文什么结构-构思结构 | 《结构是什么？》图文版（一）

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与所有艺术一样，建筑帮助我们思考。

尽管生活消磨了我们创造惊奇的能力，

惊奇仍是描绘这个世界真实图景的起点。

——埃拉蒂奥·迪埃斯特（ ）

《惊奇》

作为去年合立道集团“土建一院作品展暨设计交流沙龙”活动的一部分，2019年12月20日，大白做了题为《结构是什么》的内部讲座。讲述了从2014年至今，配合建筑方案工作室完成的部分试验性项目，详细介绍了结构设计方案的推演、支撑方案的结构逻辑、结构工程师的角色和项目建造的注意事项等内容，涉及清水砖墙、装饰清水混凝土墙、复杂异形结构等关键问题。PPT及文字由华姐协助整理：

大家下午好，我们这次讲座的主题是：结构是什么？

涉及的项目案例，是大白所在的结构工作室从14年开始跟建筑方案工作室所合作的一些实验性项目。目前这些项目大多数已经落地完成，或者结构主体已经竣工。

最近大白刚好看到一个帖子，讲到德国施莱希工程设计顾问公司的结构设计原则，其中有一个观点我非常认同：

如果我们尝试去了解一位工程师，不光要看他做（或设计）了什么，而他所说的，也应成为他工作内容的重要组成部分——以设计的结构方案和遵循的结构原则说服所有的项目参与者。

也就是说，结构工程师要以其结构方案和方案所蕴含的结构逻辑，来说服所有参与这个项目的的人。

所以，今天大白打算尝试一下，结合项目实例说明以下两点内容：

一、结构师如何配合建筑方案来确定结构方案，它背后蕴含的结构逻辑是什么。

二、结构师在整个过程中做了哪些工作，以辅助建筑师实现设计意图，并且最终的项目完成度如何。

希望大家对“结构是什么”能有所了解。

维特鲁威在《建筑十书》中提出，建筑应符合以下三项基本准则：

首先，结构必须以良好的姿态屹立不倒，即坚固；这最起码的要求。

其次，必须能够实现一定的目的，满足设定的使用功能，即适用；比如提供的功能性，能够符合建筑类别的特点。

再次，外观上让人愉悦、比例上均衡，即美观。

在日常工作中，不同项目类型，对三个准则的侧重程度会有所不同。

以住宅项目为例，更偏重于结构的坚固性和实用性，对于结构美观性的要求则相对会少一点，只需要尽量把结构隐藏在建筑形体之中。

对于公建项目来说，结构布置常常会成为整个建筑的一部分，对美观性的需求大幅提升。此时，结构的隐藏或显现都需要仔细的推敲，建筑师对美观性的需求会导致结构师的工作压力大幅上升。

近几年来，行业内对建筑师跟结构师相互关系的思考有所增加，这是一个非常好的事情——其实双方各自离不开对方。

有的建筑师认为，结构只是骨架，在这一点上大白是不太认同的。

从生物力学的角度，骨头这种材料的抗压能力强，但是抗拉能力偏差，且在冲击力作用下的韧性也是比较差的。材料性质跟混凝土的性质非常类似，所以骨架只像是混凝土而已。

当骨架与肌肉、肌腱结合成为一体后，它的受力性能大幅上升，就如同钢筋和混凝土结合以后，整体性能得到飞跃。所以，大白觉得“结构是身体”。

传统的理工科对于结构工程的教学，着重在基本构件及其具体设计过程（如弯、剪、扭、压构件的计算）。这种教育方式隐含着一个前提，即学生学完这些知识后，能独立把这些零散的构件拼装成一个整体。

个人觉得这种教学模式脱离了实际工作，跟实际项目设计流程是完全相悖的。

以新南幼儿园项目为例，这个项目坐落于翔安区新圩镇东寮村，主体共三层，为建筑面积4000平方的12班幼儿园（每班30人），方案主创是牛津。

当看到上图所示建筑方案时，大白首先会考虑它的整体结构方案，用什么结构体系。其次，细分各分体系的方案，比如中庭部分或外立面的清水砖墙部分，研究他们和整体结构方案的关系。再次，思考各分体系的构件尺寸或布置。

