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一个建筑师的钢结构建造记,钢结构不是万能的,没有钢结构是万万不行的

2020-12-07 17:39:11 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读

公共建筑设计的空间尺度和形体复杂度日益加强,传统的钢筋混凝土体系经常捉襟见肘,致使钢结构被大量采用来解决相应问题。钢结构具有重量轻、易加工、施工快等优点,因此被广泛应用在高层、大跨度和复杂建筑等领域。当下钢结构设计在很多设计单位成为了独立的结构工种,可见钢结构在建筑工程设计中的特殊属性。

建筑师如何合理高效的选择钢结构形式、如何将钢结构与建筑语言有机整合统一、如何在工程设计过程把握建筑主导权,这些都给建筑师提出了很多需要思考的课题。建筑设计实践对建筑师来讲是一个基础夯实和经验积累相互补充的过程,这里面会有很多的得与失。笔者在十几年的建筑实践过程中,也主持设计了一些钢结构体系的建筑项目,这里面即囊括了多种公建形式,也尝试了多种钢结构类型,在钢结构建造过程中可以说是——“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴。”

本文记录了笔者一些钢结构项目的设计与施工过程,也进行相应的思考总结,可谓管中窥豹,时见一斑。


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笔者主设的钢结构项目(唐家骏、韦树祥拍摄)


一、钢结构的屋面选型尝试

由于钢结构自身的受力优点,与钢筋混凝土体系相比能够具有更大的跨高比,同时可以形成空间杆系结构,故此钢结构最大量的应用在大跨屋面体系中。在建筑项目中,桁架、网架和钢梁是解决不同跨度要求的常用手段。


哈尔滨道外客运站 

设计时间:2005年   建成时间:2007年


道外客运站项目位于哈尔滨道外老城区,是笔者主设的第一个钢结构为主的实际建成工程,项目体现公共交通简约高效的空间特征。整个设计过程对当时的笔者来讲可谓摸着石头过河,亦步亦趋的进行,由于建筑完成年代较早,设计的复杂度和完成度还相对比较浅显。笔者在整个设计与建设过程初步了解了钢结构的施工过程、钢结构与幕墙的结合、钢结构的细部节点等基本常识,可以说是笔者的钢结构建筑第一课,这一课大多是在建造过程中进行的。


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道外客运站鸟瞰照片(唐家骏拍摄)


建筑设计结合交通建筑的特征,形成了狭长形的大跨度共享空间,同时在平面和立面两个方面进行双曲面空间变化。建筑大厅开间为12米排列,进深最大达到了24米,这种单向大跨度的空间特征最适合采取钢桁架或者钢梁的形式来进行布置。由于本案的造型特征以及经济性的考虑,最终方案的共享大厅采取了落地管桁架的形式,将屋顶和正立面整合思考。

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建筑剖面图


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钢桁架施工照片(唐家骏拍摄)


下图请横屏观看

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钢结构屋面平面布置图


钢结构的每榀桁架独立施工,同时与幕墙体系完整连接,形成了一体化的双曲面结构。设计希望展现结构的空间特征,在整个室内空间采取了暴露钢结构处理。三角桁架的腹杆形式由结构设计人员计算,这方面建筑师往往并不好控制形式细节。为了在空间中加强三角桁架的横向视觉连接,笔者在屋面和幕墙都进行了三角横向拉结设计,这些横向暴露杆件虽然并不是最优化的构件策略,但在结构形态会加强整体效果,所以在结构的合理范围建筑师还是可以加上一些自己的小心思。


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钢桁架施工节点(唐家骏拍摄)


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外部幕墙施工照片(唐家骏拍摄)


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室内钢桁架完成照片(韦树祥拍摄)


哈尔滨橄榄山礼拜堂

设计时间:2007年   建成时间:2009年


在道外客运站建成之后,笔者机缘巧合的又进行了一次钢结构框架体系的设计,这个项目是位于哈尔滨郊区山脚下的一座基督教堂。中国所称的基督教属于新教范畴,项目的主管牧师们希望教堂摆脱传统古典教堂形式束缚,同时也兼具大型会议功能,最终的教堂设计形成了偏会堂式的空间类型。


