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结构创新与优秀设计

2013-04-07 09:44  来源:中国建设报   编辑:admin  点击:次   [我要评论]

“轻、快、好、省”是中国工程院院士、同济大学教授沈祖炎对钢结构建筑的总结,也获得业内的广泛认可。人们常说,建筑物的好与坏,关键看设计。沈祖炎等所撰写的《结构创新与优秀设计》通过对结构创新的动力、前提和途径的总结与思考,给出了结构创新的内涵。《结构创新与优秀设计》提出了我国新时期工程建设中优秀设计的评判标准,并探讨了如何产生优秀设计等问题,以期能够给实际工程建设提供有益的参考和指导。——编者
  
  一、引言
  
  当前,我国正在进行着最大规模的工程建设,而且这一建设高潮还会随着我国全面建设小康社会的进程而持续相当一段时间。这种持续的、大规模的工程建设为结构工程的发展,特别是为结构创新能力的提升提供了历史性的机遇。随着我国社会经济的发展与科学技术的进步以及人民物质文化生活需求的不断提高,建筑设计造型愈来愈丰富,而且趋于多样化、复杂化。这是近年来工程建设的新特点,它给结构工程带来了很多新的挑战,也提出了更高、更新、更广的要求。在这种形势下,结构工程在理论上和实践中都出现了一定程度的创新,并产生了一些优秀设计;但在一些重大工程项目上也出现了一些不合理的现象。
  
  二、结构创新
  
  1.结构创新的动力、前提和途径
  
  第一,结构创新的动力。谈到结构创新,人们不仅要问:是什么促使人类在建筑结构上不断创新?结构创新的动力是什么?结构创新来源于人类社会的需求。随着文化、经济水平的不断提高,人类对构成自身生存环境的建筑物的建筑需求、建筑功能等不断求新、求变,而这种求新、求变以及由之而来的安全问题必将对建筑结构带来新的要求和挑战,因此,成为了结构创新源源不断的动力。
  
  第二,结构创新的前提。从20世纪70年代开始,世界工程领域发展就出现了学科交叉。现代建筑的发展在学科方面的相互交流、领域方面的相互渗透已经成为必然的趋势。结构工程在吸收和融合工程力学、计算机技术、材料学、机电控制、信息工程、智能技术等学科的先进技术和在多个学科的交叉融合下,出现了很多创新。
  
  材料领域的成果促进了各种新型材料的发展,结构工程应用这些成果,促成了新材料结构体系的应用和发展;机电和控制学科的成果,信息与通信技术、计算机仿真技术、传感技术的成果,为结构工程实现各类现代使用功能和结构功能提供了技术条件;计算机技术和工程力学理论的发展为结构工程进行结构创新提供了强有力的保证,使得一些新型结构体系得以实现,使设计效率与工程质量得以大幅度提高。因此,能够有效地采用这些学科的新成果是结构工程创新的前提。结构工程与材料学、工程力学、计算机仿真技术、信息工程学科有着密切的联系。
  
  第三,结构创新的途径。结构创新的途径无外乎源自理论研究和工程实践两大方面。从大的范围来看,结构创新主要体现在结构材料、结构体系、结构功能、结构理论、结构试验和施工技术等几个方面;从小的方面,结构的节点与构件等同样也能够体现创新;从更为广义的角度,使用成熟的理论与技术去解决工程实践中的新问题,也是一种创造性的劳动。因此,结构创新的领域非常宽阔。总之,工程实践的创新与发展推动了理论研究的进步,而理论研究成果的进步指导完善了工程实践,这是结构工程科学得以不断创新与发展的规律。
  
  结构材料的发展和进步往往会使结构工程发生质的变化,为结构体系、结构承载能力和结构理论的创新提供了基础。结构理论和结构试验的发展为结构体系和结构功能的创新及其完善和持久提供了指导和技术支撑。施工技术的发展使结构创新变成了现实。
  
  材料,是结构创新的基础;试验,是结构创新的验证;理论,是结构创新的手段;施工,是结构创新的实现;功能,是结构创新的需求;体系,是结构创新的核心。以上几个方面相互促进,共同发展。
  
  2.结构材料的发展与结构创新
  
  建筑结构材料大致经历了土、木、石→钢筋混凝土与钢→新型轻质高强材料的发展过程。进入21世纪,建筑材料的发展趋势具有三个重要特征:功能化,可持续发展化和多样综合化。新型材料充分吸收了现代技术的精华,把结构工程引入到一个全新的阶段。
  
  第一,传统材料的改良
  
  当前建筑结构工程中应用最为广泛的建筑材料仍然是工业革命后发展起来的混凝土和钢材。混凝土作为第一大建筑材料,钢材作为第二大建筑材料都在向着高性能化方向发展。能显著提高混凝土结构耐久性的高强、高性能混凝土在实际工程中的应用正在增多;可满足建筑高层化和大跨距发展需求的高强度等级钢材和超厚板钢材,可提高结构抗震性能的低屈强比钢和极低强度钢,可提高大厚度钢板焊接性能的高效焊接钢,可提高钢结构抗火性能和防腐、耐久性能的耐火、耐候钢,也已研发成功并在一些实际工程中得以应用。
  
  第二,玻璃材料。玻璃是第三大建筑用材料。近20年来,随着各种钢化玻璃的产生,结构工程师利用玻璃的结构功能,将玻璃作为主体结构材料进行了崭新的设计和应用研究。
  
  第三,合金材料。如不锈钢、铝合金、铝镁锰合金其作为结构主体构件材料的研究和应用也取得了较大的进展。
  
  第四,高分子复合材料。碳纤维FRP(FiberReinforcedPolymer)复合材料已在工程中大量应用,在结构加固中相当普及,并取得了良好的经济效果;在新建结构中的应用也在逐渐增多。膜材料从聚酯纤维的PVC、玻璃纤维的PTFE到无纤维的ETFE,其研究和应用取得了令人瞩目的成果。结构工程师将高强度钢索和膜材结合,创造了许多新颖、合理和经济的结构体系。
  
  从以上内容可以看出,结构材料的发展是结构创新的基础。
  
  3、结构体系的发展与结构创新
  
  著名的结构专家托罗哈(Torroja,E.)曾说过:最佳结构有赖于其自身受力之形体,而非材料之潜在强度。这就是说采用高强度材料只解决问题的一个方面,还必须寻找形体合理的结构,使其能够充分发挥材料的潜力。相应于建筑结构材料大致经历了“土、木、石→钢筋混凝土与钢→新型轻质高强材料”的发展过程,建筑结构体系的发展大致经历了“以受压为主→受拉为主→组合(拉压)→多功能”的路径。以下针对近几十年来发展比较活跃的多高层结构体系、大跨度结构体系进行说明。
  
  第一,多高层结构。城市人口集中,用地紧张以及商业竞争的激烈化,促使了现代多、高层建筑的出现与发展。随着房屋由低层到高层的发展,在风荷载和地震作用下,房屋的抗侧力问题逐渐成为关键因素。为了提高房屋的抗侧力刚度,结构的体系不断创新和发展。1885年美国用钢框架结构体系建成了世界上第一幢现代钢结构高层建筑——家庭保险大楼(HomeInsuranceBuilding,高10层),12年后,美国又建成了第一幢现代钢筋混凝土高层建筑——因格尔斯大楼(IngallsBuilding)。此后,框架结构体系沿用多年。当人们认识到轴力杆系比弯曲杆系能够更有效地抵抗水平荷载时,就创新地提出了支撑——框架结构体系。然而,当建筑达到一定高度时,由于支撑系统高宽比过大,抗侧力刚度会显著降低,因此又衍生出了抗侧刚度更强的带伸臂桁架的支撑——框架体系。与此同时,人们认识到用混凝土剪力墙在水平力作用下的工作犹如悬臂深梁,其抗弯惯性矩大,能够大大提高结构的抗侧刚度,这就形成了高层建筑中的剪力墙结构体系和框架——剪力墙结构体系。1968年约翰·汉考克中心(JohnHancockCenter,100层)的建成,形成一个新概念——将高层建筑看成一个巨大的、中空的,由地基升起的竖向悬臂杆,在结构上称之为筒体结构。如果既有内筒又有外筒,则称为筒中筒。1974年,当时的世界第一高楼西尔斯大厦的建成又将筒体结构发展为束筒体系。筒中筒和束筒结构体系减小了框筒结构剪力滞后效应,整体结构的抗侧刚度得到进一步的增强。将高层结构体系的梁、柱、支撑扩展到数个楼层和开间,则可构成巨型框架结构和巨型支撑结构等巨型结构体系。1988年建成的香港中国银行大楼,采用由杆系结构组成的巨型空间结构体系,发展了筒面由斜撑桁架组成的筒体结构体系,使得高层建筑具有更大的侧向刚度。这些不断出现的创新高层结构体系无论在建筑艺术、技术、材料、设备和施工等方面都体现了当时世界最先进的水平。其中筒体结构包括框架筒体、桁架筒体、框架-核心筒、钢桁架-核心筒、筒中筒、成束筒和巨型柱-核心筒-伸臂桁架结构体系,巨型结构体系包括巨型框架结构和巨型桁架结构。对于钢筋混凝土结构,除难以具备巨型结构体系外,也具有其它结构体系,但适用高度和楼层数将有所降低。
  
