【鋼結構·技術】一個建筑師的鋼結構建造記

lylla 2021-01-22

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本文授權轉載自公眾號A05工作室

作者：唐家駿

當代公共建筑設計的空間尺度和形體復雜度日益加強，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土體系經常捉襟見肘，致使鋼結構被大量采用來解決相應問題。鋼結構具有重量輕、易加工、施工快等優(yōu)點，因此被廣泛應用在高層、大跨度和復雜建筑等領域。當下鋼結構設計在很多設計單位成為了獨立的結構工種，可見鋼結構在建筑工程設計中的特殊屬性。

建筑師如何合理高效的選擇鋼結構形式、如何將鋼結構與建筑語言有機整合統(tǒng)一、如何在工程設計過程把握建筑主導權，這些都給建筑師提出了很多需要思考的課題。建筑設計實踐對建筑師來講是一個基礎夯實和經驗積累相互補充的過程，這里面會有很多的得與失。筆者在十幾年的建筑實踐過程中，也主持設計了一些鋼結構體系的建筑項目，這里面即囊括了多種公建形式，也嘗試了多種鋼結構類型，在鋼結構建造過程中可以說是——“衣帶漸寬終不悔,為伊消得人憔悴?！?/span>

本文記錄了筆者一些鋼結構項目的設計與施工過程，也進行相應的思考總結，可謂管中窺豹，時見一斑。

筆者主設的鋼結構項目（唐家駿、韋樹祥拍攝）

一、鋼結構的屋面選型嘗試

由于鋼結構自身的受力優(yōu)點，與鋼筋混凝土體系相比能夠具有更大的跨高比，同時可以形成空間桿系結構，故此鋼結構最大量的應用在大跨屋面體系中。在建筑項目中，桁架、網架和鋼梁是解決不同跨度要求的常用手段。

哈爾濱道外客運站

設計時間：2005年建成時間：2007年

道外客運站項目位于哈爾濱道外老城區(qū)，是筆者主設的第一個鋼結構為主的實際建成工程，項目體現公共交通簡約高效的空間特征。整個設計過程對當時的筆者來講可謂摸著石頭過河，亦步亦趨的進行，由于建筑完成年代較早，設計的復雜度和完成度還相對比較淺顯。筆者在整個設計與建設過程初步了解了鋼結構的施工過程、鋼結構與幕墻的結合、鋼結構的細部節(jié)點等基本常識，可以說是筆者的鋼結構建筑第一課，這一課大多是在建造過程中進行的。

道外客運站鳥瞰照片（唐家駿拍攝）

建筑設計結合交通建筑的特征，形成了狹長形的大跨度共享空間，同時在平面和立面兩個方面進行雙曲面空間變化。建筑大廳開間為12米排列，進深最大達到了24米，這種單向大跨度的空間特征最適合采取鋼桁架或者鋼梁的形式來進行布置。由于本案的造型特征以及經濟性的考慮，最終方案的共享大廳采取了落地管桁架的形式，將屋頂和正立面整合思考。

建筑剖面圖

鋼桁架施工照片（唐家駿拍攝）

下圖請橫屏觀看

鋼結構屋面平面布置圖

鋼結構的每榀桁架獨立施工，同時與幕墻體系完整連接，形成了一體化的雙曲面結構。設計希望展現結構的空間特征，在整個室內空間采取了暴露鋼結構處理。三角桁架的腹桿形式由結構設計人員計算，這方面建筑師往往并不好控制形式細節(jié)。為了在空間中加強三角桁架的橫向視覺連接，筆者在屋面和幕墻都進行了三角橫向拉結設計，這些橫向暴露桿件雖然并不是最優(yōu)化的構件策略，但在結構形態(tài)會加強整體效果，所以在結構的合理范圍建筑師還是可以加上一些自己的小心思。

鋼桁架施工節(jié)點（唐家駿拍攝）

外部幕墻施工照片（唐家駿拍攝）

室內鋼桁架完成照片（韋樹祥拍攝）

哈爾濱橄欖山禮拜堂

設計時間：2007年建成時間：2009年

在道外客運站建成之后，筆者機緣巧合的又進行了一次鋼結構框架體系的設計，這個項目是位于哈爾濱郊區(qū)山腳下的一座基督教堂。中國所稱的基督教屬于新教范疇，項目的主管牧師們希望教堂擺脫傳統(tǒng)古典教堂形式束縛，同時也兼具大型會議功能，最終的教堂設計形成了偏會堂式的空間類型。

