“2013建筑、结构巅峰对话：结构成就建筑之美”国际会议主题报告：
结构技术创新助力建筑创作——范重 中国建筑设计集团副总工程师
“对于建筑师与结构师而言，我们各自的侧重点是不一样的，有的时候往往会有一定的分歧，特别是目前建筑形式的表现力越来越强，结构怎么去通过自身的提升来适应建筑创作，这确实也是一个难题和挑战。以我本人和我们的团队、中国建筑设计集团崔恺院士以及其他工程师为主、与境外建筑结构师合作完成的一些项目为实例，把这些结构上的一些想法、创新介绍给大家，看怎么通过结构的变化来适应建筑效果的改进。”
一、用创新的结构形式表现建筑造型
1.晋江市品牌博览广场
总建筑面积约100,000m2，主要包括展厅、入口广场、多功能厅、会议楼及附属用房等部分。展厅主体结构采用侧向刚度较大、经济性好的钢筋混凝土框架结构体系，展厅内部不设柱，以满足建筑对大空间的使用要求。大跨度屋盖采用富有现代气息的空间管桁架钢结构体系，截面采用自稳定的空间菱形，跨度60～78m，但实际上桁架是4m。由于仅有一半桁架高度在人视觉范围内，室内净空较大。此外，屋面形成具有一定韵律的脊线，建筑造型大气。空间桁架的杆件均为圆钢管，钢管之间采用直接相贯的焊接节点。空间钢桁架支承在展厅框架柱上，桁架支座采用板式橡胶支座。通过简单改进，虽然还是传统的桁架，但是施工更方便，效果理想。
2.苏州火车站
苏州火车站改造工程属原址改扩建项目，地下3层，地上2层。地面以上由北站房、南站房与候车大厅组成。北站房广厅的室内空间非常高大，南站房结合广场，为开放式的半室外空间。大跨度屋盖平面呈工字形，南北方向最大长度为352.2m，东西方向最大长度为198m，屋盖最大高度为31.855m，屋盖钢结构覆盖面积达60000㎡左右。建筑方案创作中从苏州园林中借景窗的造园艺术吸收灵感，用菱形表现站房的屋顶。屋盖结构采用双向布置的空间桁架结构；桁架截面为菱形，宽度为11m，高度为8m；为了满足建筑造型与采光要求，菱形桁架在屋盖短方向采用密排方式，在屋盖长方向则主要布置在柱顶位置。
60000㎡的结构只有16根柱来支撑，原因是它采用了空间作用很强的联排式、变形的空间结构。该工程被评为苏州的十大建筑之一。
3.鄂尔多斯东胜体育场
鄂尔多斯东胜体育场共有观众席40500座，总建筑面积为100451㎡。体育场固定屋盖投影为椭圆形，长轴为268m，短轴为220m。巨拱高度129m，跨度达330m，旁边飘带形状建筑长1000m左右，是它的附属场馆，包括游泳馆、体育馆及展厅。体育场带有可开闭屋顶，其最大可开启面积（水平投影）10076.2㎡。目前活动屋盖运行情况良好，已经成功举办过包括第62届世界小姐总决赛在内的多项重大活动，以其极高的科技含量，赢得了很好的国际声誉。
建筑创意中蕴含了内蒙古草原上弓箭、琴弦的寓意。拱并不是直立而是斜立，与南非世界杯足球赛场地的单拱不倾斜不一样。这就出现了结构师与建筑师看法的差异，虽然从建筑效果出发有一定的倾斜度，整体的效果灵动感会更好，但是从结构角度来说，两边的轨道不易保持平衡，难度比较大。设计中巧妙地借鉴了钢管拱桥的设计理念，通过钢索将屋盖大部分重力荷载传给巨拱，结构体系合理、新颖。巨拱采用近似悬链线形钢管桁架，通过多根钢索与屋盖主桁架上弦节点相连，有效减小固定屋盖在活动屋盖运行时的变形量，桁架高度大大降低，建筑美观，用钢量小。