  从美国的帝国大厦等高层钢结构体系用钢指标可以看出,高层结构体系创新发展的特点除了上述的抗侧力能力不断提高外,还有一个突出的标志就是随着抗侧力体系的高效发展,结构用钢指标在大幅度降低,并得以广泛采用。因此,用钢指标应该成为衡量结构体系优劣的重要指标。
  
  第二,大跨度结构。社会的发展不断向建筑提出新的功能要求,为了实现结构的更大跨度,更加经济和美观,很自然地由平面的梁、拱向平面外扩展演变成了空间结构。相对于平面结构,空间结构具有结构形式丰富、受力合理、重量轻、造价低等优点,成为结构方面近50年来最活跃的研究领域,其结构体系不断创新,理论研究同步发展。
  
  大跨度结构由早期传统的梁肋体系、拱结构体系、桁架体系、薄壳空间结构发展到现代的以刚性杆件组成的网架、网壳等刚性空间结构体系,以索膜等柔性材料为特征的悬索结构、薄膜结构、张拉集成体系等柔性空间结构体系,由不同典型结构体系杂交组成的新的集成结构体系——杂交空间结构体系,以及可展开结构和可折叠结构。其中杂交结构是柔性结构与刚性结构之间的组合,如拉索-网架、拉索-网壳、索-拱、张弦梁、张弦桁架和弦支网壳等。若按空间结构组成的基本单元,即壳单元、梁柱单元、轴力单元、索单元和膜单元来分类。
  
  与高层结构体系一样,不断创新发展的空间结构新体系在其结构受力更加合理的同时必然是体系更加经济有效,用钢指标在显著下降。对于近年来采用较多的膜结构,其屋盖重量更轻,巨大的英国伦敦“千年穹顶”(穹顶周长1千米,直径365米),其用钢指标仅为20千克/平方米,又如索穹顶结构的代表作美国佐治亚穹顶(椭圆形平面240.79米×192.02米),其用钢指标30千克/平方米。
  
  从已建成的大跨度结构可以看出,大跨度结构发展过程的特征是在整体上出现从较重体系向轻型体系发展,从刚性体系向柔性体系发展。同时,在大跨度结构的发展中,采用了大量新材料、新工艺、新技术,结构体系不断创新,而且向着“柔”性化发展,这使得结构表现出很强的非线性特征,因而每一种新结构体系的出现,都可能引出全新的问题需要解决。正因为如此,大跨度结构的发展充分反映了当代建筑结构设计计算理论和施工技术以及科学技术的发展水平,成为了反映一个国家建筑科学技术水平的重要标志。
  
  从多高层结构体系、大跨度结构体系的创新发展过程可以看出,工程中每种新的结构体系的出现,往往是在原有结构体系的基础上,结合某些新的结构概念发展起来的,各种结构体系和设计概念相互渗透与融合,促进了结构体系的创新与发展。
  
  从以上内容可以看出,结构体系的发展是结构创新的核心。
  
  4.结构功能的发展与结构创新
  
  第一,安装控制装置的结构。为了有效地减轻建筑结构在风、地震等动力作用下的反应和损伤累积,有效地提高结构的抗震能力和抗灾能力,结构工程领域的工作者将融合了材料、机械、传感与数据处理、计算机与控制系统等多领域高新技术的振动控制技术应用到建筑结构中,出现了基础隔震结构、被动消能减振结构以及主动、半主动和智能控制结构。隔震桥梁和建筑已在国内外建成了上千座;被动消能减振是继基础隔震之后走向成熟和工程应用,国内外均有大量的工程实例,北美至2000年已建成100余座被动消能减振建筑与桥梁,中国至2003年也已有20余座新建或加固的被动消能减振建筑与桥梁;国内外至2003年主动、半主动和智能控制的高层建筑、电视塔和桥梁等大型结构已经建造有70余座。这些防灾设计采用了具有创新思想的控制结构,在台风和地震作用下初步经受了考验,显示出了良好的抗风和抗震性能。随着现代科学技术的发展,还将形成振动控制设备的新兴产业,显示出智能结构系统的美好前景。
  
  第二,安装健康监测系统的结构。结构在实际使用过程中会出现不同程度的损伤或性能退化,因此为了保障结构的安全性、耐久性和使用性,需要通过某种手段对使用中的结构性能进行检查和监测,以评估其健康状况,必要时采取措施修复或加固。随着现代传感技术、计算机与通讯技术、信号分析与处理技术以及结构动力分析理论的迅速发展,人们提出了结构健康监测的概念。如同听诊器、X光,CT发明给人类带来的进步一样,结构健康监测技术也将给土木工程的建设理念带来革命性的变化。结构健康监测系统通过在结构上安装各种传感器,自动、实时地测量结构的环境、荷载、响应等,对结构的健康状况进行评估,科学有效地提供结构养护管理的决策依据,确保结构安全运营,延长结构使用寿命。国内外近年新建的许多大型桥梁都安装了结构健康监测系统,我国一些大跨度空间结构也安装了结构健康监测系统,如深圳市民中心、北京奥运国家游泳中心等。
  
  第三,具有可展开折叠、开合功能的结构。利用机电、控制、信息、传感、计算机仿真等技术来实现结构的各类现代使用功能的另一个突出的表现就是可展开、可折叠、可开合大跨度结构的建成。
  
  可展开折叠式结构是在未使用时可收缩折叠成捆状或其他形状储存或运输,使用时可在现场展开成型,迅速构成整体结构。该体系特别适用于中小跨度的临时性结构或流动性结构,如抗震救灾紧急需要的现场指挥部及生活用房,流动展览厅等。开合结构是为满足能在各种气候条件下进行体育、文艺和展览等活动的要求而产生的。开合屋盖建筑既能保证不受自然界不利气候影响,又能保持自然气息,使人们重归自然怀抱,因此,可开合结构已成为现代体育建筑的重要发展趋势。具有代表性的开合结构有1988年建成的跨度205米的加拿大多伦多的天空穹顶,它是当时世界跨度最大的开合结构,为平行移动和回转重叠式的空间开合钢网壳结构;2001年建成的日本大分体育场是2002年世界杯足球赛赛场之一,其直径达274米,开合方式为空间平行移动式,它是现代开合屋盖建筑中利用刚性屋盖单元实现开合的最大规模建筑。我国2006年建成的最大跨度达254米的南通体育会展中心主体育馆是国内第一个采用活动开启式球冠钢屋盖的体育场,也是世界上首次将机电液压技术、移动台车多点支撑用于巨型开合结构的工程,其固定屋盖和开启屋盖均为网壳结构。有关开合空间结构移动荷载作用下的计算方法和动力反应是此类结构所特有的技术问题,需要建筑师、结构工程师和机械工程师的全力合作。
  
