轉換圖示

3.2 結構滲透

結構滲透是結構三維空間構形到二維界面表達的過程，以結構形態(tài)和結構空間表示。結構滲透體現(xiàn)了結構驅動建筑設計從而改變空間體驗。結構滲透設計時，可以采用通過結構離散實現(xiàn)空間滲透、通過結構連續(xù)實現(xiàn)空間流動及從結構的骨轉變?yōu)榻ㄖ缑妫ü前ぃ┑牟呗詫崿F(xiàn)[3]。

4 建筑空間與結構整合的措施

4.1 內(nèi)部空間整合

以內(nèi)部空間為主，采用限定內(nèi)部空間和結構圍合的方法來對空間的屬性進行改變。整合內(nèi)部空間時，建筑師需要考慮到結構構件這一因素。結構在引導和組織空間、圍合中庭和無障礙樓層創(chuàng)造等方面都具有無可替代的作用。

4.1.1 結構引導和組織空間

在結構構思的指導下對傳統(tǒng)結構體系進行解體重構，排布、組織結構構件，充分凸顯出結構構件在空間的組織和引導中的作用，這能創(chuàng)造出令人驚喜的空間效果。結構在組織、引導空間時可以作為點和面等不同元素。例如設計時可以重新組織樓板構件和水平柱構件，使用不規(guī)則的配置方式來創(chuàng)造內(nèi)部空間，可以將管線和樓電梯布置到網(wǎng)格支柱內(nèi)部，使用結構構件來引導、組織建筑空間。

4.1.2 結構圍合中庭

中庭可實現(xiàn)空間的共享，可以組織空間，給人們帶來良好的自然空間體驗。中庭可以引入自然光，且具有改善通風的作用，因此其對減少建筑能源消耗具有積極作用。創(chuàng)造合適的中庭空間是現(xiàn)代建筑中非常重要的一部分，設計中庭需要將開口布置在結構的中間部位，這也就要求由外圍來負荷結構的荷載，主要使用結構外圍構件來發(fā)揮傳力的效果。

對高層建筑而言，設計中庭時應采用外核模式，在建筑外圍布置抗側構件和豎向承重構件，使用巨型結構。

4.1.3 無障礙樓層中結構的應用

無障礙樓層為自由分隔提供了條件，其空間靈活性高，可以滿足多種功能需求。無障礙樓層中，結構的應用可采取以下幾種方式：第一，空間結構外圍化布置；第二，縱向展開的巨型梁、柱；第三，盡量減少柱子的數(shù)量，將柱子布置在外圍。

4.2 外部空間整合

4.2.1 懸挑

采用懸挑的手法可以創(chuàng)造出不穩(wěn)定感和重量感，這種手法在空間和建筑造型的創(chuàng)造中較為常用。懸挑可以讓室內(nèi)空間的深度得到增加，可以擴展建筑外部空間的范圍及層次，因此這種手法是應用較多的手法。從結構的解決方案上進行劃分，懸挑包括空間結構懸挑、板加強、桁架懸挑和層加強等。從建筑的尺度上進行劃分，懸挑包括多層懸挑、層懸挑和板懸挑等。

多層懸挑的結構多為采用斜撐加固來實現(xiàn)多層板、梁共同受力，從而形成桁架結構，或空間結構、桁架結構的懸挑。層懸挑結構可采用空間結構、桁架結構的懸挑，上下層板、梁經(jīng)斜撐加固共同受力或經(jīng)過加強的梁、板等。板懸挑可以使用桁架、網(wǎng)殼、網(wǎng)架結構等，也可以使用加強的梁、板。

4.2.2 底架懸空

當基地需要跨越鐵路路線、文物古跡或城市道路時必須采取建筑底架懸空的方式。底架懸空的方式可以讓建筑外部空間與內(nèi)部空間實現(xiàn)過渡，也可以在建筑內(nèi)部中引入城市空間。就底架懸空的處理手法上，可以使用以下幾種手法：第一，將空間結構應用于上部結構中；第二，使用巨型結構、巨型梁或者巨型柱等來強化水平構件，減少豎向構件的使用；第三，使用橋式結構來跨越一定跨度。

4.2.3 空間界面的整合

建筑空間界面與結構整合時，可以采用結構構件對空間和界面的滲透關系進行調(diào)整，調(diào)整空間的開敞程度及私密性，進而塑造空間界面的屬性。要基于空間的需求，將結構構件適度、合理地布置在界面中，不能局限于結構體系的約束。

結構構件以線狀居多，構件的尺寸比建筑構件的墻的尺寸更小，且結構構件可連續(xù)，可以使用結構構件實現(xiàn)空間界面的滲透和流動。為了營造出滲透、流動的空間效果，對不大的建筑可以采用連續(xù)屋蓋結構覆蓋的方法[4]。

就空間界面的透明與弱化處理上，建筑師在設計建筑時需要對建筑的體量進行弱化，盡可能減少對環(huán)境造成的破壞從而讓建筑與環(huán)境融合。采用盡可能透明的空間界面來讓借用景觀及實現(xiàn)建筑內(nèi)外部空間的交流。為了實現(xiàn)這一點可采用透明、輕盈的結構，就結構上可選擇張拉索體系，這一體系的特點在于效能高、結構構件的尺寸纖細，這能減少建筑結構對建筑內(nèi)外部空間的交流、借用景觀帶來便利。

5 結束語

結構設計和空間整合是不可分割的。原始建筑基于結構；當代建筑設計是結構服務于空間和形式。建筑與結構形態(tài)整合時，應在整合思維的指導下，遵循構形、效能和清晰的原則對各要素進行整合。