这是一个层层推进的过程，而传统教育违背了这个规律。

大白刚开始介入的时候，整个空间布局基本上就是这样一个方盒子。其中掏出若干庭院，引入光线，并利于通风。在中间，有一大一小两个圆形天井，大的圆形天井是给小孩子嬉耍玩乐使用，小的圆形天井内则种上树引入了四季的变化。

整个建筑方案考虑的是一个流动空间的创造，比如说小孩子在里面可以无止境地跑，各种流线都可以。建筑对于空间的这种需要，完全符合小孩子爱动的天性。

大白看过某个Ted演讲，是日本建筑师手塚贵晴所分享的《前所未见最好的幼稚园》，讲的是日本富士幼儿园的建筑方案。

建筑师谈到，小朋友的运动量非常巨大。他们在小朋友身上放GPS，以追踪其运动轨迹，发现有的小男孩在短短20分钟的活动轨迹就已十分惊人，一上午的时间可以跑6公里，而所有孩子的日平均活动轨迹也有4公里！这是一个令人出乎意料的数据，大人们是很难想象到的。

这个项目的空间流线设计，就是为了激发出小孩子的这种活力。

另外，项目本身的综合造价比较低，只有2000多一点点，中庭位置没有做建筑吊顶的预算。所以在方案初期，建筑师提前要求中庭的结构布置要轻巧灵动一些，顺应建筑方案的空间，以后这些构件要直接露出来，成为建筑方案的重要组成部分。

先前报批方案中，中庭立柱方案采用的是三立柱体系。三角形最稳定，从概念上讲是没错的。不过原先落柱位置非常不利于小朋友的活动，整个活动轨迹过来后，必须进行避让才可通过。

初始建筑方案中，天井洞口的直径及定位，也跟落地方案有所不同的。

大白介入建筑方案后，先在洞口边布上环形混凝土梁（蓝色），接着沿教室四周布了环形框架梁（红色）。只需略微调整两个圆的直径大小和圆心定位，就能让洞口边梁直接支撑在环形框架梁上，中庭所有柱的落位自然而然也就定位下来。

这种中庭结构分体系方案，顺应了流线设计。所带来的问题是：单排双柱和双向悬挑梁，从概念上讲是比较不利。为了保证流线效果，结构师要进一步研究，分体系方案跟整体结构体系的关系，以及如何让单排双柱方案成立。

结合幼儿园的空间功能、使用功能、高度，和结构的刚度需求，整体结构方案可确定采用框架结构。

框架结构的优点：一、能顺应建筑的空间需要，空间分隔简单。二、提供较大的空间、开敞的空间。而缺点是：侧向刚度小，不适合较高的建筑。

常规框架体系，通过框架柱的反弯来约束柱端，形成整体刚度，能在水平力下减少侧向位移。框架梁的存在，约束框架柱在竖向荷载下的屈曲变形，所以能大幅提高柱的抗压承载力。

随之而来的问题是，在侧向力作用下，框架柱的柱端弯矩是逐层叠加的，由于柱的受弯效率远低于受压效率，层数越多则底部楼层的柱截面越大。

这种常规的设计策略不利于中庭柱外露。大白设计了一种“剪压分离”的结构布置方案，亦可称之为“抱大腿策略”。

其基本结构逻辑是：

由于中庭分体系和主要抗侧力体系之间的刚度差异，本该由分体系承受的侧向荷载通过楼板转移到主要抗侧力体系上。分体系内各层框架柱的柱端弯矩变化不大，均为梁端的不平衡弯矩。此时柱以受压为主，材料利用效率提高，截面可以做的比较小。

