您現在的位置是:首頁 > 武術

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

  • 由 無處不風景love 發表于 武術
  • 2021-11-30
簡介講述了從2014年至今,配合建築方案工作室完成的部分試驗性專案,詳細介紹了結構設計方案的推演、支撐方案的結構邏輯、結構工程師的角色和專案建造的注意事項等內容,涉及清水磚牆、裝飾清水混凝土牆、複雜異形結構等關鍵問題,PPT及文字由華姐協助整理

然是什麼結構

“我們在成長的過程當中,似乎失去了對這世界的好奇心。也正因此,我們喪失了某種極為重要的能力。”

——  喬斯坦·賈德《蘇菲的世界》

(Sophie’s World)

作為合立道集團“

土建一院作品展暨設計交流沙龍

”活動的一部分,2019年12月20日,大白做了題為

《結構是什麼》

的內部講座。講述了從2014年至今,配合建築方案工作室完成的部分試驗性專案,詳細介紹了結構設計方案的推演、支撐方案的結構邏輯、結構工程師的角色和專案建造的注意事項等內容,涉及清水磚牆、裝飾清水混凝土牆、複雜異形結構等關鍵問題,PPT及文字由華姐協助整理:

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

大家下午好,我們這次講座的主題是:結構是什麼?涉及的專案案例,是大白所在的結構工作室從14年開始跟建築方案工作室所合作的一些實驗性專案。目前這些專案大多數已經落地完成,或者結構主體已經竣工。

前幾天剛好看到一個帖子,講到德國施萊希工程設計顧問公司的結構設計原則,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(或設計)了什麼,而他所說的,也應成為他工作內容的重要組成部分——以設計的結構方案和遵循的結構原則說服所有的專案參與者。

也就是說,結構工程師光畫圖是不行的,還要嘗試以其結構方案和方案中蘊含的結構邏輯,來說服所有參與這個專案的的人,以保證專案的順利推進。所以,大白今天打算嘗試一下,結合專案例項來嘗試說明以下兩點內容:

一、結構師如何配合建築方案來確定結構方案,它背後蘊含的結構邏輯是什麼。

二、結構師在整個過程中做了哪些工作,以輔助建築師實現設計意圖,並且最終的專案完成度如何。

希望大家對“

結構是什麼

”能有所瞭解。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

維特魯威在《建築十書》中提出,建築應符合以下三項基本準則:首先,結構必須以良好的姿態屹立不倒,即

堅固

;這最起碼的要求。其次,必須能夠實現一定的目的,滿足設定的使用功能,即

適用

;比如提供的功能性,能夠符合建築類別的特點。再次,外觀上讓人愉悅、比例上均衡,即

美觀

。在日常工作中,不同專案型別,對三個準則的側重程度會有所不同。以住宅專案為例,更偏重於結構的堅固性和實用性,對於結構美觀性的要求則相對會少一點,只需要儘量把結構隱藏在建築形體之中。對於公建專案來說,結構佈置常常會成為整個建築的一部分,對美觀性的需求大幅提升。此時,結構的隱藏或顯現都需要仔細的推敲,建築師對美觀性的需求會導致結構師的工作壓力大幅上升。近幾年來,行業內對建築師跟結構師相互關係的思考有所增加,這是一個非常好的事情——其實雙方各自離不開對方。有建築師提出,結構像是骨架,在這一點上大白是不太認同的。從生物力學的角度,骨頭這種材料的抗壓能力強,但是抗拉能力偏差,且在衝擊力作用下的韌性也是比較差的。材料性質跟混凝土的性質非常類似,所以骨架只像是混凝土而已。當骨架與肌肉、肌腱結合成為一體後,它的受力效能大幅上升,就如同鋼筋和混凝土結合以後,整體效能得到飛躍。所以,大白個人認為“

結構是身體

”。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

傳統的理工科對於結構工程的教學,著重在基本構件及其具體設計過程(如彎、剪、扭、壓構件的計算)。這種教育方式隱含著一個前提,即學生學完這些知識後,能獨立把這些零散的構件拼裝成一個整體。個人覺得這種教學模式脫離了實際工作,跟實際專案設計流程是完全相悖的。

以新南幼兒園專案為例,這個專案坐落於翔安區新圩鎮東寮村,主體共三層,為建築面積4000平方的12班幼兒園(每班30人)。方案主創是牛津,結構設計由大白和鄭煒鋆共同完成。當看到上圖所示建築方案時,大白首先會考慮它的整體結構方案,用什麼結構體系。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牆部分,研究他們和整體結構方案的關係。再次,思考各分體系的構件尺寸或佈置。這是一個層層推進的過程,而傳統教育違背了這個規律。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

大白剛開始介入的時候,整個空間佈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,並利於通風。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,小的圓形天井內則種上樹引入了四季的變化。整個建築方案考慮的是一個流動空間的創造,比如說小孩子在裡面可以無止境地跑,各種流線都可以。建築對於空間的這種需要,完全符合小孩子愛動的天性。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