值得一提的是飘带的部分有70m左右是很复杂不规则的平面，在此采用了一个新结构，屋面是曲面，一般的桁架很难满足要求，而我们在阴影部分设一张弦，上面是比较薄的网架和折面，下面是一个拉索，上面钢结构不变，和底下张拉结构形成对比，建筑师可以利用这个纤细的构件做一些装饰，若三角形桁架很笨重，室内的效果和构件力度就会很差。
4.国家网球馆（钻石球场）
国家网球馆（钻石球场）位于北京市朝阳区奥林匹克公园北区，赛时看台区总座席数为13598个，总建筑面积约51199㎡。国家网球馆固定屋盖最大直径为140m，中间带有可开启的活动屋盖，开启面积约为70m×60m。与建筑师密切配合，结合建筑立面效果，设置16组V形柱，使结构的刚度大大增强。国家网球馆是目前国际最先的网球比赛场馆，已经成功举办中国网球公开赛等重大国际赛事。
这个项目我们与建筑师配合得比较好，主要是表现在建筑的立面，建筑的立面是钻石造型，设置了16组微型柱，既是建筑立面的效果也是建筑的支撑，屋顶盖局部两层，周边三层，从立面看不到屋顶，旁边三层从整个立面来看是相当有特色的。
5.奥运瞭望塔
奥运瞭望塔位于北京市奥林匹克公园中心区内，主体建筑紧邻中轴线景观大道。建筑占地面积约为6500㎡，总建筑面积为1.8万㎡。瞭望塔由5个直径与高低各不相同的单塔组成，最大高度约为248m。每个单塔均由圆柱状塔身与顶部树冠形的瞭望大厅与瞭望平台组成。中间主塔直径为14.8m，其余为7.2m与6m。建筑寓意为“生命之树”。基座大厅最大高度为18m。
塔体之间的连接桁架是创新之处。由于每个单塔的高跨比很大，无法满足结构抗风与抗震要求。为了增强结构的整体侧向刚度，在五个单塔之间设置连接桁架，形成多连体结构，大大提高了结构的抗倾覆能力，满足风荷载作用下的舒适度要求，保证结构在罕遇地震作用下的安全性。连接桁架高度约3.0m，宽度约2.7m，并在主塔一侧设有加腋。连接桁架同时可以作为各塔之间的联络通道。这种结构我们起名叫组合塔式结构，因为超高层发展越来越快，建筑越来越高，发展方向不是单体，而是组合，这是一个很好的发展方向。
二、用特殊构件增强建筑的表现力
在大型复杂公共建筑设计时，建筑师有时希望结构外露，直接用结构构件表现建筑效果，减小额外的建筑装饰。对构件的截面形式与表面效果要求较高。应考虑特殊构件的受力性能与加工制作工艺对构件性能的影响。
1、首都博物馆新馆
首博新馆工程地面以上平面呈长方形，长144m，宽65m，建筑总高度约40m，分为北侧的主展览楼、椭圆形展览楼、南侧的管理办公楼及东侧钢平台等几个部分。其中椭圆形展览楼地面以上6层，内筒长轴29.2m，短轴21.2m，外筒长轴34.0m，短轴26.0m，以10：3的斜率向北倾斜，在距±0.000标高约10m处突出墙面，屋面结构标高39.5m。
建筑屋盖东西方向长度为168米，南北方向长度为89米，其中椭圆形展览楼从大跨度屋盖的顶部穿出，并在与屋盖相交处设置环形采光带。屋盖在建筑北侧的悬挑长度达21米，在其它三面的外挑长度为12米。屋盖采用单坡排水，北侧高，南侧低，坡度为2％，南、北挑檐上表面与下表面夹角均为12°，东、西挑檐上表面与下表面的夹角由南到北从12°连续变化到16°，挑檐端部非常尖锐。
大跨度屋盖采用钢桁架结构体系，主桁架南北向布置，间距为8m。在大跨度钢桁架结构体系设置了长轴为41m、短轴为32m的椭圆形大洞，使屋盖结构与下部混凝土结构完全脱开，避免了屋盖结构出现偏心。
