结构设计如何融入建筑设计之中，一直是结构工程师追求的设计目标之一，大跨度建筑设计为追求这类设计目标创造了很好的工程实践机会。

 

 

1   建筑造型与结构体系相结合

结构创新首先要求结构要与建筑造型、建筑功能和建筑室内效果相协调，结构体系选择要根据受力性能与建筑造型相结合，创造出力与形完美结合的受力体系。通过三个工程案例说明在实践中如何实现建筑造型与结构体系的完美结合。

 

1.1 复旦大学正大体育馆

复旦大学正大体育馆[1-2]（图1）位于复旦大学南区体育中心内，是复旦大学百年校庆主会场，也是复旦大学建校100周年的重点工程。体育馆的主要设计理念为“海面上冉冉升起的太阳”，意寓着日日向上的复旦精神。

 

图1 复旦大学正大体育馆建成后效果

体育馆采用钢桁架-索-拱杂交体系。屋盖主体结构采用脊桁架+纵向桁架，次结构采用拉索和飞拱结构（图2、图3）。屋盖上空与水平面呈76°斜置的钢拱跨越整个结构，大拱跨度为100m，象征复旦大学百年历史。

 

 

(a）主体结构室内效果

 

 

(b）主体结构布置

图2 屋盖主体结构

 

 

（a）屋面次结构室内效果

 

(b）屋面次结构布置

图3 屋盖次结构

 

结构构件需要通过合理的布置达到受力合理的要求，体现力与美的结合（图4、图5）。

 

图4 建筑造型与结构体系

 

 

(a）拱的造型

 

(b）拉索与吊点布置

图5 拱吊主体结构

 

复旦大学正大体育馆采用拱结构承担部分屋面荷载，拱截面比较纤细，满足建筑造型的需要（图6）。屋盖吊索形成琴弦式扇形布置，展现出力与形的轻柔之美。

 

 

图6 屋盖结构荷载分配

 

弧形桁架以及次钢管拱作为膜的支架，上覆白色具有较高透光率的PTET 膜材。白天，室外光线透过玻璃纤维膜进入室内，整个场馆被一种柔和、均匀的光线包围，通透而又舒适；夜晚，室内的灯光透过屋顶漫射在夜空中，远远望去像一个冉冉升起的太阳（图7）。

 

(a）白天室内效果

 

 

(b）夜晚室外效果

图7 复旦大学正大体育馆建筑白天与夜晚效果

 

1.2 上海东方体育中心室外跳水池

上海东方体育中心[1-2]（图8）位于上海黄浦江畔，浦东三林地块内。体育中心包括主体育馆、游泳馆和室外跳水池，是2011年第14 届国际泳联世界锦标赛的核心比赛场馆。室外跳水池坐落于人工湖中的岛上，包含一个50m×25m的标准比赛池和一个30m×25m的跳水池，其造型呈半月形，取名为“月亮湾”。

 

(a）外观效果

 

 

(b）室内效果

图8 上海东方体育中心建筑效果

 

室外跳水池屋盖为悬挑型挑篷，由18榀悬臂钢桁架（图9）组成，其平面投影由外侧圆环和内侧偏心的椭圆环构成。

 

图9 单榀桁架结构

 

18 榀形状相似的悬臂钢桁架沿着斜置的椭圆环排列，每一个结构单元的构思都来源于海上雄伟壮观的帆船（图10）。

 

(a）整体结构布置

 

(b）单榀桁架间支撑和环梁布置

图10 整体结构

 

1.3 长沙国际会展中心

长沙国际会展中心[3]（图11）位于城市南部综合发展带上，包括南北登录厅、展馆、连廊、室外展场四个部分，总建筑面积约445100m2。室内展览面积为177500m2，室外展览面积85000m2。相邻两个展厅组成屋盖结构相连的整体，其平面投影为207m×162m，屋盖结构最大跨度81m，屋盖结构高度为18.9~32.1m。

 

 

 

图11 长沙国际会展中心

 

（1）结构体系

屋面曲线垂跨比仅1/38，屋盖结构跨度81m。屋盖结构体系选择张弦梁结构，主梁贴合屋盖造型布置，弥补了下凹形态导致的刚度不足的缺点，又满足通透的观感要求，无需吊顶（图12、图13）。

