越来越细的柱子——大天鹅科普馆结构建筑设计回顾【对谈】

以下文章来源于AT建筑技艺

【AT导读】“对话：建筑与结构”专题前次讨论了建筑与结构在形态层面上从实现到表现的对话可能，本期将聚焦大天鹅科普馆设计过程中结构设计与建筑设计的交织与错位。通过整合陈军与项目结构工程师张准、张冲冲的先后三次对话，阐明设计过程中涌现的非常规细柱。关注细柱独特化的过程与具体设计情境的创造性关联，而非将越来越细的柱子理解成一种结构新奇性。

   

▲ 图1 大天鹅科普馆北侧 ?杨天周

本期对谈嘉宾：

陈军 

香港中文大学建筑学院博士候选人。 

张准 

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司高级工程师，和作结构建筑研究所联合创始人，国家一级注册结构工 程师，国家一级注册土木工程师（岩土）。

张冲冲

和作结构建筑研究所结构工程师。

01

底层架空：

从“伞体柱单元”到“三角形网格梁柱” 

?? 陈军：

建筑师提到，在大天鹅科普馆项目初期，业主只提出比较笼统的要求：面积控制在2 000㎡ 左右；在功能计划上，做一些普适性的展览空间，兼做一处可以远观天鹅湖的场所^[1]（图1）。我看到整个过程大致有几稿建筑方案，结构设计是从哪个阶段开始介入的？

?? 张准：

从最初的“单伞”方案就介入了。

?? 陈军：

“单伞”方案以十几个非规则五边形的曲面伞体柱作为结构单元，它们看起来是有机组合的，填补了场地三面松林之间的缺口。建筑底层是架空的，容许人和天鹅穿越建筑（图2,3）。同时，“伞体”结构单元之间是分开的，屋顶的缝隙在室内形成不规则的光带。在这个方案的推进过程中遇到了什么困难呢？

▲ 图2 第一版建筑方案南侧透视效果图，显示“伞体柱”单元以及底层架空  ?若本建筑工作室

▲ 图3 第一版建筑方案总平面图，显示非规则的五边形“伞体柱”单元有机地组合，并填补场地三面松林的缺口 ?若本建筑工作室

?? 张准：

当时经过讨论，觉得有不可实施的风险，所以就直接换掉了。

?? 陈军：

不可实施的原因是？

?? 张准：

因为建筑上想用混凝土直接浇筑弧线段，但是听说现场施工能力不算很好，做起来稍有困难，担心最终的完成品质不高。我们也考虑过要么里面做柱子，外面弧线靠装饰，但建筑师觉得那样不好，就放弃了这个方案。

?? 陈军：

具体的施工难度在于什么呢？

?? 张准：

担心双曲异形模板的支模质量及清水混凝土浇筑的完成品质没法保证。但是等项目推进到后期，我们发现实际上当地可以找到很好的施工单位。

?? 陈军：

“里面是柱子，外面的弧线靠装饰”，这种思路好像挺常规的。你们提出这种结构方案是基于什么综合的考虑？

?? 张准：

在当时的情形下，这个方案确实也是一个潜在方向，是可以提出来讨论的，主要在于试探建筑师的关注点以及这个项目的可能性 。 每个项目的具体情况都不一样，如果一开始人为设限太多、刻意回避，项目可能就很难推进下去了。另外，即使是“里面做柱子，外面靠装饰”，其实还是有机会做得不一样。

?? 陈军：

第二版建筑方案有两个比较大的变化：1）几何原型（Protogeometry）从非规则五边形伞体柱单元变成规则的三角形网格梁柱与六边形单元的叠合，柱间距统一至8m；2）材料选择上从钢筋混凝土变成钢或木（图4,5）。 单从平面几何关系来看，两个方案似乎有一种连贯性，像是不规则多边形单元的规整化，但是在结构体系和空间体验上差异很大。

▲ 图4 第二版建筑方案南侧透视效果图 ?若本建筑工作室

▲ 图5 第二版建筑方案二层平面图，显示三角形网格柱网与六边形单元的叠合 ?若本建筑工作室

?? 张准：

在这两个方案的讨论过程中，建筑师都很强调底层架空，希望柱子尺寸尽量小一些。 按照第二稿建筑方案的效果图，我们提供了两种常见的框架结构方案：1）混凝土框架结构，柱子略粗；2）普通钢构，柱子较细，空间更通透。对比后，建筑师还是希望柱子能更小一点。 于是，我们又研究了密集钢列柱方案的可能性，这个方案的柱子最细，但必须有斜向构件。