  从以上内容可以看出,结构功能的发展为结构创新提供了新的需求。
  
  5.结构施工技术的发展与结构创新
  
  随着结构材料、结构体系和结构功能的发展与创新,各种结构体系的施工技术,特别是复杂高层结构、高耸结构以及大跨度结构的施工技术已突破传统意义上的施工方法,从单一的使用施工机械发展到机-电-计算机的一体化,并能够实现全过程自动监测和计算机控制。结构施工技术正在向着多学科、综合化、高科技的领域迈进。随着大量的工程实践,涌现出了在顶升、提升、吊升、滑移等传统施工方法的基础上进行创新的新技术,有的是依据结构的特点再创造,有的是几种基本方法的巧妙组合。结构施工技术的发展使一些结构创新得以实现。
  
  20世纪80年代,澳大利亚的科研人员提出了整体张拉预应力拱架结构STRARCH专利技术。STRARCH系统的核心技术是将建筑物的施工与提升过程合为一体,一个跨度100m左右的结构采用该项技术进行施工,现场张拉成形仅需一个工作日。STRARCH拱架的现场成形过程包括现场组装就位、整体张拉、张拉终止定位形成最终拱架3个步骤。利用该项技术已在世界各地建造了80余座建筑,我国广州白云机场机库即采用了该技术。又如著名的日本结构专家川口卫教授提出的适用于双曲率网壳的“攀达穹顶”整体施工法,该方法已在1984年的日本神户世界纪念堂、1992年巴塞罗那奥运会主体育馆等世界上7个工程中得到应用,其原理是使一个穹顶在施工期间处于一种可折叠状态,组装工作尽可能地在地面的位置完成,然后用液压顶升法把结构推举到设计标高并固定。我国2000年建造的河南省鸭河口电厂储煤库是目前国内跨度最大柱面网壳。该工程使用了浙江大学空间结构研究中心所提出的“折叠展开式”计算机同步控制整体提升新型施工技术,仅用了一天时间便顺利提升到位。另外,我国的整体提升施工方法和高空滑移施工方法等均具有很好的技术,如上海大剧院钢屋盖工程采用的整体提升施工技术,先在地下室顶板上拼装,然后依靠4个电梯井筒,在其上设置钢平台,以钢绞线承重、计算机控制液压千斤顶集群提升的方法,将钢屋盖整体一次提升到位。该技术创造了我国建筑史上整体提升重量最大、提升速度最快、提升精度最高3项新记录。这些采用先进施工技术完成的结构创新,均取得了良好的社会效益和经济效益。
  
  从以上内容可以看出,结构施工技术的发展使一些需要超越常规施工技术的结构创新得以实现。
  
  6、结构理论的发展与结构创新
  
  随着计算机技术和有限元方法的发展,包括结构分析和结构设计在内的结构理论亦在不断发展与创新,同时给上述几个方面的结构创新提供强大的分析工具。传统材料的改良、新型材料的出现以及结构体系与功能的发展与创新、施工过程的复杂化均给结构分析与设计带来了新的挑战,特别是对结构单元类型多样化、数量庞大化的超高层结构和大跨度结构的分析理论及计算技术提出了更高的要求和更新的课题。
  
  目前结构分析已经能够超越线弹性而考虑材料非线性和几何非线性;由平面分析到空间整体和共同作用分析;已经能够脱离解析解的束缚,采用数值解对结构的受力进行仿真;已不但能作静力分析,也能作动力分析;能够模拟大型复杂结构施工过程中结构局部或整体在不同阶段变边界条件、变荷载下的受力特性;随着结构学科的进步,建筑结构在外界荷载作用下的全过程反应越来越受到关注。对于强度破坏,需要深入了解结构从弹性进入弹塑性,出现塑性内力重分配直到形成机构丧失承载能力这一整个过程的内力、应力和变形的变化情况,以及结构在丧失承载能力后的性态等。对于失稳破坏,需要了解结构在弹性失稳、弹塑性失稳过程中力与变形的变化情况,结构在失稳后的性态以及结构中各种初始缺陷对稳定承载力和结构性态的影响。对于断裂破坏,需要了解裂纹在结构受力过程中的出现、发展直到结构断裂破坏等。工程事故的出现及对动荷载的研究,表明结构构件在反复荷载作用下存在损伤累积的问题,进一步的研究表明,结构在灾害荷载作用下均存在损伤累积问题,目前正在应用连续损伤力学解决这一问题。
  
  结构设计理论由容许应力设计进入到基于概率理论的可靠度设计方法。基于可靠度理论的结构设计法从半概率法(水准Ⅰ)发展到近似概率法(水准Ⅱ),这是上个世纪结构设计理论的重大进步。现在向着采用随机过程加以描述,并向用概率理论对整个结构进行精确分析的全概率法(水准Ⅲ)方向努力。进入21世纪之前,工程师们又在前述基础上,进一步发展了基于性能要求的设计理念。世纪之交,结构设计理论的发展又面临着一个新的发展趋势,就是所谓全寿命设计。以往的工程结构设计通常仅考虑在使用阶段工程的安全性,现在对于一些重大的工程还需考虑使用安全以外的内容,如结构的使用功能能否得到保证、耐久性如何以及结构体现在极端条件下的抗倒塌性能等问题,即实施考虑全“生命周期”的综合决策。
  
  结构理论的全面发展,不但为结构创新提供了理论基础,也使结构创新更加理性和更加合理。
  
  7、结构试验技术的发展与结构创新
  
  工程结构的试验技术起源于19世纪初。20世纪60年代中期以来,随着电液伺服加载装置的问世,结构试验开始走进现代技术的发展阶段,并以结构模拟地震加载技术、结构风洞试验技术、结构抗火试验技术为代表,如多点输入地震模拟震动台、风洞试验、结构抗火试验炉。近年来结构试验技术的不断发展,试验设备的不断更新,使更多的科研机构有能力进行大型复杂的试验研究,并且利用互联网的远程试验技术、采用光纤等先进传感器进行结构实地实时监测,利用激光技术和数字摄影技术实现对结构变形的精确测量等。
  
  结构试验技术的发展对于人们研究工程结构受外部作用而发生变形与破坏的基本原理、发展结构分析原理与设计方法,起到了至关重要的基础作用;而且使试验研究更接近于实际结构的工作状态,为深入开展结构工程学科的研究工作创造了重要条件。
  
  结构试验技术的发展为结构创新的安全性提供了试验验证和保障。
  
  8、结构创新的内涵
  
  从以上几节的阐述可以看出,一个结构工程是否具有结构创新是可以科学界定的。它可以包括以下几个方面的考虑:
  
  第一,结构创新应该体现在结构材料、结构体系、结构功能、结构构件、结构节点等中的一个和几个方面。
  
  第二,结构创新的内容应该在上述一个或几个方面有发展。例如,采用了新结构体系、提出了新结构体系的有效分析方法、对采用新材料的构件提出合理的设计方法、提出了结构抗震、抗风、抗火等防灾设计的新理念、采用了配合结构创新的新制作、安装技术和结构维护的新技术等。
  
  第三,结构创新应具有“好”、“快”、“省”的效果。“好”指的是符合国家制定的安全、节能、环保和耐久的政策;“快”指的是能够缩短建造周期;“省”指的是能够节省综合成本,特别是自然能源,降低总造价。
  
  凡同时符合上述三点的可界定为有结构创新,凡不能同时符合上述三点的,就不能界定为有结构创新。
  
  因此,纯粹是为了打破建筑物高度或跨度的记录不等于结构创新,结构复杂、怪异也不等于结构创新,真正的结构创新应该是包含创新内容且能达到积极效果的工程实践。
  
  三、优秀设计
  
  1.优秀设计的内涵
  
  优秀设计是指一项建筑工程的设计是优秀的,因此应该涵盖建筑工程的整体。
  
  国家现行标准规定,民用建筑应符合适用、经济、安全、卫生和环保等基本要求。民用建筑设计除应执行国家有关工程建设的法律、法规外,尚应符合以下8个要求:一是应按可持续发展的原则正确处理人、建筑和环境的相互关系;二是必须保护生态环境、防止污染和破坏环境;三是应以人为本,满足人们物质与精神的需求;四是应贯彻节约用地、节约能源、节约用水和节约原材料的基本国策;五是应符合当地城市规划的要求,并与周围环境相协调;六是建筑和环境应综合采取防火、抗震、防洪、抗风雪和雷击等防灾安全措施;七是方便残疾人、老年人等人群使用,应在室内外环境中提供无障碍设施;八是在国家或地方公布的多级历史文化名城、历史文化保护区、文物保护单位和风景名胜区的多项建设,应按国家或地方制定的保护规划和有关条例进行。
  