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礼拜堂照片(韦树祥拍摄)


由于教堂的建筑形体由双曲面的多个形体组成,同时大空间屋面最宽处达到了30米的跨度,因此进行整体钢结构设计会更加体现建筑的空间逻辑。教堂大空间两个方向相对均衡,从常规来讲网架体系会更加经济,但是网架屋面与周边竖向支撑钢柱的整体性欠缺,交接节点会相对较为混乱,网架结构如果在教堂裸露会影响空间氛围。因此最终结构采取了钢框架结构形式,20-30米跨度的钢梁在经济上也是可以接受的范围。

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建筑剖面图

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钢结构模型

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钢框架施工照片(唐家骏拍摄)

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钢结构屋面平面布置图

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钢结构立面图纸


钢结构的竖向钢柱与横向钢梁都采取了H型钢的模式,平面曲线钢柱沿外围发散布置,与顶部钢梁焊接而成,同时主体钢结构杆件延续建筑外部形体,形成完整框架。建筑的铝板和玻璃幕墙结合双曲线钢结构一体设计,钢结构和幕墙杆件在室内也采取暴露处理,突出建筑形体与结构的完整性。


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H型钢施工细部(唐家骏拍摄)


与道外客运站的落地管桁架相比,异型钢框架体系的用钢量较大,计算也相对复杂。最终建成后的H型钢的截面尺寸也比笔者预想的要大,一些钢梁钢柱的裸露节点也较多,也大大会影响钢结构的空间效果。但钢框架体系的建筑骨骼感明晰,建筑的整体空间性较好,同时室内顶棚会有更加干净利索的处理效果,这也是钢框架体系的一些自身优点。不同钢结构体系的选择会给建筑带来不同的空间氛围,也会塑造建筑的不同性格,这也是建筑师非常需要自身把握的一点。

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室内钢结构完成照片(唐家骏拍摄)

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室内钢结构一角(韦树祥拍摄)


大兴安岭文化体育中心

设计时间:2009年   建成时间:2013年


随着道外客运站与橄榄山礼拜堂的建成,笔者及当时的设计团队加强了钢结构设计的信心,大兴安岭文化体育中心就是在经验积累上完成的更大跨度公共建筑。文体中心以体育赛事功能为主,同时将群众休闲健身、展览、文艺演出等功能需求纳入到场馆之中,充分利用体育场馆大空间所特有的灵活性进行多功能设计。

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文体中心照片(唐家骏拍摄)


根据建筑的空间特点以及场馆需求,设计采取了两片曲面网架体系,网架体系坐落于混凝土平台之上。其中主场馆的跨度两个方向均接近70米,钢梁结构已经远远不适合采用,桁架结构也不如网架的选择结构清晰和造价经济,因此主场馆经过计算形成了双层网架的结构设计。

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建筑剖面图

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主场馆钢网架施工照片(唐家骏拍摄)


为了实现看台区域的建筑外部形体特征,也避免屋面对看台部分增加荷载,整体网架采取了曲线落地处理。落地网架的两侧采用了树桩钢柱支撑,形成了完整的立体空间网架。

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落地网架照片(唐家骏拍摄)

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网架细部照片(唐家骏拍摄)

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侧向钢柱施工照片(唐家骏拍摄)


网架是空间受力体系,刚度大、整体性好以及造价低廉,最适合形体均匀的大跨度屋面。但是网架体系也存在杆件混乱、视觉通透性不强的缺点,而且网架形式也并不太利于突出建筑与结构之间的秩序性,致使很多建筑网架的室内最终都进行了吊顶处理。在一些钢梁不能解决的大跨度体系中,需要有效选择网架和桁架形式,但应对基本杆系体系进行建筑师角度的优化,避免建筑师与结构师思想相互脱离,才能更加实现建筑空间的设计理念。

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钢结构雨棚施工细部(唐家骏拍摄)