?? 陈军：

建筑师选择了密集钢列柱的结构方案之后，还调整了建筑在场地上的落位，从树林的角部挪到树林内侧。结构方面和这个变动有什么关联吗（图6-8）？

?? 张准：

当时结构上倒没有留意这个事情。

▲ 图6 密集钢列柱方案效果图 ?若本建筑工作室

▲ 图7 密集钢列柱方案一层平面图 ?若本建筑工作室

▲ 图8 柱子截面变化  上：第一版方案；中：第二版方案；下：最终版方案 ?和作结构建筑研究所

02

细柱，屈曲与施工阶段内力调整

?? 陈军：

密集钢列柱在结构上需要怎样才能成立？最大的问题是细柱的抗屈曲吗？

?? 张准：

对， 主要是让列柱里的细柱受力均衡，避免局部受力过大而导致屈曲。 在这个项目里， 我们给出了在施工阶段内力调整的方案。

?? 陈军：

具体是怎么处理的？

?? 张冲冲：

如果只是常规的施工方式，二层框架柱的荷载将集中于底层柱列端部位置的细柱，导致细柱屈曲，结构失效。在这个项目中，我们利用施工阶段的控制来调整传力路径。柱列由D60实心钢柱（1#-6#）和D60×6空心钢管组成，竖向力主要由实心柱承担，水平力由全部柱分摊（图9,10）。

▲ 图9 建筑底层密集列柱 ?姚力

▲ 图10 密集柱平面图与立面图 ?和作结构建筑研究所

施工的第一阶段（主要抵抗恒荷载），人为控制屋面荷载经过上层立柱传递到列柱内侧的三根柱子（4#-6#），避免1#-3#立柱参与受力。承担这部分荷载的三根柱子（4#-6#）在顶部汇在一起，形成一个组合柱来抵抗（图11）。施工的第二阶段（结构封顶后），也就是全部恒荷载加载完毕后，再固定列柱外侧的三根柱子（1#-3#）（图12）。 通过这样的施工控制，列柱端部三根钢柱仅承担活荷载，从而使得列柱内力分布相对均衡，有效利用细钢柱的截面 。

▲ 图11 恒荷载传力路径（1#-3#柱不参与传力）

?和作结构建筑研究所

▲  图12  叠加活荷载后的传力路径 ?和作结构建筑研究所

?? 陈军：

是不是有一个特殊的节点来控制这个过程？

?? 张冲冲：

具体做法的话，就是在最外侧三根柱子的柱脚处设置钢套筒，施工第一阶段完成后，再把套筒和柱子焊接固定（图13,14）。

▲ 图13 后固定柱脚节点图 ?和作结构建筑研究所 ▲ 图14 后固定柱脚节点施工，同时显示全筏板基础 

?和作结构建筑研究所

?? 陈军：

施工阶段内力调整的想法是从这个项目里冒出来的吗？这在结构里是常见做法吗？

?? 张准：

其实跟之前做日晖港桥有关系。当时考虑减小基础推力方案时，大野博史曾提过一个想法，也就是在拉索一开始张拉时，让桥台向里面内偏受力，然后当人群走上去的话又能外偏受力，相当于有一半活荷载是这根索预先承担的^[2]。虽然最后没能实现，但是这个想法本身很好。

施工阶段内力调整在桥的项目上经常被用到，包括之后的川杨河桥也有这个想法^[3]。但对于建筑来说，这种做法还是相对特殊的，在一些比较大型的项目中也会用到，而中小型项目的话就比较少用到了。

?? 陈军：

其实在一排列柱中只有外侧几根是实心钢柱，中间的那些是钢管。施工阶段内力调整后，竖向基本上都由实心钢柱承担了，那这些钢管主要就是用来承担水平力的？另外，在结构分析图上，中间的钢管布置在视觉上比较规律，但是最后建成的钢管布置方式看起来相对随机，这两种（布置方式）在结构上有什么区别？