禮拜堂照片（韋樹祥拍攝）

由于教堂的建筑形體由雙曲面的多個形體組成，同時大空間屋面最寬處達到了30米的跨度，因此進行整體鋼結構設計會更加體現建筑的空間邏輯。教堂大空間兩個方向相對均衡，從常規(guī)來講網架體系會更加經濟，但是網架屋面與周邊豎向支撐鋼柱的整體性欠缺，交接節(jié)點會相對較為混亂，網架結構如果在教堂裸露會影響空間氛圍。因此最終結構采取了鋼框架結構形式，20-30米跨度的鋼梁在經濟上也是可以接受的范圍。

建筑剖面圖

鋼結構模型

鋼框架施工照片（唐家駿拍攝）

鋼結構屋面平面布置圖

鋼結構立面圖紙

鋼結構的豎向鋼柱與橫向鋼梁都采取了H型鋼的模式，平面曲線鋼柱沿外圍發(fā)散布置，與頂部鋼梁焊接而成，同時主體鋼結構桿件延續(xù)建筑外部形體，形成完整框架。建筑的鋁板和玻璃幕墻結合雙曲線鋼結構一體設計，鋼結構和幕墻桿件在室內也采取暴露處理，突出建筑形體與結構的完整性。

H型鋼施工細部（唐家駿拍攝）

與道外客運站的落地管桁架相比，異型鋼框架體系的用鋼量較大，計算也相對復雜。最終建成后的H型鋼的截面尺寸也比筆者預想的要大，一些鋼梁鋼柱的裸露節(jié)點也較多，也大大會影響鋼結構的空間效果。但鋼框架體系的建筑骨骼感明晰，建筑的整體空間性較好，同時室內頂棚會有更加干凈利索的處理效果，這也是鋼框架體系的一些自身優(yōu)點。不同鋼結構體系的選擇會給建筑帶來不同的空間氛圍，也會塑造建筑的不同性格，這也是建筑師非常需要自身把握的一點。

室內鋼結構完成照片（唐家駿拍攝）

室內鋼結構一角（韋樹祥拍攝）

大興安嶺文化體育中心

設計時間：2009年建成時間：2013年

隨著道外客運站與橄欖山禮拜堂的建成，筆者及當時的設計團隊加強了鋼結構設計的信心，大興安嶺文化體育中心就是在經驗積累上完成的更大跨度公共建筑。文體中心以體育賽事功能為主，同時將群眾休閑健身、展覽、文藝演出等功能需求納入到場館之中，充分利用體育場館大空間所特有的靈活性進行多功能設計。

文體中心照片（唐家駿拍攝）

根據建筑的空間特點以及場館需求，設計采取了兩片曲面網架體系，網架體系坐落于混凝土平臺之上。其中主場館的跨度兩個方向均接近70米，鋼梁結構已經遠遠不適合采用，桁架結構也不如網架的選擇結構清晰和造價經濟，因此主場館經過計算形成了雙層網架的結構設計。

建筑剖面圖

主場館鋼網架施工照片（唐家駿拍攝）

為了實現看臺區(qū)域的建筑外部形體特征，也避免屋面對看臺部分增加荷載，整體網架采取了曲線落地處理。落地網架的兩側采用了樹樁鋼柱支撐，形成了完整的立體空間網架。

落地網架照片（唐家駿拍攝）

網架細部照片（唐家駿拍攝）

側向鋼柱施工照片（唐家駿拍攝）

網架是空間受力體系，剛度大、整體性好以及造價低廉，最適合形體均勻的大跨度屋面。但是網架體系也存在桿件混亂、視覺通透性不強的缺點，而且網架形式也并不太利于突出建筑與結構之間的秩序性，致使很多建筑網架的室內最終都進行了吊頂處理。在一些鋼梁不能解決的大跨度體系中，需要有效選擇網架和桁架形式，但應對基本桿系體系進行建筑師角度的優(yōu)化，避免建筑師與結構師思想相互脫離，才能更加實現建筑空間的設計理念。