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主场馆钢网架完成照片(唐家骏拍摄)


二、钢结构的形体塑造思考


正如前文所述,钢结构的产生更多是解决屋面的跨度问题。但随着当代审美意识的演变和软件技术的支撑,大型公建的建筑形体更加复杂化,使得传统结构不能很好解决异形化的建筑形体。钢结构由于其易加工、重量轻、施工便捷等优点,特别是可以与幕墙体系整体计算,在当代大量的应用在复杂建筑形体塑造上。 


大庆公路客运枢纽站

设计时间:2009年   建成时间:2011年


在上文公建项目的钢结构尝试后,笔者与团队又进行了大庆公路客运枢纽站的建筑设计,这个项目不单纯解决空间跨度问题,而面临的是如何运用结构将建筑形体、屋面以及幕墙有机整合。这个项目是集合公路客运运输与办公、住宿为一体的综合交通建筑,现在回头看当初的设计总会感觉比较形式化,但这可能也正是成长的过程。中国的高速建设发展给年轻建筑师提供了很多实践机会,当然也会体现建筑的一些不成熟性。


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大庆公路客运枢纽站照片(韦树祥拍摄)

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建筑局部(唐家骏拍摄)

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建筑剖面图


大庆公路客运枢纽站的屋面为了降低复杂度,没有采取双曲面的立体变化,在屋面结合排水方向采用了单曲面形式。建筑底层大空间屋面依然采用了最经济合理的网架形式,屋面体系并没有太大的突破性,而项目的难点在于如何将复杂立面的形式与结构相互统一。


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钢结构施工照片(唐家骏拍摄)


建筑沿街主立面幕墙的杆件都采用了不规则斜向支撑,这部分的钢结构与幕墙体系一体计算,形成了整体的竖向结构体系,既起到支撑屋面作用同时也满足幕墙抗风。由于主立面缺少竖向杆件,整体承载能力不足,因此又在室内网架中间部分增加了竖向三角支撑,以此来减轻主立面幕墙结构的屋面荷载压力。

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钢结构模型示意图

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主立面钢结构图纸

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主立面幕墙钢结构施工(唐家骏拍摄)


最终设计的主要幕墙大胆的拿掉了垂直支撑柱子,使建筑的室内外立面和谐统一。大庆公路客运枢纽站的结构体系在当时展现了较大的综合性与复杂性,对建筑师和结构师都存在一定的挑战。在与钢结构设计者磨合过程中,为了控制整体造价,笔者与团队在屋面结构体系进行了一定让步,而在立面幕墙的结构体系相对坚持了较多。整个形体塑造过程可谓有得有失,为了实现建筑理念,甚至一些结构体系并不完全符合常规的合理性。可以说,如何运用钢结构来提升建筑语言是当代公共建筑的重要课题之一。


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网架与三角柱(唐家骏拍摄)

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建成室内照片(唐家骏拍摄)

 

龙江公路客运北站

设计时间:2016年   建成时间:2019年


龙江公路客运北站属于中小型公共建筑,由于项目较小同时形体并不规则,因此整个建筑更加纯粹的采用了全钢结构设计。同时,笔者主持了从建筑到室内再到幕墙的整体设计,这样能更加有效的进行综合控制。


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龙江公路客运北站照片(唐家骏拍摄)


由于建筑屋顶并没有达到大跨空间尺度,钢框架成为了建筑的结构体系,H型钢大量应用在建筑水平的屋面和楼板支撑上。H型钢随着建筑形体变化上下起伏设置,钢框架成为了建筑表皮下的清晰骨骼。

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建筑剖面图

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钢框架施工照片(唐家骏拍摄)


通常的钢结构与幕墙设计往往由不同专业来完成,因此经常出现三不管地带,也存在两个专业之间的一些交叉碰撞。龙江公路客运北站尝试了立面三角幕墙的细部设计,在设计之初就把这部分纳入钢结构设计进行考虑,避免竖向支撑与幕墙杆件的反复冲突。主立面的竖向钢柱与斜向幕墙杆件采取了矩形管的形式,钢柱间通过斜向杆件的联系,取消了高耸钢柱之间的横向拉结梁,展现了整体的立面幕墙结构。