?? 张准：

中间的钢管在概念上可以理解成抗震储备，保证有一定数量的斜向构件来抵抗水平力即可。 建筑师是根据这个原则来调整的。

?? 陈军：

从建成效果来看，建筑像是由一系列很细的钢柱支撑的。实际上，沙土和水面遮盖了房子的全筏板基础，加强了这种轻盈的视觉效果（图15）。工程上用全筏板基础有什么特别的考虑吗？

▲ 图15 建成后一层细柱与二层钢柱形成对比 ?姚力

?? 张准：

主要有两方面的考虑。 一方面是场地的土质比较松散，只用条形基础的话，地震时难以应对土壤液化问题。另一方面，二层楼板的施工需要满堂脚手架，土质太软的话，脚手架施工难度比较大。 不过这里还是有遗憾的，本来想把混凝土部分都遮起来，只露出细柱（图16），后来可能因为某些原因就没有全覆盖（基础混凝土的部分）。

▲ 图16 主体结构完工，显示基础部分完全被覆盖下的柱子对比 

?和作结构建筑研究所

03

细柱的五种做法与效果

?? 陈军：

关于细柱，你们好像已经有一系列相关的实践？

?? 张准：

是的。最开始把柱子做细是在花草亭项目中，当时那个细柱是直接以计算保证的，只是计算方式有一些特别的地方^[4]。第二个是例园茶室，其中有一些座椅之类的构件让柱子的计算长度变小了，这样柱子就有机会细一些^[5]。接下来是边园，利用场地现有的条件，让较长的柱子在抵抗重力及风力时尽量受拉，这样柱子就可以细一些^[6]。 再来是这个大天鹅科普馆，用上了施工阶段内力调整，让一列细柱相对均匀地承担荷载，避免局部细柱集中受力后屈曲。 我们还有一个正在进行的项目计划利用后屈曲行为，来减小柱子的尺寸。

?? 陈军：

后屈曲行为？

?? 张准：

柱子屈曲后并不一定会完全丧失承载力，只是无法保持原有形态。后屈曲就是利用这个阶段的强度，但是这时它已经变形比较大了，建筑结构一般不大会使用。使用中大多不会到后屈曲阶段，只是把后屈曲作为最终的安全储备。大家也大多不考虑静力下的后屈曲行为。 但如果有针对性地加以设计，也可以将后屈曲阶段的特征加以展现，而不仅仅是安全储备。

?? 陈军：

这是通过减少结构冗余来减小构件尺寸的方式。 前面提到的几个项目里，细柱的做法和效果都很独特。其实谈到细柱的几种非常规做法，不是说要追求柱子越来越细，也不是追求结构的新奇性，而是关注这些结构的非惯常做法怎么在具体项目里形成创造性关联^[7]。另外，细柱的做法也不是固定的解决方案，在某些项目条件下也有机会生成一些新的关联……

?? 张准：

这些做法也可能混起来使用。

04

二层“木”结构的演化

?? 陈军：

上下两层的结构差别很大，几乎是两套体系，这种叠合的结构体系需要特殊评审吧？

?? 张准：

是的。评审专家认为整体结构体系是没有问题的，不过对二层结构有一些讨论。当时的规范对钢木混合结构的要求相对比较模糊，评审专家认为二层用纯木结构的话，可能会有防火问题。

?? 陈军：

把木柱子改成钢柱子是因为防火问题吗？

?? 张准：

防火等级由建筑性质确定，一开始项目被设定为三级防火标准，较多采用木结构是没问题的。但是推进过程中调整为二级，（二层）就不允许（全）做木结构了。

?? 陈军：

从建筑师提出二层采用木材到最后建成，二层的柱子有一些变化。从最开始的方案中可以看到，柱子是钢木混合的，柱子和梁之间留有缝隙，视觉上呈现出不连续性。实际上在这个方案中，柱子木材部分的受力不是很明确（图17）。而在第一次审图时，二层结构是纯木材的，梁柱在视觉上是连续的（图18）。 最后采用了钢柱，和木梁的交接节点是外露的钢材，这在视觉上比较接近初始方案（图19）。 这个变化过程中有什么特别的讨论吗？