鋼結構雨棚施工細部（唐家駿拍攝）

主場館鋼網架完成照片（唐家駿拍攝）

二、鋼結構的形體塑造思考

正如前文所述，鋼結構的產生更多是解決屋面的跨度問題。但隨著當代審美意識的演變和軟件技術的支撐，大型公建的建筑形體更加復雜化，使得傳統(tǒng)結構不能很好解決異形化的建筑形體。鋼結構由于其易加工、重量輕、施工便捷等優(yōu)點，特別是可以與幕墻體系整體計算，在當代大量的應用在復雜建筑形體塑造上。

大慶公路客運樞紐站

設計時間：2009年建成時間：2011年

在上文公建項目的鋼結構嘗試后，筆者與團隊又進行了大慶公路客運樞紐站的建筑設計，這個項目不單純解決空間跨度問題，而面臨的是如何運用結構將建筑形體、屋面以及幕墻有機整合。這個項目是集合公路客運運輸與辦公、住宿為一體的綜合交通建筑，現在回頭看當初的設計總會感覺比較形式化，但這可能也正是成長的過程。中國的高速建設發(fā)展給年輕建筑師提供了很多實踐機會，當然也會體現建筑的一些不成熟性。

大慶公路客運樞紐站照片（韋樹祥拍攝）

建筑局部（唐家駿拍攝）

建筑剖面圖

大慶公路客運樞紐站的屋面為了降低復雜度，沒有采取雙曲面的立體變化，在屋面結合排水方向采用了單曲面形式。建筑底層大空間屋面依然采用了最經濟合理的網架形式，屋面體系并沒有太大的突破性，而項目的難點在于如何將復雜立面的形式與結構相互統(tǒng)一。

鋼結構施工照片（唐家駿拍攝）

建筑沿街主立面幕墻的桿件都采用了不規(guī)則斜向支撐，這部分的鋼結構與幕墻體系一體計算，形成了整體的豎向結構體系，既起到支撐屋面作用同時也滿足幕墻抗風。由于主立面缺少豎向桿件，整體承載能力不足，因此又在室內網架中間部分增加了豎向三角支撐，以此來減輕主立面幕墻結構的屋面荷載壓力。

鋼結構模型示意圖

主立面鋼結構圖紙

主立面幕墻鋼結構施工（唐家駿拍攝）

最終設計的主要幕墻大膽的拿掉了垂直支撐柱子，使建筑的室內外立面和諧統(tǒng)一。大慶公路客運樞紐站的結構體系在當時展現了較大的綜合性與復雜性，對建筑師和結構師都存在一定的挑戰(zhàn)。在與鋼結構設計者磨合過程中，為了控制整體造價，筆者與團隊在屋面結構體系進行了一定讓步，而在立面幕墻的結構體系相對堅持了較多。整個形體塑造過程可謂有得有失，為了實現建筑理念，甚至一些結構體系并不完全符合常規(guī)的合理性。可以說，如何運用鋼結構來提升建筑語言是當代公共建筑的重要課題之一。

網架與三角柱（唐家駿拍攝）

建成室內照片（唐家駿拍攝）

龍江公路客運北站

設計時間：2016年建成時間：2019年

龍江公路客運北站屬于中小型公共建筑，由于項目較小同時形體并不規(guī)則，因此整個建筑更加純粹的采用了全鋼結構設計。同時，筆者主持了從建筑到室內再到幕墻的整體設計，這樣能更加有效的進行綜合控制。

龍江公路客運北站照片（唐家駿拍攝）

由于建筑屋頂并沒有達到大跨空間尺度，鋼框架成為了建筑的結構體系，H型鋼大量應用在建筑水平的屋面和樓板支撐上。H型鋼隨著建筑形體變化上下起伏設置，鋼框架成為了建筑表皮下的清晰骨骼。

建筑剖面圖

鋼框架施工照片（唐家駿拍攝）

通常的鋼結構與幕墻設計往往由不同專業(yè)來完成，因此經常出現三不管地帶，也存在兩個專業(yè)之間的一些交叉碰撞。龍江公路客運北站嘗試了立面三角幕墻的細部設計，在設計之初就把這部分納入鋼結構設計進行考慮，避免豎向支撐與幕墻桿件的反復沖突。主立面的豎向鋼柱與斜向幕墻桿件采取了矩形管的形式，鋼柱間通過斜向桿件的聯系，取消了高聳鋼柱之間的橫向拉結梁，展現了整體的立面幕墻結構。