 

图12 设计理念

 

 

图13 展厅结构轴测图

 

张弦梁拉索垂跨比为1/9.5，与主梁弧度相协调，形成韵律的水波，结构受力与建筑美学相平衡（图14、图15）。

 

 

图14 展厅结构立面图

 

 

图15 单榀张弦梁轴测图

（2）下凹形张弦梁平面外稳定性

下凹形的展厅屋盖张弦梁结构易发生平面外稳定性，采用以下措施防止其失稳：

1）垂直张弦梁方向的次梁密布且与张弦梁主梁刚接连接，以保证屋盖结构具有足够的整体抗弯刚度。

2）撑杆突破性地采用H型钢，与主梁采用双板铰节点连接，在张弦梁平面内可转动，面外具有足够的抗弯刚度，满足下凹型张弦梁施工张拉和面外稳定性需求。

3）附加稳定措施：设计中在较高的撑杆两侧设置隅撑，提高安全冗余度（图16）。

 

 

 

 

图16 保证张弦梁面外稳定性措施

 

巨型且优雅的结构创造了通透简洁的巨型空间，优雅有力而富有韵律感的结构线条彰显建筑的美与力量感。同组展厅仅以间距18m的鱼腹梁相连。

山墙立面柱主要抵抗风荷载，以均匀开设圆角矩形孔的H型钢作为构件截面。张弦梁撑杆H型钢截面高度较大，截面抗压承载力富裕度较高，在H型钢腹板上开圆角矩形孔，与山墙立面柱相互呼应（图17）。

 

 

 

图17长沙国际会展中心建成后效果

 

2   建筑空间与结构布置相协调

 

2.1 同济大学嘉定校区体育馆

同济大学嘉定校区体育馆[1]（图18）在结构设计与建筑设计相融合，其构件层面和节点设计在表达建筑师理念上具有突出的亮点。该体育馆采用单曲面的建筑造型，跨度为纵向76.5m，横向60m，包括有看台的体育馆和游泳馆（图19）。

 

图18 同济大学嘉定校区体育馆

 

 

图19 体育馆内部空间

 

体育馆采用张弦梁结构体系，完美贴合建筑形象，创造了令人满意的内部建筑空间。游泳馆采用了可开合的张弦梁体系（图20），在满足建筑功能的同时，开合屋盖可以保证结构绿色环保，节省运营成本。

 

 

图20 游泳馆开合屋盖

 

在构件层面，体育馆引入导光管的设计（图21、图22），将自然光引入室内，节约能源，绿色环保。对张弦梁腹杆和导光管进行了一体化设计，将导光管放在撑杆内部，避免导光管占有建筑空间，创造了满天星的建筑艺术表达。

 

图21 屋面导光管傍晚效果

 

 

图22 撑杆与导光管的一体化设计

 

游泳馆的滑动屋盖（图23）采用了屋面立面一体化设计。将单层网格屋面和立面结构结合的设计可以将屋盖的轨道设置于地面，进而减少屋盖滑动对整体结构的影响，满足建筑功能的需求。

 

（a）游泳馆内部效果

 

 

（b）滑动屋盖结构

图23 游泳馆屋面立面一体化设计

 

在节点层面，游泳馆开合屋盖的张弦梁撑杆与上弦采用了圆滑过渡（图24），造型简洁美观。撑杆底部索夹节点采用了一体化设计，节点精细美观。

 

 

图24 游泳馆张弦梁细部节点

 

对体育馆张弦梁下部索夹节点进行了精细化设计（图25），将拉索布置在撑杆两侧，避免了结构对导光管的影响。在施工张拉时，索夹节点可以允许拉索滑动，张拉施工完成后锁紧，避免了施工张拉过程中在撑杆上端产生较大的弯矩。

 

 

 

 

图25 体育馆腹杆拉索节点精细化设计

 

2.2 济宁游泳馆

济宁游泳馆（图26）地上4层，地下1层，结构总高度为23m。屋盖主体呈现连续折板形态，以纵向中轴对称。屋盖纵向长度195m，横向最大宽度102m。

 