  国家标准的这些规定明确提出了一项建筑工程的设计除在建筑上有创意外,还应在使用功能上是合适的,与周围环境是协调的、更不能污染和破坏环境,在多种使用荷载作用下是安全的,施工安装是合理的,原材料和其他资源的使用是节约的,建筑造价是经济的。因此,一项建筑工程的设计是否优秀应予综合评定,包括综合规划、建筑、结构、施工、设备、造价等多个方面。但是,建筑工程的规划、建筑和结构设计是其中的关键环节,往往决定了其他方面的优劣。
  
  2.国内外优秀高层建筑设计分析

 

①帝国大厦
  
  1931年建成的美国纽约帝国大厦102层、高381米。结构体系为钢框架结构。该大厦自下向上逐渐分段收缩,略呈阶梯形。为加强整个建筑物的侧向刚度,在中央电梯区的纵横向都设置了钢斜支撑,所用钢构件均用铆钉和螺栓连接。钢结构外包炉渣混凝土,以加强整个框架结构的侧向刚度。完工后对建筑物量测得到的频率估算表明实际建筑物的侧向刚度是裸露框架结构的4.8倍,以致1945年一架飞机撞进该大厦的78层~79层间时,仅造成局部建筑的毁坏,对全楼无致命危害。该工程用钢指标约206千克/平方米。
  
  帝国大厦作为世界上早期的标志性高层建筑,是高层建筑发展中的一座里程碑,它保持世界最高建筑达40年之久。
  
  ②汉考克中心
  
  1968年建成的美国芝加哥约翰・汉考克中心100层、高344米,是一座多功能(商业、办公、公寓)综合性大厦。结构工程师卡恩和建筑师格莱厄姆一起创造了一个合理的建筑体型和结构体系――对角支撑桁架型由下向上逐渐收缩的锥形筒体结构体系。这种独特的锥体塔楼在建筑上满足了不同的建筑功能需求,在结构上比普通的矩形筒体减小10%~30%的侧移,锥体4个外侧面上设置的5个半18层高的X型巨型钢支撑及联系支撑的巨型水平系杆和钢框架柱与裙梁结合,形成刚性桁架型筒体结构体系,使结构抗侧力能力显著提高。结构用钢指标仅为145千克/平方米,比37年前建成的帝国大厦的钢框架结构降低了约30%。
  
  汉考克中心是“用结构美表现建筑美”的典范,其结构与建筑协作的成果体现在这个基于理性和自然规律的建筑艺术表现中,更重要的是著名结构设计师卡恩所提出的筒体设计概念,无论对钢结构还是钢筋混凝土结构都产生了深远的影响,使高层结构体系发展到一个新的水平。
  
  ③世界贸易中心
  
  1973年建成的美国纽约世界贸易中心北塔417米、南塔415米,双塔地上均为110层、地下6层,是一个服务设施齐全的办公城。结构体系创新性地采用密柱深梁型框筒体系(外筒内框)。外筒平面尺寸为64米×64米,地面层处柱距为3.06米,至第9层一分为三,柱距为1.02米,柱与高度为1.32米的裙梁相连,形成犹如墙体一样工作的密柱深梁钢筒体。其内核心区可看作是由钢框架、斜支撑和电梯井筒组成的框架结构,承受重力荷载。从建筑上看,这种体系使得内部楼盖平面内可以相对地取消或减少立柱和支撑,增加了使用面积,室内空间布置的影响较小。从结构上看,它有比框架结构大得多的抗侧移刚度和抗扭刚度,承载能力也比框架结构大,而且结构形式上下统一,易于安装和施工。该工程用钢指标为186千克/平方米。
  
  世界贸易中心采用密柱深梁的钢框架筒体作为结构的主要抗侧力体系,尽管这种体系存在剪力滞后等不足之处,并于2001年9月11日遭恐怖分子袭击而倒塌。但这种创新的体系在当时仍是一场高层建筑结构设计的革命,并且在建筑技术上的创新也是前所未有的。它首次进行了模型风洞试验,首次采用了压型钢板组合楼板,首次在楼梯井道采用了轻质防火隔墙,首次用粘弹性阻尼器减轻风振动效应等,这对后来的高层建筑结构的设计和建造都具有重要的参考价值。
  
  ④西尔斯大厦
  
  1974年建成的美国西尔斯大厦110层、高443米,被公认为当时世界第一高楼。设计者美国SOM公司设计该大厦的一个重要概念是:“要从建筑的外观上充分表现它的结构和平面”。在这个设计概念指导下,设计者将9个尺寸相同的22.86米见方的单独筒体组合在一起,两相邻筒共用一组立柱和深梁的框架方格,形成新的结构体系――成束筒结构。该成束筒的各个筒体是在不同高度处截断的,形成一组阶梯型的体量。从建筑上看,在使用上满足了要求较小楼面租赁客户的需要,在外观上从不同角度都能看到变化的景观和天际线。从结构上看,成束筒结构是一组筒体,有共同的内筒臂相互连接,使它在侧向荷载作用下的剪力滞后效应大大减小,各内柱受力的不均匀性也大大减小,因而它的抗侧力刚度大于单框架筒,抗剪切和抗扭转能力都大大加强,它建造的高度比单个框筒更高;成束筒的各个筒格可以在不同高度处截断而不削弱结构的整体性,使结构受扭荷载可以容易地为各筒格的封闭形式所抵抗,并使建筑物顶部所受的风荷载大大减小。这种有效的结构体系使得大厦的用钢指标约161千克/平方米。
  
  西尔斯大厦在建筑外观上从不同方向,呈现各不相同的形态,并满足了空间和美学两方面不同的需要,突破了一般高层建筑对称的造型手法。更重要的是结构工程师卡恩(FazlurKhan)为解决高层建筑的关键性抗风问题,提出了束筒结构体系的概念并付诸实践,使筒体结构体系又发展到一个新的层次。西尔斯大厦同样是建筑造型与结构创新相结合的典范。
  
  3、国内外优秀大跨度屋盖建筑设计分析
  
  ①雷里体育馆
  
  1953年建成的美国雷里体育馆是由美国结构工程师塞弗德和建筑师诺威基所设计的一个鞍型正交索网结构。其平面近似圆形,尺寸为91.5米×91.5米,索网支承在一对与地面成20°倾角的抛物线拱上,两抛物线拱脚由设置预应力混凝土拉杆的倒置V形架支承。斜拱的周边以间距2.4米的钢柱支承,立柱兼作门窗的竖框,形成了以竖向分割为主、节奏感很强的建筑造型。该结构受力明确,充分发挥了索拱的材料强度,索的拉力转化为拱承受的压力传递给基础,又因拱脚设置预应力拉杆大大减小了推力,使得基础较小,施工方便。整个建筑屋盖自重不到30千克/平方米,建筑造价除基础外仅为141.5美元/平方米。
  
  雷里体育馆被认为是世界上第一座优秀的现代大跨度索网屋盖结构,这一别具特色的新型结构对传统建筑结构的设计理念产生了深远的影响,随后,悬索结构如雨后春笋般地出现在欧洲、美洲、前苏联、日本和中国等国家。
  
  ②蒙特利尔世博会德国馆
  
  1967年加拿大蒙特利尔世博会的德国馆是由德国建筑师佛赖·奥所设计的索膜结构。其所呈现的不规则平面沿着湖边蜿蜒变化的建筑外观,在结构上是由预应力双曲型索网挂在不同斜度和高度的桅杆上,并将轻质透明的有机织物片作为屋面围护结构连接于索网上来实现的,预应力提供了索网形状稳定性和抵抗外部效应的刚度。该建筑物覆盖面积达到8000平方米,屋顶仅重150吨,其重量是普通屋面的1/3-1/5,用钢指标约18.8千克/平方米。
  
  德国大帐篷是一个被公认为最早的、真正意义上的现代索膜结构体系,它在建筑、结构和景观上实现了良好的融合,无论是对建筑还是结构都极具创新价值。建筑师佛赖·奥托所用的词汇中,经常出现的就是“自然”,其设计理念的出发点就是从保护并利用地球上有限资源的观点出发,必须开发出以最低限度的材料可传递最大限度外力的新型建筑——轻型结构物。
  