不知大家是否注意到，这种情况在日常工作中很常见。比如剪力墙结构中的个别框架柱或者是框筒结构的外圈框架柱，各层柱弯矩变化不大，其配筋也常以构造为主。

束伟农总在北京大兴机场讲座中提到，指廊的结构布置也运用了该理念。利用内跨的门钢作为主要抗侧力体系，从而减小外跨幕墙龙骨柱的尺寸，使外幕墙更为通透。

前面介绍了，中庭结构分体系和周边框架体系的大体情况。总结一下：

周边框架体系：承担全部水平荷载及大部分重力荷载，且隐藏在次要空间内。

中庭柱：承受相关区域重力荷载及梁端不平衡弯矩，可以设计得轻巧灵活一些，尺寸统一且便于外露，以满足建筑美观要求。（作为补偿，次要空间的框架体系需要做的强一点。）

楼盖体系：应起到水平隔板作用，必须大体是刚性的。

这样我们就可以知道结构方案的重点加强部位：周边框架体系及中庭楼板。

整体方案确定下来了，就可以接着确定中庭内其他构件的布置，主要考虑几个问题：

一、不平衡弯矩的存在：框架梁存在大小跨情况，在重力荷载下，柱子多少会承受一些弯矩；

二、连廊上的最不利活荷载布置：比如小朋友都只站在一侧的时候；

三、环梁高度和柱子截面尺寸的匹配：和建筑师商量后，环梁的高度定为800mm 。

综合上述因素，并和建筑专业确认后，柱子确定为直径600的圆柱。

如此，中庭分体系的结构方案也确定下来，平面上最终形成一个八字形流线，小朋友可以无约束的奔跑、无止境地嬉戏追逐。

最后总结一下，结构工程师在初步设计时候，先思考整体方案，比如采用框架体系；接下来，确定分体系与整体方案的联系，发现中庭单排柱可能存在问题，需要找到重点加强部位；再来，确定分体系的具体布置方案，比如弧梁和单排柱尺寸。可以看到，整体过程是自然而然层层推进的。

当然，这些理念与结构语言，最终都需要通过良好的设计图纸来表达和呈现。为了实现项目的高完成度，精细化设计必不可少。结构图纸是项目从结构概念设计到落地实现的重要组成部分，这需要结构工程师在全过程中保持对品质的追求。

建筑师对项目品质的坚持更是必不可少的。他们需要与结构专业对项目的完成度达成共识，并在设计过程中充分沟通，以确保实现预期目标。

这个项目在设计阶段，建筑师花了大量的时间，把表皮、结构体系等细节，按实际尺寸建立su模型，并用来指导和校核施工图设计。

正是他们的坚持，才促使双方高质量的完成了整个项目。

前面的图是su模型中的中庭透视图，后一张是项目完成后的实景图，对比这两张图可以发现，除了门窗位置有些许变化，两者几乎是一样的。

实景图中，可以看到活荷载不利布置的实例：小朋友们集中站在走廊的一侧，结构设计需考虑其不利影响。

这张图呈现了中庭弧梁的完成效果，可以看到弧梁、立柱及天窗。

值得一提的是，屋面有个圆锥型的天窗，直径3m ，高2m，建筑师要求底座处无梁。利用结构空间效应，直接做了壁厚120 mm的折板，化弯曲应力为径向拉力，屋面根部处适当加厚以支撑于两侧的弧梁上，避免了屋面板的冲切破坏。

这张是小圆天井中庭的实景，孩子们围坐在树边或绕着中庭走廊嬉戏。

这张是基础和基础拉梁完成时的照片，基础采用柱下独立基础 。

现场正在搭设楼层模板，与工业设计类似，施工过程先搭设模具，然后浇筑混凝土成型，差别是模具只使用一次，用完后即被拆卸。

梁钢筋和箍筋绑扎完成，板钢筋还未开始铺设，电气专业的照明电线金属管要预埋在板内。

现场拆除模板后的实景。需要注意：圆锥型天窗的根部建议一定要吊模（吊模是指没有下部支撑而悬在空中的模板）30cm高，保证一次交捣完成以防止日后从接缝处漏水。

未完待续，请关注本号的下一次推送……

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