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盡管生活消磨了我們創(chuàng)造驚奇的能力,， ——埃拉蒂奧·迪埃斯特（Eladio Dieste） 《驚奇》 作為去年合立道集團“土建一院作品展暨設(shè)計交流沙龍”活動的一部分,，2019年12月20日,，大白做了題為《結(jié)構(gòu)是什么》的內(nèi)部講座。講述了從2014年至今,，配合建筑方案工作室完成的部分試驗性項目,，詳細介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的推演、支撐方案的結(jié)構(gòu)邏輯,、結(jié)構(gòu)工程師的角色和項目建造的注意事項等內(nèi)容,，涉及清水磚墻、裝飾清水混凝土墻,、復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵問題,。PPT及文字由華姐協(xié)助整理：  大家下午好，我們這次講座的主題是：結(jié)構(gòu)是什么,？
涉及的項目案例,，是大白所在的結(jié)構(gòu)工作室從14年開始跟建筑方案工作室所合作的一些實驗性項目。目前這些項目大多數(shù)已經(jīng)落地完成,，或者結(jié)構(gòu)主體已經(jīng)竣工,。 最近大白剛好看到一個帖子，講到德國施萊希工程設(shè)計顧問公司的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則,，其中有一個觀點我非常認同： 如果我們嘗試去了解一位工程師,，不光要看他做（或設(shè)計）了什么，而他所說的,，也應(yīng)成為他工作內(nèi)容的重要組成部分——以設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案和遵循的結(jié)構(gòu)原則說服所有的項目參與者,。 也就是說，結(jié)構(gòu)工程師要以其結(jié)構(gòu)方案和方案所蘊含的結(jié)構(gòu)邏輯,，來說服所有參與這個項目的的人,。 所以，今天大白打算嘗試一下,，結(jié)合項目實例說明以下兩點內(nèi)容： 一,、結(jié)構(gòu)師如何配合建筑方案來確定結(jié)構(gòu)方案，它背后蘊含的結(jié)構(gòu)邏輯是什么。 二,、結(jié)構(gòu)師在整個過程中做了哪些工作,，以輔助建筑師實現(xiàn)設(shè)計意圖，并且最終的項目完成度如何,。 希望大家對“結(jié)構(gòu)是什么”能有所了解,。維特魯威在《建筑十書》中提出，建筑應(yīng)符合以下三項基本準(zhǔn)則：首先,，結(jié)構(gòu)必須以良好的姿態(tài)屹立不倒,，即堅固；這最起碼的要求,。其次,，必須能夠?qū)崿F(xiàn)一定的目的，滿足設(shè)定的使用功能,，即適用,；比如提供的功能性，能夠符合建筑類別的特點,。在日常工作中，不同項目類型,，對三個準(zhǔn)則的側(cè)重程度會有所不同,。以住宅項目為例，更偏重于結(jié)構(gòu)的堅固性和實用性,，對于結(jié)構(gòu)美觀性的要求則相對會少一點,，只需要盡量把結(jié)構(gòu)隱藏在建筑形體之中。對于公建項目來說,，結(jié)構(gòu)布置常常會成為整個建筑的一部分,，對美觀性的需求大幅提升。此時,，結(jié)構(gòu)的隱藏或顯現(xiàn)都需要仔細的推敲,，建筑師對美觀性的需求會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)師的工作壓力大幅上升。近幾年來,，行業(yè)內(nèi)對建筑師跟結(jié)構(gòu)師相互關(guān)系的思考有所增加,，這是一個非常好的事情——其實雙方各自離不開對方。有的建筑師認為,，結(jié)構(gòu)只是骨架，在這一點上大白是不太認同的。從生物力學(xué)的角度,，骨頭這種材料的抗壓能力強,，但是抗拉能力偏差，且在沖擊力作用下的韌性也是比較差的,。材料性質(zhì)跟混凝土的性質(zhì)非常類似,，所以骨架只像是混凝土而已。當(dāng)骨架與肌肉,、肌腱結(jié)合成為一體后,，它的受力性能大幅上升，就如同鋼筋和混凝土結(jié)合以后,，整體性能得到飛躍,。所以，大白覺得“結(jié)構(gòu)是身體”,。 傳統(tǒng)的理工科對于結(jié)構(gòu)工程的教學(xué),，著重在基本構(gòu)件及其具體設(shè)計過程（如彎、剪,、扭,、壓構(gòu)件的計算）。這種教育方式隱含著一個前提,，即學(xué)生學(xué)完這些知識后,，能獨立把這些零散的構(gòu)件拼裝成一個整體。個人覺得這種教學(xué)模式脫離了實際工作,，跟實際項目設(shè)計流程是完全相悖的,。