该工程屋盖特殊，连接很多展厅连，周边掏洞以做展厅，北侧有在当时北京甚至是全国这都是最大的21m的悬挑。在内部通一桁架，在次方向与垂直的方向降低该构件，端部做一变截面的H型钢，这两个构件不在同一高度，以此实现尖端部分的效果，尖端非常薄。在前端4m距离范围之内设置悬挑百叶，它可以卸掉风负载，光线的变化也可调节阴影覆盖，建成后通过测试调整屋盖的平均度，达到很好的效果。
2．国家体育场“鸟巢”
北京国家体育场是第29届奥运会的主会场，固定座席可容纳8万人，活动座席可容纳1.1万人，总建筑面积约为25.8万㎡。国家体育场屋面呈双曲线马鞍型，长轴为332.3m，短轴为297.3m，交叉布置的主结构与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。
迄今为止，对于薄壁箱形构件的研究主要着重于以薄壁为特征的直梁和曲梁的性能研究，对于扭曲薄壁箱形构件的系统理论研究尚未涉及。而扭曲构件在建筑工程中的应用也尚属首次，国内外目前均无相关的技术规程与工程应用实例。此外，箱形扭曲构件空间关系非常复杂，常规设计软件均无法完成其几何构型。同时，传统的制图方式无法表达其几何定位与板件之间的相对关系。以上均为设计中亟待解决的技术难点。
3．奥运演播塔（玲珑塔）
奥运演播塔位于奥林匹克公园中心区中部，是2008年北京第29届奥运会期间主要转播现场，是一个坐标性构筑物。演播塔总高度为132m，总建筑面积4299㎡，地上沿高度方向共设有7层演播室。每层塔楼相隔13.5m，每个塔楼设有两层，上层为演播室工作平台，下层为卫生间及设备用房。建筑平面为等边三角形，三个角筒为垂直交通空间。 结合建筑平面，将角部的消防楼梯梁作为柱间支撑，形成巨型角筒；利用屋面斜梁作为巨型支撑，形成巨型柱＋巨型支撑。构件大量采用异形截面，满足建筑立面菱形体造型，方便玻璃幕墙安装。
为了达到晶莹剔透的效果，转角到外墙有一个突变，我们采用很多特殊的构件，构件行不行谁也没有把握，做了有限元模型分析。最终圆满地实现加工制作，值得一提的是该工程总用钢量1000多吨，构件尺寸都在200mm左右，很纤细，很多业内人士说用料太省了，简直像个大玩具，建筑外形很别致。
4、天津金融会议酒店
天津金融会议酒店为多层大跨度结构，主体结构由8个结构筒体+大跨度桁架梁与周边的钢管混凝土柱+H型钢梁框架构成。结构筒体内部主要作为楼电梯使用空间，是竖向承重与抗侧力的主要构件。由于筒体布置了门洞，若用钢支撑形成框架-支撑筒体，将无法进行门洞布置。该工程是多层大跨度结构，有各种各样的新的要求，该结构完全是用造桥的概念来做的，有八个较小的核心筒，结构太长不能用混凝土，若用混凝土约束太大，故此，在设计时采用了有洞口钢板剪力墙。
三、用新技术改善建筑效果
1. 宁波国际会展中心
宁波国际会议展览中心由由主展厅、小展厅、西展厅、东展厅、商务办公楼和会议楼等子项构成，总建筑面积约约为90,000㎡，主要用于举办每年一度的国际服装节。 在主展厅两侧与南侧为半室外广场，覆盖有圆柱壳形屋盖，起到全天候条件下联系各展厅的作用，不希望在结构单元之间设置双柱。 设计采用固定支座、单向滑动与双向滑动支座等多种支座方式，将大跨度屋盖支承在5栋独立的结构之上，达到了较好的建筑效果。
2、中关村金融中心
