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建筑的表达需求与结构设计安全

2017-09-25 7720 0

提 要 
  结构设计的安全问题是所有从事结构设计与研究的人们一生都要面对的问题,本文作者结合自己的工程设计实践,简述了当代建筑师的设计思维对结构设计安全所提出来的挑战,并且,通过一个结构设计师对当今建筑设计潮流的感悟与认识,提出了保障结构设计安全所必须坚持的基本原则。文章最后,对参与当代中国结构设计实践的结构设计工作者们提出了一些期望。

关键词 建筑表达 结构设计安全 建筑情感 争议 结构设计实践

■前言
  一段时间以来,由法国巴黎戴高乐机场2E侯机厅通道部分倒塌事故引起的对结构安全问题的讨论成为业界甚至各种传媒的热门话题,由之引起的对国家大剧院以及各奥运在建项目进行结构安全再认识的声音也不时传起。特别是对正在设计施工中的奥运项目,按照政府决策部门的意见,建设单位组织结构有关专家逐个项目地进行了更为严格的结构设计安全评估。
  结构设计安全是我们所有从事结构设计与研究工作者必须面对和回答的问题,巴黎戴高乐机场事故是结构在其设计使用寿命初期(投入运营一年),在常规荷载作用(没有恐怖袭击、没有恶劣的区域突发自然灾害)的情况下发生的,就是说,一定是在结构设计或施工的某个环节给结构留下了致命的内部缺陷才造成的,这一缺陷既可能是结构设计理论方面的,也可能是结构设计构造方面的,既可能是结构材料使用方面的,还可能是建造过程中的施工质量控制方面的,等等。无论什么原因,这种结构破坏形态都是结构设计原则所不允许的,引起我们的警觉也是应该的。
  另一方面,我们也还是应该理性地、科学地、全面地分析和把握结构设计的安全问题。其实,追溯人类改造自然、改造世界的历史足迹,我们还是有理由对当代结构设计理论和建造技术的发展水平感到自豪的。虽然我们现在感觉是越来越累,越来越难,但是在力学和材料科学发展的有力支撑下,我们所从事的结构设计与建造技术的发展还是基本上满足了那些满脑子求新求奇,求高求广的所谓当代建筑师的表达欲望与需求的。

■世界上没有自由的结构设计师,但假如没有我们,也就没有建筑表达的自由

  建筑师设计东西,无非表达两种需求,一种是传统意义上的功能需求,另外一种就是表达建筑情感,或者说是通过建筑表达情感。这种情感表达方面的需求可能是来自公众的,也可能是来自政府或领导意志的,还可能就是直接来自建筑师的美学修为的。建筑师可以利用建筑特有的元素,比如建筑材料的材质、装饰材料的色彩等进行其建筑情感的表达,但是这种表达的效果和能力是有限的,建筑师更重要的手段则是借助结构的能力完成这一表达需求,从这个意义上说,建筑师丰富的想象力既给结构设计提出了课题、带来了挑战,同时也就给结构工程师带来了风险。
  国家大剧院超大超深的地下结构体量,椭球抛物面壳体屋顶和围绕壳体的环形水池都是安得鲁实现其剧院功能需求与其情感表达需求的手法和元素。为了在不超越人民大会堂的限定高度内,完成剧场功能对竖向尺度的需求,“深入地下”是其自然的(也许是无奈的)选择;椭球抛物面壳体屋顶罩住其下的三个功能剧场是建筑师进行区域空间整和的一种手段,在这块区域上的建筑物进行这样的整和处理我认为是必要的;建筑师设置环形水池的目的在于其制造区域宁静气氛的需要,这种建筑情感表达上的需求也是必要的。


国家大剧院




  同样的,在建的国家体育场(简称“鸟巢”)以及国家游泳中心(简称“水立方”)等标志性建筑,她们不单单是承载着满足举办奥运会各单项体育功能方面的需求,也还要承载着通过其“别样”的建筑形象来表达全国人民百年奥运梦想成真的情感需求,承载着要为最出色的一届奥运会留下最出色的“建筑遗产”的使命。
  自然的,建筑师是无法单独承担这样的使命的,必须依靠结构工程师的支持来实现其“特别”的表达需求。或者说,结构工程师在这个时侯是没有选择的自由的,只有绞尽脑汁为建筑师的这种需求寻找“解决方案”,于是,百年之前的理论物理学命题“泡沫理论”被结构师拿来经过有趣的数学变换,最终成了表达建筑师“看似无序的水分子结构” 的最好载体。


国家游泳中心总平面图



■建筑结构形式的争议多半不是“好与不好”的问题,而是“值与不值”的问题

  为了满足建筑师们的“浪漫”需求,在传统的结构构成方式无能为力的时候,结构设计师就必须探索新的、非传统的结构构成方式。结构系统的基本形式,可以说已经被我们认识的差不多了,但是,这种说法只是限于基本体系,并不意味着创造新的结构形态可能性的减少,在拥有无限多样的物种的丰富多彩的世界里,限定结构形态的类型显然是不恰当的。
  结构工程师的任务就是在既要保证结构安全同时又要满足建筑美学需求的杠杆上寻找一个平衡点。只是,世界上终究没有免费的午餐,当各种或是张扬的、或是陌生的结构形态出现的时候,在结构材料科学还没有长足的发展的时候,在我们还不得不用传统的结构材料去实现这样一个个“浪漫”的需求的时候,对结构安全的关注也就从来没有象现在这样引起一端又一端的“争议”。
  从一个结构设计与研究工作者的角度看待这些“争议”,我认为很多时候我们是可以在力学或规范的原则内寻找到这个“平衡点”的,随后的问题是,这会要我们付出多大的“代价”,或者说要我们支付多大的“结构成本”?我认为对这个我们要支付的成本“值与不值”的不同看法是对建筑结构形式“争议”的焦点问题。
  其实,作为一个结构工程师,常常是不能判断建筑的形象与情感“效益”与结构实现的“成本”之间到底谁高谁底的,因为前者是很难量化的。我们所能做的就是在保证建筑功能与美学需求的诸种可选择的结构实现方式中找到成本较低的解决方案。