  ③上海体育馆
  
  1975年建成的上海体育馆采用三向平板型网架结构。它是用9000多根无缝钢管和938只钢球焊接而成的焊接空心球网架结构,直径达110米,挑檐7.5米,是当前我国圆形平面跨度最大的网架结构。由于结构杆件主要承受轴力,受力合理,用钢指标仅为49千克/平方米。
  
  上海体育馆是早期网架结构的杰出代表,它与同时期其他一些网架结构的成功建造使得这种结构体系的空间工作性能好、抗震性能好、用钢指标省、施工技术成熟方便等优势在大跨度屋盖结构中显现出来。20世纪80年代以来网架结构在我国得到了迅猛发展,应用范围遍及体育建筑、公共建筑、工业厂房以及飞机维修库等,使我国网架结构的覆盖面积达到世界第一,在设计、制作和安装技术等方面处于世界先进行列。
  
  ④佐治亚穹顶
  
  1996年亚特兰大奥运会主场馆——佐治亚穹顶是由美国工程师列维等设计的一个双曲抛物型的索穹顶。其平面呈椭圆形,尺寸为240.79米×192.02米,由联方型索网、三道环索、桅杆及中央桁架组成,整个结构只有156个节点,分别在78根桅杆的两端。这种索穹顶结构由连续的拉索和不连续的压杆组成,实现了富勒关于“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”的思想,由于材料强度得到了最充分的发挥,结构受力合理,效率极高,其用钢指标不到30千克/平方米。
  
  这个目前世界上最大的张拉结构体系体育馆被评为1992年全美最佳设计。索穹顶结构的发展是轻型空间结构的一大突破,它在结构设计上的一个突出优势就是随着跨度的增加,而结构用钢指标的增加并不明显,因而在大跨度建筑中极具应用前景。
  
  ⑤名古屋体育馆
  
  1997年建成的日本名古屋体育馆是当前世界上跨度最大的单层网壳结构。该体育馆建筑直径达229.6米,结构直径达187.2米。结构采用以钢管构成的三向网格,每个节点上都有6根杆件相交,采用直径为1.45米的加肋圆环,钢管杆件与圆环焊接,成为能承受轴向力与弯矩的刚性节点。为了减小高空作业、提高焊接质量和缩短建设周期,结构施工时采用了整体提升的方法将重1.3万吨的屋盖提升到位,仅30个月的时间便施工完毕。如果建筑面积按照球壳表面积计算,钢材与装饰材料等加在一起,重量约为300千克/平方米。该体育馆单层网壳的结构形式,不仅在建筑功能上满足了室内棒球运动至少60米高度限值的要求,而且屋顶厚度的减小和较少的结构构件使得建造费用得以降低。另外,该体育馆还充分有效地利用水资源,是日本众多设置雨水利用装置的大型建筑物中规模最大的一个,每年收集利用的雨水达3.6万立方米,通过管道送到地下储水库。
  
  由于罗马尼亚布加勒斯特穹顶的单层网壳(直径93.5米)在1961年的一次暴风雪后出现过倒塌事故,大跨度的单层网壳一直被视为禁区,而名古屋穹顶之所以获得突破性的进展是与科研工作分不开的,在设计中曾对各种荷载情况以及抗震、稳定与施工过程中的缺陷进行了具体的分析和研究。
  
  ⑥福冈体育馆
  
  1993年建成的日本福冈体育馆是日本建造的第一座超大型开合式屋盖结构的体育场。整个体育场呈圆形,建筑直径达222米,结构直径达212米,表面覆有3毫米厚的金属钛层。球形屋盖由3块可旋转的扇形网壳组成,最下面1片固定,中间及上面两片可沿着外侧圆形轨道移动,开合方式为回转重叠式,可使穹顶形成全封闭、半开敞和全开敞3种状态。为防止强震时屋顶的相互碰撞和滑动,结构还安装了振动控制阻尼器。结构用钢指标约为200千克/平方米。
  
  开启结构具有回归自然和多功能综合利用的特点,其目的是为了创造更适合人们需要的环境并节约能源降低整个建筑的造价,产生了非常好的社会经济效果,引起了国际体育界的广泛关注。
  
  从上述国内外高层建筑、大跨度建筑中可以看出,他们的优秀之处在于以下3点:
  
  第一,实现了在环境布局和治理、建筑空间和形式、结构体系和材料、构筑方法和效益之间的协调一致,实现了建筑与结构的高度融合。
  
  第二,这些建筑物结构体系的创新促使了一种新体系的大面积推广和应用。
  
  第三,结构体系的高效使得用钢指标大幅度减小,取得了良好的经济效益。因此可以说,先进合理的结构创新带来了建筑美学与经济效益的双丰收。
  
  4.国内外有争议的设计
  
  ①大阪世博会美国馆
  
  1970年日本大阪世博会的美国馆是由建筑师戴维、布罗迪与工程师大卫·盖格所设计的一个椭圆形充气膜结构,139米×78米无柱大厅的屋面仅用了32根沿对角线交叉布置的钢索与膜布覆盖。由鼓风机向封闭的室内送风加压,一般只要室内气压比大气压高0.0025就能使薄膜膨胀被支承住。整个工程只用不到10个月的时间就完成了。该设计不仅表现出了非凡的跨越能力,而且经济性能优良,被认为是建筑业的一次革命。自1970年以后的十多年间,美国又建起了大约八座大型永久性充气膜结构体育馆,如1975年的庞蒂亚克“银色穹顶”,其椭圆平面达220米×159米。
  
  充气式膜结构虽然具有上述优点,但实际应用中存在着不少问题,特别是气压自动控制系统和融雪热风系统性能不稳定可造成膜面局部下瘪甚至坍塌,已建成的充气式膜结构基本上均遇到过类似问题。另外,其运行及维护也是一笔不小的开支。美国1985年以后建造大跨度建筑时就再没有采用这种结构形式。日本1988年的东京后乐园棒球馆仍选择了充气膜结构,与以往结构的差别是采用了双层膜构造并应用了先进的自动控制技术。但由于运行费用昂贵,经营者几乎不堪重负。充气膜结构在结构体系上具有创新性,但由于使用过程中出现了较多的问题,特别是运行和维护费用昂贵,在我国应用较少。将充气膜结构与其他技术相结合是这类结构体系发展的前景。
  
  ②千年穹顶
  
  1999年在英国伦敦建成的千年穹顶是英国政府为迎接千禧年而建的标志性建筑,为一个大型综合性展览建筑,其中包括一系列展示与演出的场地,以及购物商场、餐厅、酒吧等。由建筑师理查德·罗杰斯和结构工程师布罗·哈伯特所设计的这个膜结构屋盖直径365米,中心高度50米,穹顶周长约1000米,覆盖面积10万平方米,有12根100米高的组合钢桅杆、70千米长的钢缆绳支承着144块巨型膜材。千年穹顶是一个合理地将索、杆、膜组合而成的混合结构体系,其用钢指标仅20千克/平方米。在生态环保方面,它的薄膜结构保证了最大程度的利用自然光,整个建筑采用自然通风;它的电能为可再生的电能,建筑内的污水经回收处理后用于发电,同时由于所处的特殊地理位置,还利用风力发电。
  
  这个目前世界上跨度最大的屋盖构筑了空前壮观的室内空间,是建筑师的梦想与结构工程师创新的完美结合,体现了20世纪建筑技术的精华。但是,这座耗资12.5亿美元的多功能大众娱乐建筑却因造价高昂,游人不足,建成后使用率很低,高达几百万英镑的维护费用使得该建筑仅开放了一年就于2000年12月31日被迫关闭,曾面临着将要被拆除的厄运。据悉,千年穹顶已经被改造成为一个综合性的娱乐场所。
  
  ③国家游泳中心(水立方)
  