中关村金融中心塔楼150m高，连桥将塔楼与配楼连为一体，长约140m，宽约30m，平面及空间均为弧形，造型复杂独特，建筑师不希望在建筑一侧设置双柱。连桥由4个混凝土筒体及其支承的钢结构楼面及屋面组成。桥面采用空间钢桁架结构，上铺设压型钢板混凝土楼面。钢桁架最大跨度约35m，次桁架最大悬挑长度约10m。连廊屋面采用空间门式刚架结构。主桁架在主楼、副楼处支座为双向可滑动，设计滑动量350mm。主桁架在筒体处支座施工阶段可滑动，使用期为固定铰支座。
四、新型节点使建筑构造更流畅
空间结构的节点形式多种多样。螺栓球节点与焊接球节点主要适用于网架与网壳结构，相关焊接节点主要适用于管桁架结构。随着相交杆件数量不断增多与杆件夹角的不规则性，铸钢节点在空间结构中的应用也逐渐增多。构造简单、传力直接、降低制作成本，始终是节点设计的关键问题。
国家体育场大跨度屋盖的24根桁架柱均由一根垂直的菱形内柱、两根倾斜的外柱以及内柱与外柱之间的腹杆组成，如同垂直放置的变高度三角形空间方管桁架。桁架柱的腹杆分别位于各自主桁架的平面内，外柱截面近似为方形，除有多根腹杆与内、外柱相交外，还有与立面次结构相交的情况，且构件的角度规律性差。桁架柱的内柱节点，相交腹杆的数量多，角度复杂，对称性差。内柱与主桁架下弦之间的柱顶节点，最多有13根杆件交汇在一起。节点形式特殊，构造复杂，在国内外钢结构中均无先例，合理进行节点的设计，是保证国家体育场大跨度钢结构安全性的关键问题之一。
国家网球馆钢筋混凝土看台结构的A型节点共有12个，由两根内V柱、两根外V柱以及一根内斜柱组成，内、外V柱均为钢骨混凝土柱，内斜柱为钢筋混凝土柱，五根柱子在6.030标高处汇交。在节点域采用带竖向隔板与加劲肋的钢套筒，便于与V形柱的型钢连接，型钢混凝土柱的钢筋则通过与钢套筒侧壁焊接，从而避免了大量交叉钢筋的连接、锚固问题，有效增强了节点的强度，大大简化了施工难度，施工实施情况良好。
五、利用结构表现特殊形态
许多功能特殊的造型是以构筑物或雕塑的形态出现。此时结构构件更能体现出造型的骨骼与肌理。可以从生态的角度诠释建筑。
1、奥运景观灯柱
北京奥林匹克公园中心区内的中轴景观大道旁及庆典广场上。共有29根灯柱，灯柱高均为25m，上有5片或4片扇形叶子沿灯柱高度螺旋上升或高低落错布置，主要供功能为照明、视频信息发布、安全监控、广播。外形酷似北京的银杏叶，由叶脉、叶片、叶柄、叶茎组成，平面呈伞状布置，冠部投影直径达12m。
结合建筑创意，采用变截面H型钢作为叶脉，变截面箱形构件作为叶柄。枝干由10根焊接箱形构件合并而成，空腔用作管线安装。在叶茎的上部，异形箱形构件两两一组，在不同的高度向外倾斜并逐渐张开，截面高度逐渐减小，形成叶片两侧的叶柄，承托叶片的荷载。非常美观大气。
2. 奥运公园下沉广场——礼乐重门“鼓墙”的钢结构
奥林匹克公园下沉广场礼乐重门，是用斜交叉的结构，很多构件是断的，下沉广场的幕墙等都是用结构来表现造型。奥运工程给我们提供了一些舞台，很多构件都可以去完善和改进建筑的效果，这里面也做了很多尝试，可能有些也不一定完全合适，在这条研究的道路上，我们还需更加努力。
后记:
“范总谈到的五点不禁让人联想到新现代建筑，这五点当中有一点比较重要，即结构化形式，无论是鸟巢还是铃珑塔，都反映了建筑师与结构师的配合越来越紧密，造桥的技艺用到建筑当中也体现了学科间的穿插，正在逐步实现技术和艺术的完美结合，也让看到这些成果的人收获很多。”
——崔彤 中科院建筑设计研究院
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