首页 顾磊的文章 顾盼结构–顾磊的另类游记(五),结构设计没有贫富之分,只有优劣

顾盼结构–顾磊的另类游记(五),结构设计没有贫富之分,只有优劣

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本文是顾磊的另类游记的第五期,每一期都非常精彩。可回看前几期内容:

顾盼结构–顾磊的另类游记(一),东京代代木国立体育馆

顾盼结构–顾磊的另类游记(二),深圳应急医院建设记录

顾盼结构–顾磊的另类游记(三),大跨度结构见闻

顾盼结构–顾磊的另类游记(四),裸露的结构设计带来的视觉体验

顾磊:“边走边看·建筑结构”讲座(第三期),录播回放

顾磊:钢结构装配式住宅的技术路线和案例



旅行是一段段缘分的聚散

1999年底面临博士毕业找工作

我已在北京和上海获得了不错的 offer

但没去过花花世界的深圳

还是想到深圳看一看

就当一次旅游吧

12月

北京、上海和我就读的杭州已是寒冷的严冬

而深圳却是面朝大海春暖花开



感受一下深圳明媚的冬天

(摄于2019年12月13日的深南大道)


坐上101路巴士

穿过宽阔的深南大道

来到了深大北门

在过街天桥上望见校园内外一片郁郁葱葱



(摄于2021年1月12日,摄影:耿良程)


学校的室外泳池居然带有观众看台

而且还被落地钢网壳覆盖着



(摄于2021年1月12日,摄影:幸国涛)


体育场主席台罩蓬是当时刚传入中国的伞状膜结构



(摄于2021年1月12日,摄影:李红飞)


网壳和膜结构

这些正好属于我博士所学的专业——空间结构

第一眼看见专业

你说这是多大的缘分啊!

还不止于此

深大建筑设计院的员工大多刚从内地来深不久

与来深圳找工作的我对这座城市有着同样的感觉

我参加了他们的新年聚餐

他们开玩笑说喝酒的态度和酒量过关就能录用

其实我可不是靠喝酒进的深大设计院

我靠的纯实力

总工傅学怡采用

“是骡子是马拉出来遛遛”的方式选人

直接把当年深大院中标的最大工程

盐田区行政文化中心拿出来让我建模完成扩初计算



(摄于2021年1月12日,摄影:张大成)


好在我没有掉链子

临走时不仅拿到了offer

还给开了半个月的工资

我立马买了张机票回杭州准备毕业答辩了

因与深大院一帮同事的天作之缘

我留在了深圳工作

本世纪初深圳的建设中心非福田中心区莫属

中心区少年宫的环幕影院采用了单层球面网壳

傅学怡总带我参与了这个网壳的安全性复核工作



幕墙施工单位复测钢网壳尺寸

发现与理想球面有些偏差

因此须判断已施工完的钢网壳是否安全

虽然我在博士课题中用过的Adina软件

可以用于分析

但手头的Adina版本后处理不甚完美

不利于出报告

而刚进入中国的Ansys有相当不错的图形输出功能

但是我当时并不会Ansys

硬着头皮现学

没有资料

也不像在浙大上学时身边有人问

我向同年分配到深圳的同学黄坤耀

复印了一本入门教材

凭着阅读Ansys自带的help文件

居然完成了非线性稳定分析和动力分析

写出了这个球壳

在实际施工几何偏差下的结构评估报告

评审会上业主请来了我的导师

董石麟院士和沈祖炎院士、沈世钊院士(陈昕教授代为出席)、徐正忠教授

专家组以我们的分析报告为基础

给出了现状钢网壳安全的结论

业主和钢结构施工单位长长地舒了一口气

现在看来这种非线性分析已变得稀疏平常

不过当年深圳能用Ansys进行球壳非线性分析的人

想必还是不多的

这次深入细致的工作

用理论知识解决了工程难题

傅学怡总工才真正认可了我极度抗压的业务能力

于是2003年水立方设计之初

他第一个想到的

就是把正在香港理工大学作访问学者的我给召回来



在少年宫项目上我结识了钢结构施工单位

——深圳建升和钢结构公司

你说这又是怎样的缘分?

十五年以后我居然跳槽到由建升和发展而来的

全国最大的钢结构产业集团

——中建科工(中建钢构)

任首席结构工程师

我上班的中建科工大厦

位于深圳后海著名的粤海街道

从中心河望去工整干净的几何形体

特别是顶部出挑的悬空体块很有标志性




外立面的斜撑和拉杆揭示着这是一座钢结构大楼


东立面                              西立面


我的办公室里暴露着H型钢斜支撑



对!