国家游泳中心南北剖面图






国家大剧院南北剖面图




  例如,在国家大剧院工程结构的第一轮初步设计时,法国ADP公司确定的结构底板的顶面标高为-26.0米,这个标高受到了中国建筑与结构工程师的质疑,如此深的基槽,且不说开挖与降水的成本会很高,结构寿命期内的抗浮设计成本更是一项很大的投入,为此,我们建议在保证其建筑功能需要的前提下,尽可能提高建筑底面标高,法方在修改后的初步设计中将这一标高提高到了-22.0米。
  与上述情形相反,国家游泳中心工程的建筑设计由于采用了ETFE双层充气膜,这种膜材的造价很高,所以,在相对深挖(增加基础开挖与结构抗浮成本)和抬升建筑总高度(增加围护膜材的用量)的比较选择中建筑师完全依赖的就是综合成本最小化的原则。

■结构工程师要给浪漫的建筑师和建筑师的浪漫设定一条底线

  作为一名结构工程师,我们还应该清醒地认识到,结构科学和材料科学的发展远没有达到可以令建筑师们的“浪漫思维”无约无束的境地。在实际结构的建造过程中影响结构安全的因素众多,一方面,建筑结构理论归根结底是一门实验科学,理论与实际的偏差不可避免,另一方面,建造技术的发展水平和区域差异以及施工质量控制等等方面的诸多因素,都会给实际建造完成的建筑结构安全性能带来某种程度的不确定性。
  所以,建筑师们在通过建筑表达其美学或情感需求的时候,结构工程师们还是要给他们设定一条底线。这条底线不仅依赖于当代人类对自然界的认识水平,而且还依赖于现代结构技术与材料科学的发展水平,依赖于结构分析技术的发展水平。在某种程度上,我们可以允许他们突破某些“规范”条文的底线,但是不能允许他们突破“基本力学准则”的底线。尤其是当我们面对国外建筑师的时候,这一点做起来很难,譬如在和安德鲁的法国ADP团队合作设计国家大剧院的过程中,我们就经历了多次的“争执与说服”的过程。
  国家游泳中心的设计过程也给了我们很多启示,在建筑师浪漫的创意和结构的可实现之间还是有较长的一段路要走的,因此,我们投入很多精力进行了这种新型多面体空间钢框架结构的试验研究,最终才可以保证这种结构的安全、可靠。


钢骨架结构效果

ETFE充气枕结构



■不能认为结构设计安全与结构设计的创造性是永远的矛盾

  实际上,对结构设计安全性的忧虑往往会束缚住我们结构设计创造性探索的步伐,虽然这种忧虑不是多余的。发生巴黎机场结构倒塌事故后,我们听到的几乎都是对安德鲁主持设计的建筑的一片怀疑之声,结构设计工程师们,尤其是从事重要公共建筑结构设计的工程师们更是增添了更多的谨慎与小心。
  我认为,结构设计的任务始终是:按照建筑的功能与美学需求确定安全、合理的结构体系;进而依据建筑结构可靠度设计有关标准所确定的原则对结构作用效应与结构抗力进行符合结构实际工作条件(性能)的分析;最终应做到在规定的结构设计使用年限内,在现行规范规定的各种荷载作用下,所设计的结构是安全可靠、经济合理、技术先进的。
  为了实现这样的使命,对结构设计安全的自始至终的关切无疑是必要的,另一方面,结构设计的创造性不但是当今建筑设计发展的必然要求,同时也是结构设计技术自身发展的要求。国家大剧院、国家体育场、国家游泳中心以及新中央电视台等建筑在结构设计方面的创造性探索可以为我们跟踪当今世界先进的结构设计理念提供一些线索,也可以让我们检视一下很多经验的、传统的结构设计思维是否还适应现代结构设计发展的要求。


“水立方”内外效果图



  因此我认为,结构设计工程师们在关注所设计的建筑结构是否安全的同时,也还是应该为结构设计技术的创造性发展做一些探索。这两者不总是矛盾的,虽然在各种新结构的实践过程中或是发生了很多争议、或是走过了很多曲折的道路,但我始终认为没有结构设计师参与的所谓建筑设计理念的创新都是无源之本,从这个意义上讲,结构设计师在确定建筑设计发展方向上的作用是举足轻重的。
  尤其是当代中国的结构设计工作者,国家建设的飞速发展给我们提供了前所未有的结构设计实践机会,在这个实践过程中,我们是始终跟在所谓“西方世界先进的结构设计思维”后面,亦步亦趋,无所建树,还是通过我们不断的设计实践与探索,争取走在世界结构设计技术发展的前列,这确实值得我们认真去思考。
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