室內外幕墻施工照片（唐家駿拍攝）

鋼結構在建筑形體塑造上要注重與建筑的一致性，一方面在設計之初要避免把結構孤立在形體之外，避免混亂的結構構件成為了建筑形體的附庸；另一方面要加強鋼結構各環(huán)節(jié)的實踐經驗，特別是鋼結構與幕墻體系的整體思考，同時要把握建筑室內外鋼結構語言的一體效果。

室內建成照片（唐家駿拍攝）

三、鋼結構的結構創(chuàng)新探索

所謂建筑師的鋼結構創(chuàng)新，并不是簡單的結構選型，更不是繁瑣的建筑造型，而應該是挖掘鋼結構特性而展現鋼結構美學的創(chuàng)作。當然這一點對筆者來說也還有很長的路要走，在隨后的設計中筆者也力爭進行一些鋼結構的突破嘗試。

大慶西城公路客運樞紐站

設計時間：2016年預計建成時間：2022年

大慶西城公路客運樞紐站是一個功能性很強的建筑。由于中國的火車站與站前廣場分屬不同主管部門，因此往往火車站與周邊建筑各干各的。這個建筑突破性的進行了與火車站的軸線對接，將火車站出站功能進行延續(xù)，同時整合了長途汽車、公交車、出租車和私家車的綜合集散功能，整體建筑展現了中心通道式的交通建筑模式。

西城客運站鳥瞰效果圖

新建站房一方面要經過廣場下部的城市隧道，與火車站的出站通道對接；另一方面要通過天橋與二層的火車站送站通道聯系。建筑功能布局最后呈現了三邊雨棚一邊連廊的模式，這都大大加強了未來建筑結構的復雜性，因此建筑方案盡可能簡化建筑語言，使形體特征更加結合建筑功能來展現。

下圖請橫屏觀看

建筑剖面圖1

鋼結構模型1

下圖請橫屏觀看

鋼結構模型2

綜合建筑特點以及功能需求，建筑地面以上部分依然采用了筆者熟悉的全鋼結構框架體系，當然這一次要面臨比較多的現實問題。為了迎合火車站的形體，建筑采取了斜向柱子和曲線鋼梁的模式，同時兩側的室外雨棚根據功能需求降低，與主體建筑形成了一體化的結構語言，最終展現了中間高兩側底的框架模式。

建筑剖面圖2

鋼框架結構施工照片（唐家駿拍攝）

由于屋面跨度最大處達到60米，因此在建筑室內中部增加了兩排豎向屋面支撐。為了在室內鋼結構柱距和屋面次梁跨度之間找到平衡點，創(chuàng)新嘗試了雙曲線交合的花瓣狀屋面梁，以及Y型大空間支撐柱。主體鋼結構在室內裝修采取裸露的處理，展現結構的自身形體特征。

花瓣梁施工照片（唐家駿拍攝）

Y型柱施工照片（唐家駿拍攝）

這個項目希望能夠體現結構的清晰性和美學性，因此所有鋼構件都采用了一致的語言。但由于鋼結構體系和構件節(jié)點的復雜性，致使鋼結構計算一度舉步維艱，建筑師與結構師不斷地磨合碰撞，最終部分結構尺寸還是超出了筆者預期，同時曲線鋼梁也給加工和施工帶來了較大的難度。可以說，這個項目是筆者在鋼結構創(chuàng)新之路上的重要一課，如何巧妙有效的來解決結構問題仍需不斷探索。

室內效果圖

四、結語

建筑師在鋼結構項目中應該把握選型的基礎知識，進而進行結構創(chuàng)新的思考，而不是把這些權力和義務都拋給結構設計師們。當然，結構設計師也應該思考結構創(chuàng)作，探討結構定案，而不是簡單的實現建筑跨度與形體。鋼結構是復雜公共建筑的基本骨骼，是大型建筑空間的造型元素。鋼結構既讓建筑師著迷，成為建筑師的神兵利器，也會讓建筑師迷失，淪為建筑師的千斤重擔，這就是魅力的建筑鋼結構。

(注：本文照片及效果圖版權歸設計者唐家駿及設計單位哈爾濱天宸建筑設計所有）