以新南幼兒園項目為例，這個項目坐落于翔安區(qū)新圩鎮(zhèn)東寮村,，主體共三層,，為建筑面積4000平方的12班幼兒園（每班30人），方案主創(chuàng)是牛津,。當(dāng)看到上圖所示建筑方案時,，大白首先會考慮它的整體結(jié)構(gòu)方案，用什么結(jié)構(gòu)體系,。其次,，細分各分體系的方案，比如中庭部分或外立面的清水磚墻部分,，研究他們和整體結(jié)構(gòu)方案的關(guān)系,。再次，思考各分體系的構(gòu)件尺寸或布置,。這是一個層層推進的過程,，而傳統(tǒng)教育違背了這個規(guī)律,。大白剛開始介入的時候，整個空間布局基本上就是這樣一個方盒子,。其中掏出若干庭院,，引入光線，并利于通風(fēng),。在中間,，有一大一小兩個圓形天井，大的圓形天井是給小孩子嬉耍玩樂使用,，小的圓形天井內(nèi)則種上樹引入了四季的變化,。整個建筑方案考慮的是一個流動空間的創(chuàng)造，比如說小孩子在里面可以無止境地跑,，各種流線都可以,。建筑對于空間的這種需要，完全符合小孩子愛動的天性,。
大白看過某個Ted演講,，是日本建筑師手塚貴晴所分享的《前所未見最好的幼稚園》，講的是日本富士幼兒園的建筑方案,。 建筑師談到,，小朋友的運動量非常巨大。他們在小朋友身上放GPS,，以追蹤其運動軌跡,，發(fā)現(xiàn)有的小男孩在短短20分鐘的活動軌跡就已十分驚人，一上午的時間可以跑6公里,，而所有孩子的日平均活動軌跡也有4公里,！這是一個令人出乎意料的數(shù)據(jù)，大人們是很難想象到的,。 這個項目的空間流線設(shè)計,，就是為了激發(fā)出小孩子的這種活力。 另外,，項目本身的綜合造價比較低,， 只有2000多一點點，中庭位置沒有做建筑吊頂?shù)念A(yù)算,。所以在方案初期,，建筑師提前要求中庭的結(jié)構(gòu)布置要輕巧靈動一些，順應(yīng)建筑方案的空間,，以后這些構(gòu)件要直接露出來,，成為建筑方案的重要組成部分。 先前報批方案中,，中庭立柱方案采用的是三立柱體系,。三角形最穩(wěn)定,，從概念上講是沒錯的。不過原先落柱位置非常不利于小朋友的活動,，整個活動軌跡過來后,，必須進行避讓才可通過,。 
初始建筑方案中,，天井洞口的直徑及定位，也跟落地方案有所不同的,。大白介入建筑方案后,，先在洞口邊布上環(huán)形混凝土梁（藍色），接著沿教室四周布了環(huán)形框架梁（紅色）,。只需略微調(diào)整兩個圓的直徑大小和圓心定位,，就能讓洞口邊梁直接支撐在環(huán)形框架梁上，中庭所有柱的落位自然而然也就定位下來,。這種中庭結(jié)構(gòu)分體系方案,，順應(yīng)了流線設(shè)計。所帶來的問題是：單排雙柱和雙向懸挑梁,，從概念上講是比較不利,。為了保證流線效果，結(jié)構(gòu)師要進一步研究,，分體系方案跟整體結(jié)構(gòu)體系的關(guān)系,，以及如何讓單排雙柱方案成立。
結(jié)合幼兒園的空間功能,、使用功能,、高度，和結(jié)構(gòu)的剛度需求,，整體結(jié)構(gòu)方案可確定采用框架結(jié)構(gòu),。 框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：一、能順應(yīng)建筑的空間需要,，空間分隔簡單,。二、提供較大的空間,、開敞的空間,。而缺點是：側(cè)向剛度小，不適合較高的建筑,。 常規(guī)框架體系,，通過框架柱的反彎來約束柱端，形成整體剛度,，能在水平力下減少側(cè)向位移,。框架梁的存在,，約束框架柱在豎向荷載下的屈曲變形，所以能大幅提高柱的抗壓承載力,。 隨之而來的問題是,，在側(cè)向力作用下，框架柱的柱端彎矩是逐層疊加的,，由于柱的受彎效率遠低于受壓效率,，層數(shù)越多則底部樓層的柱截面越大。
這種常規(guī)的設(shè)計策略不利于中庭柱外露,。大白設(shè)計了一種“剪壓分離”的結(jié)構(gòu)布置方案,，亦可稱之為“抱大腿策略”。 其基本結(jié)構(gòu)邏輯是： 由于中庭分體系和主要抗側(cè)力體系之間的剛度差異,，本該由分體系承受的側(cè)向荷載通過樓板轉(zhuǎn)移到主要抗側(cè)力體系上,。分體系內(nèi)各層框架柱的柱端彎矩變化不大，均為梁端的不平衡彎矩,。此時柱以受壓為主,，材料利用效率提高，截面可以做的比較小,。 不知大家是否注意到,，這種情況在日常工作中很常見。 比如剪力墻結(jié)構(gòu)中的個別框架柱或者是框筒結(jié)構(gòu)的外圈框架柱,，各層柱彎矩變化不大,，其配筋也常以構(gòu)造為主。 束偉農(nóng)總在北京大興機場講座中提到,，指廊的結(jié)構(gòu)布置也運用了該理念,。利用內(nèi)跨的門鋼作為主要抗側(cè)力體系，從而減小外跨幕墻龍骨柱的尺寸,，使外幕墻更為通透,。 