这绝对是一座钢框架-支撑体系的超高层写字楼

公司陈列馆的模型可以清晰地看到结构体系



由于采用了钢框架-支撑体系

取消了混凝土核心筒

营造了东看后海湾、西看前海湾

完全通透的空间

设置在东西外墙的斜支撑具有更高的结构效率

立面斜杆也形成了钢结构建筑立面的特色

顶部出挑的体块是中建科工集团总部的空中大堂

内部空间非常简洁

裸露的钢结构骨架直接蒙上玻璃幕墙



在这座没有核心筒的钢结构楼中

非常方便地设置了

多层通高、东西通透的共享空间



深圳是一个包容多样的城市

有不少不走寻常路的高层建筑

新洲路上一座非常早期的高层连桥很有神韵



深南大道上的汉京大厦将核心筒偏置于北侧

南侧则获得了不被核心筒打断的完整的办公空间

它是一座350m高的钢结构摩天大楼

核心筒用的是钢结构支撑筒

而不是钢筋混凝土筒体

这样核心筒偏置的楼全球只有几个

并不太常见


南立面

北立面

东立面(施工中)



2014年足球世界杯后

我去参加了巴西利亚的IASS会议

说到巴西

一定绕不开建筑师奥斯卡·尼迈耶

大家津津乐道

平面形似飞机的巴西利亚城市总体规划



三权广场上混凝土平板和曲线板墙加玻璃幕墙为特色的总统府、最高法院


(总统府)


(最高法院)


H形的国会大厦双塔

坐落两边的众议院正碗和参议院反碗



主体位于地下、地上

只有采光玻璃屋面的明亮的大教堂




奥斯卡·尼迈耶作品多以简洁干净的几何体块见长

广受赞誉

国内外模仿者甚多

不过很少将他与工业感的高技派扯上关系

殊不知他有一座高层建筑在干净的圆形幕墙里面

潜藏着一个绝对高技的预应力混凝土悬挂结构体系

这座建筑就是巴西最高检察院大楼A栋

巴西最高检察院大楼有A、B两栋

乍一看是两座完全一样的圆形玻璃幕墙建筑




延续了尼迈耶一贯的没有一条直线的风格

但跑远一看A栋的顶上

有一圈非常巨硕的呈花瓣状分布的混凝土梁

走到A栋下面,发现没有落地的柱子




原来A栋圆环形楼盖

是悬挂在屋顶混凝土悬臂梁上的

我们可以看到B栋常规的柱子

变成了A栋的混凝土吊杆




我听了当年承建单位的报告

8根巨大的混凝土悬臂梁内布置了预应力索



混凝土吊杆内也配了高强预应力索



楼面荷载通过吊杆悬挂在预应力混凝土悬臂梁上

再传递给核心筒

是非常典型的悬挂结构



尼迈耶似乎偏爱悬挂结构

在圣保罗拉美纪念公园的这座建筑

也是通过两根设于屋顶的大梁

与建筑两端和中心的巨柱

构成的巨型框架来悬挂楼盖

带来了底层无柱的空中楼阁感觉





悬挂结构采用钢结构较为普遍

福斯特在香港的第一个作品汇丰银行大厦

便是钢结构悬挂结构

从而实现了无柱的底层空间



这个12m高的公共步行广场可供人们随意穿行



如果说香港汇丰银行大厦的悬挂结构

严格地对称规则、受力平衡的话

那么福斯特在2018年

为深圳大疆无人机公司设计的总部大楼

“天空之城”

显然是一个不那么理性的悬挂结构

天空之城有两座塔楼

每个塔楼落地结构是钢结构支撑筒体

筒体的四周分散悬挂多个钢结构盒子

结构和重量并不对称

两座塔楼之间还附加了一个悬索桥来联接





这样高技的建筑

与周边传统广东饮食场景同框很有穿越感



(摄影:于光辉)