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室内外幕墙施工照片(唐家骏拍摄)


钢结构在建筑形体塑造上要注重与建筑的一致性,一方面在设计之初要避免把结构孤立在形体之外,避免混乱的结构构件成为了建筑形体的附庸;另一方面要加强钢结构各环节的实践经验,特别是钢结构与幕墙体系的整体思考,同时要把握建筑室内外钢结构语言的一体效果。


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室内建成照片(唐家骏拍摄)

 

三、钢结构的结构创新探索


所谓建筑师的钢结构创新,并不是简单的结构选型,更不是繁琐的建筑造型,而应该是挖掘钢结构特性而展现钢结构美学的创作。当然这一点对笔者来说也还有很长的路要走,在随后的设计中笔者也力争进行一些钢结构的突破尝试。


大庆西城公路客运枢纽站


设计时间:2016年   预计建成时间:2022年


大庆西城公路客运枢纽站是一个功能性很强的建筑。由于中国的火车站与站前广场分属不同主管部门,因此往往火车站与周边建筑各干各的。这个建筑突破性的进行了与火车站的轴线对接,将火车站出站功能进行延续,同时整合了长途汽车、公交车、出租车和私家车的综合集散功能,整体建筑展现了中心通道式的交通建筑模式。


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西城客运站鸟瞰效果图


新建站房一方面要经过广场下部的城市隧道,与火车站的出站通道对接;另一方面要通过天桥与二层的火车站送站通道联系。建筑功能布局最后呈现了三边雨棚一边连廊的模式,这都大大加强了未来建筑结构的复杂性,因此建筑方案尽可能简化建筑语言,使形体特征更加结合建筑功能来展现。


下图请横屏观看

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建筑剖面图1

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钢结构模型1


下图请横屏观看

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钢结构模型2


综合建筑特点以及功能需求,建筑地面以上部分依然采用了笔者熟悉的全钢结构框架体系,当然这一次要面临比较多的现实问题。为了迎合火车站的形体,建筑采取了斜向柱子和曲线钢梁的模式,同时两侧的室外雨棚根据功能需求降低,与主体建筑形成了一体化的结构语言,最终展现了中间高两侧底的框架模式。

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建筑剖面图2


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钢框架结构施工照片(唐家骏拍摄)


由于屋面跨度最大处达到60米,因此在建筑室内中部增加了两排竖向屋面支撑。为了在室内钢结构柱距和屋面次梁跨度之间找到平衡点,创新尝试了双曲线交合的花瓣状屋面梁,以及Y型大空间支撑柱。主体钢结构在室内装修采取裸露的处理,展现结构的自身形体特征。


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花瓣梁施工照片(唐家骏拍摄)

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Y型柱施工照片(唐家骏拍摄)


这个项目希望能够体现结构的清晰性和美学性,因此所有钢构件都采用了一致的语言。但由于钢结构体系和构件节点的复杂性,致使钢结构计算一度举步维艰,建筑师与结构师不断地磨合碰撞,最终部分结构尺寸还是超出了笔者预期,同时曲线钢梁也给加工和施工带来了较大的难度。可以说,这个项目是笔者在钢结构创新之路上的重要一课,如何巧妙有效的来解决结构问题仍需不断探索。


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室内效果图

 

结语


建筑师在钢结构项目中应该把握选型的基础知识,进而进行结构创新的思考,而不是把这些权力和义务都抛给结构设计师们。当然,结构设计师也应该思考结构创作,探讨结构定案,而不是简单的实现建筑跨度与形体。钢结构是复杂公共建筑的基本骨骼,是大型建筑空间的造型元素。钢结构既让建筑师着迷,成为建筑师的神兵利器,也会让建筑师迷失,沦为建筑师的千斤重担,这就是魅力的建筑钢结构。


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