  2007年建成的国家游泳中心(水立方)是由中国建筑工程总公司牵头,联合中建国际深圳设计顾问有限公司、澳大利亚PTW建筑师事务所和悉尼ARUP工程顾问有限公司组成的设计联合体进行设计的。长宽高为177米×177米×31米,建筑总面积8万平方米。下部结构采用钢筋混凝土筒体剪力墙——框架扁梁——大板体系,上部屋面和墙体结构采用基于Weaire-Phelan多面体理论生成的空间刚架结构,屋面和墙体内外统一采用ETFE充气枕覆盖。“水立方”钢结构墙体的厚度3.472米,屋顶厚度7.211米,整个膜结构包含2万个杆件、1万个节点球,每一个节点,每一个杆件全然不一,施工图纸达3万多张,仅绘制耗时大概一年时间。所有的连接点都采用焊接球接点,所用焊条重量达1300多吨。工人在焊接时,没有任何参照,完全凭借着图纸和积累的经验完成了工作。结构总用钢量6900吨,用钢指标120千克/平方米。
  
  水立方的设计单纯追求新颖的几何构型形式,整个结构中的杆件多不相同,大大增加了制作成本。同时还存在大量采用的ETFE充气枕在材料昂贵和耐久性方面的问题。国外供货商能提供担保的使用寿命只有10年,维修费用将会非常高昂,而且每年的折旧费就可能高达两三千万元。另外,“充气枕”在建筑运营过程中需要经常充气,这对能源的消耗会比一般游泳馆更大。这种不考虑建筑物整个寿命周期内的设计将会和前述的充气膜结构一样给建筑物本身和社会带来沉重的负担。
  
  ④国家主体育场(鸟巢)
  
  2008年奥运会主体育场(鸟巢)由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计事务所、奥雅纳工程顾问公司及中国建筑设计研究院设计联合体共同设计。屋盖结构采用交叉平面刚架体系,由钢板焊接而成的箱形构件、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。
  
  整个大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上,沿周边的柱距为37.958米。桁架柱与主桁架和立面次结构共同形成屋盖结构的抗侧力体系。桁架柱均由一个菱形内柱和两个近似方形的外柱组成,由于交汇于菱形内柱腹杆的数量最多达13根,因此角度复杂、对称性较差;桁架柱脚受力达5MN,且柱脚平面尺寸达5米~6米;屋盖钢结构存在大量受力性能非常复杂的空间扭曲构件,它们以受弯为主,构件宽厚比相对很大,板件容易发生局部屈曲,其应用在世界范围内的建筑工程中尚属首次。整个结构的设计、加工制作及安装施工在很多方面均超过现有技术规范的涵盖范围,其复杂性前所未有。因此,为了解决这一系列的结构难题,在材料方面,对于厚钢板选用了国产Q345GJ高性能钢材;对于桁架柱内柱受力最大的部位采用了高强度的Q460钢材,最大厚度达110毫米,这也是迄今为止国内建筑工程中所采用的强度级别最高的厚钢板;在结构分析与设计方面,首次将航空、汽车制造工业应用的三维建模CATIA软件应用于建筑工程中以解决复杂空间结构、扭曲构件与特殊节点的建模问题;在制作方面,采用了为本工程特制的一次性专用多点模压设备,施工中的困难也可想而知。奥运会国家主体育场钢结构总用钢量为4.2万吨,屋顶投影面积为7.76万平方米,扣除中心开洞后的屋顶投影面积为5.9万平方米,用钢指标高达881千克/平方米左右,且钢材及其制作、安装费平均大概在1.7万元/吨左右。
  
  奥运会国家主体育场由于其建筑造型上的“创新”而极端忽视了结构受力体系的合理性,随之而来的结构“创新”都必将是被动而非理性的。其所采用的辐射状交叉门式桁架体系导致了惊世骇俗的用钢指标,进而导致结构自重占到总荷载的70%以上。结构设计极不合理,也为其安全性埋下隐患;为进一步追求造型的要求,大量采用了箱型截面构件,且较多部分的箱型截面都是扭曲的,大大增加了制作和安装的难度。
  
  ⑤国家大剧院
  
  2007年建成的国家大剧院是由法国巴黎机场公司著名建筑师保罗·安德鲁设计、清华大学设计研究院配合完成的。国家大剧院由歌剧院、音乐厅和戏剧场3幢建筑组成,再用一个长轴为212.20米、短轴为143.64米、半竖轴为46.285米的椭圆形半球壳体覆盖,壳体四周环绕巨大水池,建筑立意是“使壳体犹如椭圆形珍珠半浮于水面”。
  
  为了实现这样的建筑造型,结构与施工面临着巨大的难处:一是建造场区水文地质条件复杂,地下水丰富,基础超常埋深,最深处高达32米,这对建筑物防水抗渗技术要求高。二是结构平面复杂,呈椭圆状布局,曲线墙体较多,由多种结构体系组成。平、立面布置交错,分界、分层不规则,无标准结构层,不利于模板周转使用和平面分区流水。三是壳体为超大型空间结构,且呈非正椭圆球体,跨度大,技术复杂,施工空间定位测量难度大。因此,要解决这些结构难题,在材料上,使用耐火耐候钢、C60或C80高强混凝土、聚丙烯纤维抗裂混凝土、水膨胀止水条和较强自我修复能力的XYPEX防水材料等大量新型材料;在结构体系上,对于大剧院的外壳采用了带少量支撑的肋环形空腹双层网壳。国家大剧院外壳体系钢结构总重约6750吨,总建筑面积约为21.75万平方米。根据结构几何外形公式可得其覆盖面积约为2.57万平方米,则用钢指标指标为263千克/平方米。
  
  国家大剧院设计存在的问题是严重忽视使用功能上的合理性以及与周围环境协调性。为了追求建筑效果,在3个剧场已有的屋顶上加盖的1个大屋盖,在使用功能上是多余的,是典型的形式主义的产物,并进一步迫使主体建筑向地下延伸24米-34米,必然造成能源的过度消耗和投资的大量浪费。同时,建筑整体外形与周围环境的协调性也备受责难。
  
  ⑥中央电视台新台址主楼(CCTV主楼)
  
  中央电视台新台址主楼工程方案由荷兰建筑师雷姆·库哈斯和奥勒·舍仁担任主建筑师,荷兰大都会建筑事务所负责设计,并与奥雅纳工程顾问公司合作完成,于2009年竣工。CCTV主楼由基座、裙房和两座塔楼组成,建筑面积47万平方米。两座塔楼均60内倾,分别为51层和44层,并且分别在37层和30层以上部位用14层高的L型悬臂结构连为一体。结构屋面高度234米,最大悬挑长度75米。裙房为9层,与塔楼连为一体。如此一个整体倾覆并且大悬挑、几个主要组成部分严重不对称的奇特建筑造型,建在抗震设防烈度为8度区的首都北京,是在为抗震设计制造难题。
  
  建筑方案先故意弄成倾覆性的反平衡体系,因而结构设计需要再使其扶持不倒。设计采用大量冗赘构件的超静定网筒型结构体系,由SRC柱组成的桁架式外框筒,内部有少量垂直的钢框筒和钢柱,通过组合楼板形成主楼的抗侧力体系。为了确保抗震设计满足要求,历时两年进行了大量的试验研究和理论分析,并在结构的抗震设计、施工模拟分析、基础设计、外筒柱脚设计、高含钢率SRC柱设计、外框蝶形节点设计以及复杂应力状态楼板设计诸多方面采取了创新技术进行攻关。结构采用大量的高强钢材,其中40毫米以上的钢板为7.5247万吨,结构总用钢量为14.4万吨,总建筑面积约47.3万平方米,用钢量302千克/平方米,每吨钢仅制作费用高达5000元。
  
  中央电视台新台址主楼设计存在的问题是完全违背工程结构技术的合理性,使结构在抗震上可能存在安全隐患。为了片面追求奇特的建筑效果致使中央电视台新台址主楼成为平面及竖向均为严重不规则的超限高层建筑,然后再使用突破常规的方法,被动地进行“结构创新”去弥补这一先天性的缺陷,造成了资金和能源的巨大浪费。
  
  笔者认为,上述国内外有争议的设计的不足之处有3点:
  
  第一,它们或多或少地存在片面强调某一方面的设计,特别是强调建筑的造型,而并没有在文化、环境、技术、造价中取得一个平衡,尤其是鸟巢、国家大剧院、中央电视台新台址主楼,其结构受力复杂、施工难度、资源消耗、建设费用之高都达到了令人称奇的地步。
  