常规的高层建筑通常采用核心筒在中间

框架围绕四周的平面布置

但如果希望高层建筑获得较大的连续空间

将竖向结构(一般为筒体)设在两端或四角

是一个有别于悬挂结构的更常用的结构选型

比如福斯特的西班牙马德里银行大厦

底层中庭就非常宽敞



该建筑旁边的一个新建工程也是这个思路

从建造中的照片可清晰地看出

两边筒体是混凝土结构

而中间则是钢结构



深圳后海施工中的工商银行大厦与上图如出一辙

也采用了核心筒分置两端

中间钢结构(型钢混凝土?)楼盖

从而尽可能获得南北通透的大跨使用空间



深圳大学科技楼采用了四个筒体布置在建筑的四角

(这四个筒体的施工图是我当年一笔笔画的)

建筑师龚维敏教授

在四个立面上非常大胆地开了巨洞

形成了“心有多大,舞台就有多大”的

“城市之窗”

这个大跨跨越的结构并非底部设置转换大梁

傅学怡教授提出了利用上面整个建筑的高度

按多层钢骨混凝土空腹桁架设计的结构理念



上世纪70年代

当时还是默默无闻的两位建筑师

皮亚诺和罗杰斯刚刚成立合伙事务所

在ARUP工作的结构师莱斯

和他们一起参与蓬皮杜艺术中心投标

提出了一个完全暴露结构的

室内44.8m跨的多层大跨建筑



(图片源于网络)


这个肆无忌惮的方案居然中标了

按照上面几个高层案例的思路

大跨的两侧竖向结构应该是很厚实的

在我配合龚维敏教授做的

深圳市公安局第三代指挥中心的建筑方案中

也营造了一个约40m×40m的六层大跨空间



但是我在四角设置了刚强的钢结构支撑



东西两侧布置了坚固的竖向结构

仅开放了南北立面




然而蓬皮杜艺术中心方案的承重立面

则是通透的玻璃幕墙

竖向柱需要很纤细


(图片源于网络)



大师天生就是大师

罗杰斯他们采用了这样一种跷跷板式的格贝梁(gerberette)



将大跨桁架铰接在格贝梁一头

利用跷跷板的受力

在格贝梁的另一头由拉杆平衡

而受拉的拉杆是可以很纤细的

又由于没有弯矩转递给柱子

柱截面也很小

铸钢节点做得也十分考究



成就了后人难以超越的经典

我想大家应该一眼就看到了主立面上

用来保持纵向稳定的交叉索网



但是很少有人会注意到两端侧墙暴露出的结构奥妙

横向主受力桁架的层间设置了连接杆件!

而且形成稳定的三角形

并在底层的柱边设X支撑



(图片源于网络)


建筑的两端外墙实际上就形成了整片结构墙体

我把它叫作“格构式剪力墙”

或叫作“分散式支撑”

这是我个人的解读

很遗憾我不认识罗杰斯和莱斯

谁能告诉我大师们的设计初衷是这样的吗?


蓬皮杜中心用“轻”且“巧”的方案

完美地解决了结构横向抗侧问题

我们习惯性以为厚重的结构才是结实安全的

其实不然

在抗风、抗浮时厚重的确具有绝对的优势

但在抵抗重力、地震时

“轻”才是符合自然之道的追求

即使抗风、抗浮也有不依赖于压重的解决路径

我在汶川地震遗址上拍的这张照片很能说明问题



近处厚实的砖墙填充的混凝土框架震倒了

而远处插着红旗

看似稀疏轻薄的框架结构反而屹立着

力学原理很简单F = m•a

质量m越小,地震力F就越小

远处那个房子是玻璃墙填充很轻

因而地震力小

同时它的两端是楼梯间

梯段斜板无意间构成了

抵抗地震水平作用的支撑结构



国内近年来出现了多起

采用无梁楼盖的地下室顶板施工中板面覆土

或施工堆载严重超载而垮塌的工程事故

大家便一刀切地把板子打在了

不会说话的“无梁楼盖”身上

殊不知刚刚发生在2021年1月18日

在建的河南省周口市淮阳区中洲国际酒店工地

被超重的施工荷载压塌的二层裙房顶板

采用的是常规梁板楼盖体系

其实

无梁楼盖本身

是一个综合性能非常优越的结构体系

平整的底面、更大的建筑净高

给装修和设备走管带来极大的方便

由于无梁,混凝土平板的模板也非常简单

而且板内钢筋排布施工都得以简化

无梁楼盖在美国和欧洲等人工成本高的地方

非常常见

这是波士顿街头的一个车库



这是2019年我在米兰和马德里随手拍的工地


(米兰)



(马德里)