前面介紹了，中庭結(jié)構(gòu)分體系和周邊框架體系的大體情況,。總結(jié)一下： 周邊框架體系：承擔(dān)全部水平荷載及大部分重力荷載,，且隱藏在次要空間內(nèi)。 中庭柱：承受相關(guān)區(qū)域重力荷載及梁端不平衡彎矩,，可以設(shè)計得輕巧靈活一些,，尺寸統(tǒng)一且便于外露，以滿足建筑美觀要求,。（作為補償,，次要空間的框架體系需要做的強一點。） 樓蓋體系：應(yīng)起到水平隔板作用,，必須大體是剛性的,。 這樣我們就可以知道結(jié)構(gòu)方案的重點加強部位：周邊框架體系及中庭樓板,。 
整體方案確定下來了，就可以接著確定中庭內(nèi)其他構(gòu)件的布置,，主要考慮幾個問題： 一,、不平衡彎矩的存在：框架梁存在大小跨情況，在重力荷載下,，柱子多少會承受一些彎矩,； 二、連廊上的最不利活荷載布置：比如小朋友都只站在一側(cè)的時候,； 三,、環(huán)梁高度和柱子截面尺寸的匹配：和建筑師商量后,，環(huán)梁的高度定為800mm ,。 綜合上述因素，并和建筑專業(yè)確認后,，柱子確定為直徑600的圓柱,。 如此，中庭分體系的結(jié)構(gòu)方案也確定下來,，平面上最終形成一個八字形流線,，小朋友可以無約束的奔跑、無止境地嬉戲追逐,。 
最后總結(jié)一下,，結(jié)構(gòu)工程師在初步設(shè)計時候，先思考整體方案,，比如采用框架體系,；接下來，確定分體系與整體方案的聯(lián)系,，發(fā)現(xiàn)中庭單排柱可能存在問題,，需要找到重點加強部位；再來,，確定分體系的具體布置方案,，比如弧梁和單排柱尺寸?？梢钥吹?，整體過程是自然而然層層推進的。 當(dāng)然,，這些理念與結(jié)構(gòu)語言,，最終都需要通過良好的設(shè)計圖紙來表達和呈現(xiàn)。為了實現(xiàn)項目的高完成度,，精細化設(shè)計必不可少,。結(jié)構(gòu)圖紙是項目從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計到落地實現(xiàn)的重要組成部分,，這需要結(jié)構(gòu)工程師在全過程中保持對品質(zhì)的追求。建筑師對項目品質(zhì)的堅持更是必不可少的,。他們需要與結(jié)構(gòu)專業(yè)對項目的完成度達成共識,，并在設(shè)計過程中充分溝通，以確保實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo),。這個項目在設(shè)計階段,，建筑師花了大量的時間，把表皮,、結(jié)構(gòu)體系等細節(jié),，按實際尺寸建立su模型，并用來指導(dǎo)和校核施工圖設(shè)計,。正是他們的堅持,，才促使雙方高質(zhì)量的完成了整個項目。
前面的圖是su模型中的中庭透視圖,，后一張是項目完成后的實景圖,，對比這兩張圖可以發(fā)現(xiàn)，除了門窗位置有些許變化,，兩者幾乎是一樣的,。 實景圖中，可以看到活荷載不利布置的實例：小朋友們集中站在走廊的一側(cè),，結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮其不利影響,。這張圖呈現(xiàn)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，屋面有個圓錐型的天窗,，直徑3m ,，高2m，建筑師要求底座處無梁,。利用結(jié)構(gòu)空間效應(yīng),，直接做了壁厚120 mm的折板，化彎曲應(yīng)力為徑向拉力,，屋面根部處適當(dāng)加厚以支撐于兩側(cè)的弧梁上,，避免了屋面板的沖切破壞。這張是小圓天井中庭的實景,，孩子們圍坐在樹邊或繞著中庭走廊嬉戲,。
這張是基礎(chǔ)和基礎(chǔ)拉梁完成時的照片，基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ) 。現(xiàn)場正在搭設(shè)樓層模板,，與工業(yè)設(shè)計類似,，施工過程先搭設(shè)模具，然后澆筑混凝土成型,，差別是模具只使用一次,，用完后即被拆卸。梁鋼筋和箍筋綁扎完成,，板鋼筋還未開始鋪設(shè),，電氣專業(yè)的照明電線金屬管要預(yù)埋在板內(nèi)。現(xiàn)場拆除模板后的實景,。需要注意：圓錐型天窗的根部建議一定要吊模（吊模是指沒有下部支撐而懸在空中的模板）30cm高,，保證一次交搗完成以防止日后從接縫處漏水。
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