  第二,大阪世博会美国馆、千年穹顶、水立方等国内外有争议的设计的工程也出现了大量的“结构创新”,但像鸟巢、国家大剧院和中央电视台新台址主楼均是为了满足建筑造型的需要而去被动地实施,并没有实现建筑与结构很好融合。
  
  第三,这些大型项目上投入了大量的人力、财力和时间进行项目论证与科学技术研究,但仅仅是为了保证单一项目的安全性,研究成果并不具有普遍的应用价值。
  
  5.优秀设计的标准
  
  不同时期的工程设计都是与当时的国情、社会和经济发展水平紧密相连的,其中有的是优秀的,也有不少存在争议或被时间证明是失败的。为了使工程设计能够产生较多的优秀设计,减少失败,应该对优秀设计的标准有统一的认识。
  
  由于不同国家的历史、文化背景的不同,社会和经济发展水平的差异,一个工程设计是否优秀的标准也会不同。当前,我国正处于经济高速发展阶段,建筑工程量之大举世瞩目,并且将持续较长一段时间,因此更有必要明确符合中国特色的优秀设计的标准。
  
  关于中国优秀设计的标准,笔者认为有以下3点:
  
  第一,在建筑设计方面,应该在建筑形式、建筑功能和建筑技术上具有突出的示范效果,并适合中国国情、能够体现时代气息、民族精神与地方特色。
  
  第二,在结构设计方面,应该在结构设计和结构构造上体现科技和工程的新发展,具有先进示范性,实现建筑与结构、形式与内容的合理统一。
  
  第三,在综合效果方面应该明显体现使用上的合适性、经济上的合理性和与节能、环保、可持续发展等基本国策的符合性。
  
  下面就以上3点作进一步阐述。
  
  第一,建筑功能与形式应该兼蓄并重。无论哪个国家和民族,无论什么样的文化背景,充分考虑和满足使用者的功能要求,合理利用建设场地所提供的各种发展可能性,充分发挥材料的特性并仔细推敲细部处理,是建筑设计的共同特征。关于文化和传统的思考,只有通过功能、环境或是技术的内在需求予以表达,才是有意义的。面对21世纪全球经济文化一体化的大趋势,为有效避免建筑文化趋同,就必须肯定地域和民族文化的价值,维护建筑文化的多样性。
  
  当代建筑理论学家亚历山大·楚尼斯指出:“近年来在国际设计领域广为流传的两种倾向,即崇尚杂乱无章的非形式主义和推崇权力至上的形式主义,形成了强烈的对比。在本质上,他们认为任何建筑都是孤立存在的,并且仅仅局限于形式范畴,出于获取愉悦、表达象征,或者广告宣传的目的。大量的先进技术手段,被用于满足人们对形式的热烈追求,这已成为时代的一大特征,其中的技术手段从来没有像今天这样先进和发达,也从来没有像今天这样屈从于对形式主义的幻想、好奇和迷恋”。这一评论切中了一些建筑设计为了追求建筑造型和建筑外形,不顾建筑功能、不惜损害经济性与实用性和违背结构本身合理性的时弊。
  
  在我国,典型的例子就是前面提到的国家大剧院。法国建筑师保罗·安德鲁为了实现使国家大剧院犹如椭圆形珍珠浮于水面的立意,特意在歌剧院、音乐厅和戏剧场3幢独立完整的建筑上再覆盖上一个212.2米×143.64米×46.285米的半椭圆球壳。这一球壳在大剧院的功能上完全不需要,是一个多余的建筑;在与周围环境的相互关系上完全不协调,严重破坏了建造地区既有建筑已经营建形成的具有中华民族特色的建筑文化特点;在能源使用上完全没有贯彻我国节约能源的国策,巨大的屋盖外壳将原来不须耗费能源的室外空间变成为室内空间,每月所耗电量竟高达400万元;在屋盖壳体的建筑造价上完全是无为的浪费。对于这样的建筑设计,不但谈不上优秀设计,而且应该归于否定之列。
  
  第二,建筑造型与结构体系应该协调统一。建筑往往被看作是技术与艺术的结合。建筑中的技术有结构技术、施工技术、设备技术和材料技术等,与建筑造型关系最为主要的是结构技术。
  
  造型与结构的关系在设计程序上表现为3种方式:一是从造型到结构的方式,也就是从造型出发,追求结构上的合理性与美观;二是从结构到造型的方式,也就是从最佳的结构体系出发,创造出与结构完美结合的造型;三是从材料的施工技术到造型的方式,也就是从材料和施工方法的特定技术出发,创造出符合美观要求的结构体系的造型。美国著名建筑设计大师赖特也说:建筑,是用结构来表达思想的科学性的艺术。由此可以看出建筑造型与结构是密切相关的,可以而且应该相互弥补和完善。作为一个优秀设计更应达到建筑造型与结构的协调统一。历史上优秀的建筑都是建筑与结构完美结合的典范,在现代的优秀建筑中也无一不是如此。但是结构上的美感不像造型那样在视觉上显而易见,需要从技术经济因素方面加以评价,因此更需要设计者用心去创造。在许多优秀建筑中新的结构体系、新的结构材料、新的施工技术和新的构造方法一旦提出就会显示出强烈的先进示范性,并被广泛推广应用。这也充分说明,一个优秀设计应该采用先进的结构技术,在结构方案、施工技术和构造方法上具有先进性、安全性,并实现综合的优良经济技术指标。
  
  当今世界建筑呈现出多元化的趋势,随着技术的发展,似乎工程技术可以解决一切问题,致使形式主义又在全球许多领域泛滥,到处都在兴建所谓的标志性建筑和形象工程,忽视经济性与实用性,违背工程结构技术的合理性。
  
  北京奥运会主体育场的设计是一个极端忽视经济性和严重违背工程结构技术合理性的建筑造型设计,其结构设计超过了现有的技术规范,其复杂性前所未有。因此,为了解决这一系列的结构难题,大大增加了企业的制作、安装难度。对于北京奥运会主体育场这样一个体量庞大的超大跨度建筑,能否实现结构合理性对于建筑造型设计至关重要。瑞士建筑师赫尔佐格和德梅隆在进行建筑造型设计时忘记了这一点,用极不合理的结构体系来支撑建筑造型,致使用钢指标高达881千克/平方米,创造了世界最高耗钢量的记录,并出现了屋顶结构自重达到活荷载的10倍以上的极不正常的现象。另外,为了形成建筑师无序就是艺术的理念,刻意营造的杂乱无规律的外表图像,次结构的构件和节点都将扭曲,增加了制作和安装的难度,延长了工期,其制作和安装造价上升到了一般大型钢结构建筑的几倍以上。对于这样一个根本违背造型设计基本原则、耗钢材和浪费投资达到令人无法容忍的建筑设计,根本谈不上优秀设计,应该予以坚决否决。
  
  中央电视台新台址主楼是另一个严重违背工程结构技术合理性的建筑造型设计。对于中央电视台新台址主楼这样一个建于8度抗震设防区、高度为234米的超高层建筑,能否确保结构抗震合理性对于建筑造型设计至关重要。荷兰建筑师雷姆·库哈斯在进行建筑造型设计时却完全没有考虑这一点。整体前倾且在高空悬臂外伸75米的建筑造型已无法得到抗震合理的结构体系,致使中央电视台新台址主楼采用了钢——混凝土组合结构体系后,用钢指标仍高达302千克/平方米。而同样是建在8度抗震设防区的北京,高度为249.9米、64层、采用全钢筒中筒结构体系的北京银泰中心主楼,其用钢指标为227千克/平方米;相比之下,中央电视台新台址主楼的用钢指标比北京银泰中心主楼要多1/4~1/3。另外,建在地震基本烈度约9度的美国加州洛杉矶,高度为218米、53层、采用支撑框架核心筒与外伸桁架体系的FigueroaatWilshire,其用钢指标为110千克/平方米;建在地震频发的日本东京,高度为222.95米、54层、采用钢框架结构的新宿办公楼,其用钢指标为131千克/平方米。相比之下,中央电视台新台址主楼的用钢指标比FigueroaatWilshire大1.7倍,比新宿办公楼大1.3倍。由于建筑造型的错误设计,给结构体系造成了先天性的缺陷,并给主楼的抗震设计留下了无法弥补的隐患。对于这样一个建筑造型设计错误的建筑设计,也根本谈不上优秀设计,应该坚决予以否定。
  