不论竖向结构是混凝土还是钢

楼盖则是无梁楼盖通吃

早年无梁楼盖在我国也有不少应用

比如63层高的广州国贸中心

深圳红树西岸高层住宅、深圳华侨城地下车库


(深圳华侨城地下车库)


浙江大学图书馆的无梁楼盖

还采用了非常工业化的升板施工技术

我设计的红树西岸幼儿园

椭圆形平面13.5m跨的三角形柱网

也采用了无梁楼盖体系



马德里的这处工地不仅是无梁楼盖

而且在受力小的顶上两层柱子也换成了钢柱




甚至在同一层也存在钢柱与混凝土柱混用



它的混凝土圆柱

采用纸模浇出了非常光滑的清水表面




在米兰

我慕名参观了博埃里大师设计的垂直森林公寓



这座外立面种树的高层公寓

已成为世界独树一帜的生态建筑典范




这些植物是经过精心选育后才移植到建筑之中的

植物具有一定的多样性




种植槽里设有灌溉和排水系统



博埃里事务所的美女建筑师

Anastasiia Kucherova

带我详细参观了垂直森林顶层的毛坯大户型



一层一户

豪!先上平面



除了垂直交通核以外

均是户内面积

柱子仅布置在建筑四周外墙

户内没有一根柱子

这个平面多么诱人啊

可以任意分隔自由使用

入户

除边梁(宽扁梁)外是一整块无梁平板



看天面管线走的多么潇洒自如!




毛坯房仅分封了厨房和卫生间

并安装了水电暖管道




内墙不论是户内

还是户内与户外分隔墙均为轻钢龙骨墙

管井为砌块




外墙则采用传统机制红砖

外敷保温层

再覆盖饰面板




世界顶级豪宅建造方式不过如此

但它的大空间平面和垂直森林的设计理念

非常值得借鉴

现浇混凝土柱和无梁楼盖

都不符合我国目前装配式建筑的规定

我们为什么总在住宅建造方式上喋喋不休?

我们是否应该遵从建筑设计施工的原则和规律

做出符合两提两减和市场需求的高质量房子

更多地融入绿色节能、美好生态

和百年可变的可持续发展理念

而不要把注意力集中在

“预制率”“装配式”“评价指标”

这些指标数字和口号概念上呢?

2015年

我们做了4栋兰州的29~33层的钢结构保障房设计

兰州8度抗震设防

采用钢结构是合理的选择

但保障房是小户型似乎钢结构又不合适

方案设计中我说服建筑师

一定要遵从钢结构适合做大跨度的材料天性

不可习惯性地延用混凝土剪力墙住宅的思路

去做小跨异形短肢剪力墙户型

建筑师经过多轮翻天覆地的户型方案调整

终于调出了一种两个开间才布一根柱子的户型

结构就形成了大柱距钢框架-支撑体系

柱子数量大减


我们在小户型保障房中做到了大跨楼盖结构

实现了一户之内没有柱子

空间具有可随意打通或分割的自由度

下图是结构体系概念图



施工现场照片可以看出

这种大柱距钢结构住宅的结构骨架和空间效果

由于施工图我们未承接

后续设计单位在上图的基础上增加一些柱子



 看看这个室内毛坯是否也可以像豪宅那样

装修成带超大景观玻璃窗的大客厅?



在这个小户型保障房的设计中

我们无意中

与博埃里大师豪宅户型的结构选型理念不谋而合

后来我们把这种住宅结构体系推广到了

建筑师商宏在塞浦路斯设计的一座豪华公寓




中建科工钢结构设计施工总承包

CCDI高成团队完成钢结构施工图

看似复杂的非线性建筑外表

内藏一个及其简单规则的钢结构主体



建筑、装修、设备和材料

有豪宅和低成本住宅的不同档次

但结构设计没有贫富之分

只有优劣

未完待续

文字/顾磊

配图/顾磊

排版/Akane


回看前几期内容:

顾盼结构–顾磊的另类游记(一),东京代代木国立体育馆

顾盼结构–顾磊的另类游记(二),深圳应急医院建设记录

顾盼结构–顾磊的另类游记(三),大跨度结构见闻

顾盼结构–顾磊的另类游记(四),裸露的结构设计带来的视觉体验

顾磊:“边走边看·建筑结构”讲座(第三期),录播回放

顾磊:钢结构装配式住宅的技术路线和案例


来源:钢结构博物馆,作者:顾磊,如有侵权请联系我们。


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作者: ganggouren

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