▲ 图17 建筑师的二层木结构方案效果图，显示钢节点及柱梁脱开 ?若本建筑工作室

▲ 图18 评审前二层木结构效果图，显示柱梁视觉上是连续的  ?若本建筑工作室

▲ 图19 建成二层内景，显示钢柱与木梁的交接关系 ?杨天周

?? 张准：

建筑师提出二层做木结构时，认为需要钢节点来进行木构连接，实际上效果图中的木柱抗弯受力并不直接。因此，我们就提出二层可以做纯木框架结构（图20）。 初次审图时，对柱顶刚接节点的可靠性及是否需要增加支撑措施还有过一些讨论。当然后来评审时，就直接因为防火问题而不让用木柱了。于是，最终采用了钢柱，而且钢柱外侧的木材是不受力的（图21）。

▲ 图20 评审前二层结构立面详图，显示二层为木结构框架，柱脚为铰接做法 ?和作结构建筑研究所

▲ 图21 评审后二层结构立面详图，显示二层为钢柱木梁结构框架，柱脚为刚接做法 ?和作结构建筑研究所

?? 陈军：

又薄又高的木梁好像从头到尾都没有什么变化（图22）？

?? 张准：

实际上，部分老式木框架在梁柱连接部位有腋撑，通过这个方式实现梁柱刚接，这样柱脚铰接就可以确保结构成立（柱底铰接的抗侧方式类似门式钢架，不过最后钢柱改成了柱脚刚接，柱顶就可以铰接了）。 我们之所以设计一个很高的梁是把这个形式加以异化，将腋撑隐藏在了梁高范围内，可以认为受力模式跟腋撑框架近似，梁柱衔接处能够形成较好的刚性连接（图23,24）。

▲ 图22 建成后的门厅，显示又薄又高的木梁 ?杨天周

▲ 图23 木梁等效竖向内力分布 ?和作结构建筑研究所

▲ 图24 木梁等效水平内力分布 ?和作结构建筑研究所

?? 陈军：

那木梁怎么做到这么薄呢？

?? 张冲冲：

因为梁高较大，不管木梁是竖向受力还是水平受力，梁端部的变形趋势会让梁柱之间的连接变得更紧（梁高加大，更小的梁端转角即可以使节点处的螺栓与木材孔壁紧密贴合），也更容易维持框架的整体刚度。另外，对于同样截面刚度的木梁而言，加高木梁可以让梁宽指数倍地减小（梁的截面弯曲刚度正比于梁高的三次方），在满足截面防火构造及稳定的前提下，就可以把梁做得尽量薄。

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项目信息 

业主：荣成市好运角旅游度假区管委会

建设地点：山东省荣成市 

建筑设计：若本建筑工作室 

主创建筑师：李立 

设计团队：岳文昆、孔维薇 

结构设计：和作结构建筑研究所 

结构设计团队：张准、张冲冲 

施工图配合：上海中福建筑设计院有限公司 

用地面积：22 344㎡

总建筑面积：2 663㎡

建成时间：2018

摄影：姚力、杨天周

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注释

针对大天鹅科普馆设计，陈军与结构工程师进行了三次对谈，分别是2018年11月21日于和作结构建筑研究所办公室与张冲冲的对谈，2018年11月29日于和作结构建筑研究所办公室与张准的对谈，以及2022年5月4日通过网络视讯与张准的对谈。

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参考文献 

[1]李立. 结构叠加与建构表达——大天鹅科普馆建筑创作[J]. 建筑学报，2019（4）：68-70.

[2]和作结构建筑研究所. 日晖港桥[DB/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/ Mr2FPMgBjxBK1lupOzRNnw，2017- 09-04.

[3]和作结构建筑研究所. 东岸·川杨河桥的结构：选型、找型、造型[DB/OL]. https:// mp.weixin.qq.com/s/76SqMMuQP9R0G_ v-DZnp1g，2019-04-07.

[4]大舍建筑设计事务所. 花草亭[DB/OL]. https://www.archdaily.cn/cn/792212/hua-cao-ting-da-she-jian-zhu-she-jishi-wu-suo，2016-07-29.

[5]陈军，张准. 四个结构设计案例的回顾—— 张准访谈[J]. 建筑技艺，2020，26（8）：64-73.

[6]张准. 探寻广义的结构线索[J]. 当代建筑，2021（10）：40-44.

[7]陈军. 设计过程中的因势利导：建筑师与结构工程师的合作案例分析[J]. 建筑学报，2022 （4）：61-67.