  第三,建筑设计与节约能源、可持续发展等国策应该符合一致。
  
  随着社会的进步,美学也经历了从古典美学向现代美学的发展,并在20世纪中下叶开始出现了生态美学的提法。生态美学要求人们从根本上将技术作为设计的对象,使技术更好地服务于人类;生态美学注重的是文化、生态、工程与环境的关系,注重人性化、节能和可持续发展。因此,我国建筑设计在追求创意新颖、造型别致、形式美观的同时,也必须贯彻节约用地、节约能源、节约用水和节约原材料的基本国策。
  
  由澳大利亚PTW建筑师事务所设计的国家游泳馆水立方,就是因为单纯追求创意新颖、形式美观致使整个结构中的材料多不相同,大大增加了制作成本,是简单问题复杂化的花钱结构,同时大量采用的ETFE充气枕也存在材料是否符合耐久性要求和充气枕需要经常充气是否会造成经常维护费用过高等风险问题。
  
  创建节约型国家是我国的国策,在工程设计时应该考虑经济问题,但这个问题往往会被认为会妨碍创新设计,甚至无法进行创新设计。笔者认为,这是一种非常片面的看法。
  
  结构大师林同炎指出:“从某些方面来说,考虑造价对于创造性的设计是一种约束,但并不一定如此,一个确有创造性的设计人员可以在造价约束下做出优秀的设计来,特别是在今天,有必要认识到精美与经济是能够成为同义概念的。”一些国内外优秀建筑传世之作也充分证明了这一点。
  
  6.怎样才能得到真正的优秀设计
  
  经济全球化的深入发展和我国建筑市场的进一步开放,使得我国很多由国家投资的重大工程项目都进行国际招标,但遗憾的是中国本土设计师很少能够中标,而国外设计师中标的方案也并非都是优秀之作。这些现象说明优秀设计的产生有着多方面的影响因素,包括社会和经济的发展、建筑市场的运营、设计人员的素质、方案中标机制等诸多方面。本文就这些方面谈谈如何才能得到真正的优秀设计。
  
  第一,提高本土设计人员的素质。优秀设计的产生,首先需要包括规划设计师、建筑设计师、结构工程师、设备工程师在内的众多设计人员具备良好的业务素质、职业道德和强烈的社会责任感。
  
  我国从事建筑设计理论、结构理论、建筑物理、建筑设备等方面的研究都非常深入而且比较前沿,但从事实践和实际设计的机会相对来说比较少;而从事实际建筑和结构设计的人员在当前激烈竞争的建筑市场中,忙着赶工期,没有更多的时间进行深入的思考和应用先进的科技成果,致使很多设计在建筑造型上流于盲目地模仿,甚至照抄照搬国外的各种主义,在结构体系上保守地使用经验和技术相对成熟的体系。如何很好地将科研机构和高校的科研成果转化到实际工程项目中是有待加强的工作。另外,分化式的教育使得各个专业领域的设计人员除了精通其专业外,对于其它专业关注较少,因此,设计思维受限,即便有独到创新之处,相互之间对设计意图缺乏深入理解,再碰到实际困难时,就更加难以实施。这些情况造成了我国目前一些本土建筑设计师和结构设计师的设计作品缺乏原创性和竞争力。因此,建设项目中各个专业的设计人员在提高自己专业素质的同时,也应了解和掌握相关的专业。
  
  第二,优秀设计需要建筑师和结构工程师共同创造。从国外众多优秀设计中可以看出,其产生有两种类型:一种是由于结构创新而创造崭新的建筑空间和形象,而另一种是在建筑造型和形象的引领下与结构进行了有机而合理的结合。不论是哪一种,它们都实现了在环境的布局和治理、建筑的造型、空间和形式、结构的体系和材料、构筑方式和技术、社会和经济效益之间的协调一致。
  
  “科学、技术、工程三元论”的倡导者李伯聪先生认为:工程活动的本质是创造一个世界上原来不存在的物,是超越存在和创造存在的活动。因此,可以认为上述的前一种优秀设计是一种显而易见的创新,而后一种优秀设计同样是一种创造性的设计。
  
  从众多的成功或失败的建筑设计中可以得到这样一种情况:优秀设计往往具有结构创新,而具有结构创新的建筑不一定全是优秀设计。因此,要作为一个优秀设计,建筑与结构先进性必须很好地统一,使结构与建筑造型、建筑形式和功能以及周围的环境实现良好的结合,对提高工程质量和施工速度有显著效果,并最终能取得良好的社会效益和经济效益。这就需要建筑师和结构工程师的全力合作与共同创造。
  
  第三,提高全社会的“建筑文化素养”。中国现在大多数建筑项目源自于经济开发,开发商或主管开发项目的政府领导成了建筑领域的主宰,无论从最初的决策到建筑的形式、风格直到建筑材料的采集,整个过程几乎都是开发商和地方领导起主导作用。而偏偏一些业主对于建筑和文化缺乏正确的理念,导致专业设计人员难以对项目起到主导作用。因此,一些建筑师无奈地说:现在是“业主教育设计师的时代”,加上一些业主盲目崇洋,对外国设计师高报酬、言听计从,对国内设计师压级压价,这样也剥夺了许多设计人员的创造机会。在这种情况下,创新基本谈不上,产生优秀的设计更无从谈起。因此,整个社会都需要对城市建设、对建筑文化有所了解,建立基本、正确的概念,提高整个社会的“建筑文化素养”,创造一个建筑文化层次较高的社会环境。
  
  第四,完善“方案中标”评价机制。拥有优秀的设计团队,能否做出优秀的设计方案,这就存在“方案中标”评价机制的问题。像国家大剧院、国家体育场、新CCTV主楼等大型公共建设项目的中标方案备受争议,违背建设基本原则,遭到国内外专家学者的严厉批判,但仍然得以实施。面对这种情况,我们要思考的是“方案中标”的评价标准是什么?
  
  对于建设项目方案的评审,特别是国家投资的重大项目,应在相关领导部门合理组织下,由涵盖建造过程主要专业领域里的专家组成评审组,分专业进行评价。方案优劣的评价指标应该包含建筑、结构、施工、造价、能耗等,最后的评定应综合这些指标并进行科学的、系统的论证而选取最优方案,而不能简单地以某一个方面特别是建筑造型评判。相反,在某一专业方面严重不合理的应该可以“一票否决”。
  
  方案中标过程应进行“档案管理”,对于中标方案和未中标方案都应逐条给出采纳和未被采纳的原因并进行公示,提高中标方案的透明度和可信度。
  
  第五,营造“创新”环境。完成一个建筑设计方案,国外的建筑师一般需要花一两年的时间,而国内往往要在几个月的时间内赶出来。在这样仓促的时间内,建筑师和结构师是否还有时间去思考、去创建新的建筑思想和新的结构体系?这也使得一些有着强烈职业道德和社会责任感的设计师为不能实现自己的创意和设计出更优秀的作品而深表遗憾。在当前建筑市场的运作下,如何才能给中国本土设计人员营造“创新”环境,提高他们的创新能力,也是一个很值得思考的问题。
  
  四、结语
  
  本文对结构创新的动力、前提和途径进行了详细的阐述,在此基础上,对结构创新进行了科学的界定。依照国家现行标准给出了优秀设计的内涵,通过对国内外若干优秀设计的分析和对国内外若干有争议的设计的分析,说明了优秀设计往往具有结构创新,而具有结构创新的建筑不一定全是优秀设计。针对我国当前持续的、大规模的工程建设,提出了新时期工程建设中优秀设计的评判标准,探讨了如何产生优秀设计等问题,以期能够使结构工程技术在发展中不断提升结构创新的能力,并在工程设计实践中产生更多的优秀设计。
  
  本文是几个结构工程科技人员对结构创新和优秀设计的认识,由于受到专业的限制,所提观点难免失之偏颇,诚恳各界读者给予指正。
  
  沈祖炎系中国工程院院士、同济大学教授
  
  ■沈祖炎 王烨华 李元齐
  

  

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