 

 

图26 济宁游泳馆建成效果

 

侧部六边形蜂窝立面采用方钢管网格结构下包至室外地面（图27），承受竖向及水平荷载，并与屋盖主结构连为整体，使建筑造型直接表现于结构形式。

 

 

 

图27 结构整体模型

 

济宁游泳馆屋盖结构的突出特点在于采用“上部主梁分叉形、下部拉索分叉形”的双Y形张弦梁作为中央屋盖的布置方案。此方案在合理控制跨中挠度的前提下，有效减少了用钢量；且自重和拉索预应力下的反拱值较为合理（图28、图29）。

 

 

 

 

图28 结构构思草图

 

 

 

 

（a）平面布置

 

 

 

（b）立面刚架效果

图29 结构模型

此外，游泳馆墙面蜂窝刚架结构（图30）在满足建筑造型的同时，也为屋面张弦梁的延伸段提供了立面支撑，改善了结构刚度，增强了自身的面外稳定性，使结构设计与建筑设计完美契合。

 

 

 

（a）外部效果

 

 

 

（b）内部效果

图30 蜂窝刚架效果

 

2.3 重庆西站

重庆西站（图31）是中国西南地区规模最大的铁路客运交通枢纽，位于沙坪坝区与九龙坡区之间，以铁路为主，集长途汽车、公交、轨道交通等多种交通方式于一体，是重庆市规划的“三主两辅”客运交通网络中的一主。

 

 

 

图31 重庆西站建成后整体效果图

 

站房东立面采用全国车站中最大跨度组合拱支撑结构体系。下拱受力跨度为108m、上拱受力跨度为192m，组合拱结构将屋面承重结构与立面幕墙结构完美组合起来，从而成就了车站主入口处无柱的大气通透开敞空间（图32）。

 

（a）主拱结构

 

 

（b）建筑完成后的主拱

图32 重庆西站主拱结构体系

 

入口大厅幕墙结构设计采用了数字化设计技术，结构和建筑达到了完美结合，精彩展现了“重庆之眼”（图33）。

 

图33 “重庆之眼”效果

 

设计创新性地提出“采用无站台柱清水混凝土雨棚的设计创新实践”方案（图34），即以重庆西站雨棚为试点在国内大型铁路站房中首次采用现浇纯清水混凝土雨棚设计方案。

 

 

 

 

 

图34 清水混凝土站台

 

3 数字化新技术的引入

 

随着大跨建筑造型越来越复杂，将数字化技术引入到结构设计中，不仅提高了结构设计的效率，同时提升了建筑与结构的融合度。

3.1 上海交响乐团

上海交响乐团（图35）屋面为异形的清水混凝土薄壳结构（图36）。为了找到结构受力最合理的形式，采用数字化技术，通过多次循环找出最终屋盖形态（图37）。

 

 

图35 上海交响乐团建筑效果

 

 

图36 屋盖形态

 

 

 

图37 找形过程

 

3.2 滇池水上乐园

滇池水上乐园（图38）为一个跨度200m的壳体结构，建筑造型和结构体系（图39）在方案阶段受到的约束较少，设计比较自由。

 

 

 

图38 滇池水上乐园建筑方案

 

 

 

（a）平面尺寸

 

（a）立面尺寸

图39 结构尺寸

 

在本项目数字化新技术应用到了极致，结构在满足建筑造型和建筑空间的前提下，进行了各种方案的比选（图40~42）。

 

 

  

图40 结构方案 

 

 

 

 图41 结构找形过程

 

 

 

图42 最终方案三维模型

 

 

4   结论与展望

 

结构设计创新不仅应建立在对传统结构体系和材料特性有深刻理解的基础上，还应从解决工程实际问题出发；其次要切实掌握创新设计在整个设计中的权重，并让这种创新设计为各方所接受，最后要不断提高自身建筑修养，并让结构创新之美与建筑之美和谐统一，以达到结构设计的理想境界。

本文刊登于《建筑结构》2019年第19期，题为《建筑结构设计中的创新与实践》，作者：丁洁民、张月强、张峥，单位：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司。敬请查阅！