结构技术创新与建筑效果实现

结构技术创新与建筑效果实现 建筑设计是建筑师将自己的建筑思想与设计理念实现的过程，一定程度上是感性的；而结构设计则是工程师利用结构技术支持建筑实现的过程，更多地表现为理性。因此建筑设计与结构设计的合作，体现出感性和理性的融合。随着现代建筑的发展，建筑在造型上不断创新，空间构成的变化使结构设计理念发生了重大变革，特别是中庭空间的出现和底部空间的变化对结构的实现提出了更高的要求，也需要结构形式不断创新。而经济和科技的发展，结构材料、结构体系、结构设计概念的创新则为实现现代建筑的特殊效果提供了依托。本文以广东省博物馆新馆及广州美术馆这两个项目为例，来展现结构师如何通过结构技术创新配合建筑师实现建筑设计构想的过程和心得。 广东省博物馆新馆 建筑设计 广东省博物馆新馆位于广州市珠江新城核心区花城广场东南侧，设计构思源于中国精雕细琢的传统宝盒，承载着历史传统、智慧及文化。项目方案设计为香港许李严建筑师事务所有限公司，建筑合作设计及结构设计为广东省建筑设计研究院。 源于宝盒的设计概念使博物馆建筑体形富有创意，建筑物四周悬挑，底部形成广场，整体效果宛如放置在绒绸布上纳藏宝物的文化器皿。博物馆的空间组织概念取材于广东传统的象牙球工艺技术，室内空间效果富于变化且层次深远，要求展厅内形成一个大跨度无柱式空间，中间设置大面积的中庭。博物馆的外立面设计也非常独特，与象牙球的概念同出一辙，建筑外墙采用拉丝金属板和穿孔金属板，与玻璃和饰面屏风相结合，塑造出玲珑剔透的整体效果，形成强烈的视觉冲击。 结构设计与创新 广东省博物馆新馆总建筑面积6.6万m2，总高度为44.65m，共6层（地下1层，地上5层）。地面以上建筑平面外轮廓尺寸为114m114m，对称悬挑部分跨度23m；展厅内形成内部中庭，外部展厅为大跨度无柱式空间，内庭58m58m。内外不同的大跨度空间且周边无立柱对结构设计提出了特殊的技术要求。为了实现建筑特殊的效果，地面以上的结构体系采用了创新的钢一混凝土组合悬挂结构，主要受力构件为内置钢管的钢筋混凝土剪力墙、跨层双向矩形钢管混凝土预应力桁架、钢管与预应力拉索组合吊杆、钢一混凝土组合楼盖。 根据建筑平面布局，结构设计利用建筑的竖向交通区域设置剪力墙作为结构的抗侧构件和竖向承重构件，平面上四个角筒对称布置在中部68.5m68.5m范围的四个角部，角筒之间再均匀设置两片剪力墙。为了增加其延性和整个结构的抗震性能，保证剪力墙与钢梁间的连接，剪力墙内设置钢管暗柱形成内置钢管的混凝土剪力墙并延伸至顶部大桁架下弦杆处，与桁架下弦杆刚接。对于外围23.5m的展厅，考虑到建筑顶层的使用功能主要为博物馆的办公区及屋顶花园，对空间跨度要求不是特别高，结构上利用该层设置大跨度的悬臂桁架作为主要受力体系，通过在桁架上设置吊杆悬吊外围展厅，以实现建筑在最外圈无落地柱的效果。 悬挂结构外周边的竖向传力采用内设预应力钢索的矩形截面吊杆，其中钢吊杆为主受力杆件，加强结构的侧向刚度及减小悬吊各楼层的振动，软吊杆预应力钢索作为悬挂体系的二次防线。对于中庭回廊，同样利用桁架上设置的钢管吊杆作为竖向受力构件，既能实现建筑中庭的大跨度无柱式空间，又能平衡一部分由桁架外悬臂产生的弯矩。 由于本工程材料和构件的特殊性，而且悬挂结构体系对节点的要求特别高，节点的处理非常复杂，对不同的节点作不同的技术处理。除了要满足实际受力要求外，同时还要满足施工的可操作性以及起重机的吊装能力等多方面要求。其中吊杆与三层楼面主框架梁连接节点采用不传递弯矩的构造，使吊杆受力更简单、更直接。 由于结构的特殊性，设计要求施工受力模式与设计使用受力模式尽可能相一致。本工程最终选用高空拼装和累计滑移方案，利用核心筒钢管混凝土柱作为滑移的轨道支撑，屋盖桁架采用液压爬行器同步滑移就位。 本项目由于建筑造型独特，六面幕墙洞口凹凸有致，而且部分洞口尺寸较大，完全通过幕墙来实现建筑立面效果有一定的难度。结构上设置约3m3m的空间钢架作为外墙主支撑骨架，该体系跟随建筑上凹凸或开洞的位置下沉或断开，以实现建筑的立面效果。 广州美术馆 广州美术馆位于广州市珠江南岸岭南广场东北侧，以“水中盛放的英雄花”为题，突出建筑所反映的岭南风格和广州地域特色，打造独具特色的绿色建筑。项目方案设计为Herzog+Partners Asia（德国赫尔佐格与合伙人建筑设计事务所）和华南理工大学，结构设计为广东省建筑设计研究院。 广州美术馆总建筑面积8万m2，高度为40m，建筑平面尺寸为97m97m，内部设40m跨度中庭天光照明采集系统。建筑以广州市花木棉花为造型概念，二层立面出挑，形成独特地域气候特色的“骑楼”建筑空间，建筑立面围护结构和屋顶设计为多层光伏发电的“伞面”式结构，起到独特的装饰及节能效果。 由于美术馆主要功能为各种展览空间，建筑对内部柱网的跨度要求约20m，周边悬挑跨度最大8m，且对结构构件截面限制较严。结构设计有针对性地采用了钢管混凝土框架一钢筋混凝土核心筒混合结构，结构体系由外部钢管混凝土柱钢框架、内部钢管混凝土柱一钢筋混凝土柱铰接框架，及设置消能减震装置的分散式剪力墙筒体组成。由于本项目框架刚度较弱，剪力墙承受水平作用较大但竖向作用较小，需采取措施有效改善剪力墙抗震性能；结构设计在各层采用了梁柱互为铰接而弯矩连续的新型钢管混凝土柱梁柱节点，并通过分散式的剪力墙布置及创新的连梁阻尼器设计，可有效减小构件尺寸、保证结构的抗侧力刚度及提高整体结构的抗震性能。 建筑外立面为设置光伏发电构件的花瓣造型幕墙，外围框架柱采用与建筑外立面倾斜角度一致的斜向柱，以悬臂承托幕墙刚架。为保证建筑室内竖直柱的效果要求，并控制各层悬挑跨度一致，外框柱为新型的变截面长椭圆钢管混凝土斜柱，斜柱符合建筑效果要求，也可为长悬挑梁提供可靠的支座刚度，结构受力合理。顶层区域则结合建筑办公空间间隔采用了局部设置斜腹杆的空腹钢桁架及轻钢桁架结构，中庭光屋盖采用了简洁的单层网壳结构，实现了建筑屋面效果及通透采光要