大白看過某個TED演講,是日本建築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築方案。建築師談到,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,發現有的小男孩在短短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資料,大人們是很難想象到的。這個專案的空間流線設計,就是為了激發出小孩子的這種活力。另外,專案本身的綜合造價比較低,只有2000多一點點,中庭位置沒有做建築吊頂的預算。所以在方案初期,建築師提前要求中庭的結構佈置要輕巧靈動一些,順應建築方案的空間,以後這些構件要直接露出來,成為建築方案的重要組成部分。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

先前報批方案中,中庭立柱方案採用的是三立柱體系。三角形最穩定,從概念上講是沒錯的。不過原先落柱位置非常不利於小朋友的活動,整個活動軌跡過來後,必須進行避讓才可透過。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

初始建築方案中,天井洞口的直徑及定位,也跟落地方案有所不同的。大白介入建築方案後,先在洞口邊布上環形混凝土梁(藍色),接著沿教室四周布了環形框架樑(紅色)。只需略微調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形框架樑上,中庭所有柱的落位自然而然也就定位下來。這種中庭結構分體系方案,順應了流線設計。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,結構師要進一步研究,分體系方案跟整體結構體系的關係,以及如何讓單排雙柱方案成立。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

結合幼兒園的空間功能、使用功能、高度,和結構的剛度需求,整體結構方案可確定採用框架結構。框架結構的優點:一、能順應建築的空間需要,空間分隔簡單。二、提供較大的空間、開敞的空間。而缺點是:側向剛度小,不適合較高的建築。常規框架體系,透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向位移。框架樑的存在,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,在側向力作用下,框架柱的柱端彎矩是逐層疊加的,由於柱的受彎效率遠低於受壓效率,層數越多則底部樓層的柱截面越大。

這種常規的設計策略不利於中庭柱外露。大白設計了一種“

剪壓分離

”的結構佈置方案,亦可稱之為“抱大腿策略”。其基本結構邏輯是:

由於中庭分體系和主要抗側力體系之間的剛度差異,本該由分體系承受的側向荷載透過樓板轉移到主要抗側力體系上。分體系內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。 比如剪力牆結構中的個別框架柱或者是框筒結構的外圈框架柱,各層柱彎矩變化不大,其配筋也常以構造為主。束偉農總在北京大興機場講座中提到,指廊的結構佈置方案同樣運用了這套理念。利用內跨的門鋼作為主要抗側力體系,有效減小外跨幕牆龍骨柱的尺寸,使得建築的外幕牆更為通透。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

前面介紹了,中庭結構分體系和周邊框架體系的大體情況。總結一下:

周邊框架體系

:承擔全部水平荷載及大部分重力荷載,且隱藏在次要空間內。

中庭柱

:承受相關區域重力荷載及梁端不平衡彎矩,可以設計得輕巧靈活一些,尺寸統一且便於外露,以滿足建築美觀要求。(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

結構方案的重點加強部位

周邊框架體系以及中庭樓板

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

整體方案確定下來了,就可以接著確定中庭內其他構件的佈置,主要考慮幾個問題:一、

不平衡彎矩的存在

:框架樑存在大小跨情況,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佈置

:比如小朋友都只站在一側的時候;三、

環梁高度和柱子截面尺寸的匹配

:和建築師商量後,環梁的高度定為800mm 。綜合上述因素,並和建築專業確認後,柱子確定為直徑600的圓柱。如此,中庭分體系的結構方案也確定下來,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。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

最後總結一下,結構工程師在初步設計時候,先思考整體方案,比如採用框架體系;接下來,確定分體系與整體方案的聯絡,發現中庭單排柱可能存在問題,需要找到重點加強部位;再來,確定分體系的具體佈置方案,比如弧梁和單排柱尺寸。可以看到,整體過程是自然而然層層推進的。

當然,這些理念與結構語言,最終都需要透過良好的設計圖紙來表達和呈現。為了實現專案的高完成度,精細化設計必不可少。結構圖紙是專案從結構概念設計到落地實現的重要組成部分,這需要結構工程師在全過程中保持對品質的追求。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

建築師對專案品質的堅持更是必不可少的。他們需要與結構專業對專案的完成度達成共識,並在設計過程中充分溝通,以確保實現預期目標。這個專案在設計階段,建築師花了大量的時間,把表皮、結構體系等細節,按實際尺寸建立SU模型,並用來指導和校核施工圖設計。正是他們的堅持,才促使雙方高質量的完成了整個專案。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

前面的圖是su模型中的中庭透檢視,後一張是專案完成後的實景圖,對比這兩張圖可以發現,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佈置的例項:小朋友們集中站在走廊的一側,結構設計需考慮其不利影響。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

這張圖呈現了中庭弧梁的完成效果,可以看到弧梁、立柱及天窗。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

值得一提的是,屋面有個圓錐型的天窗,直徑3m ,高2m,建築師要求底座處無樑。利用

結構空間效應

,直接做了壁厚120mm的折板,化彎曲應力為徑向拉力,屋面根部處適當加厚以支撐於兩側的弧樑上,避免了屋面板的衝切破壞。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。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

這張是基礎和基礎拉梁完成時的照片,基礎採用柱下獨立基礎 。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

現場正在搭設樓層模板,與工業設計類似,施工過程先搭設模具,然後澆築混凝土成型,差別是模具只使用一次,用完後即被拆卸。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

梁鋼筋和箍筋綁紮完成,板鋼筋還未開始鋪設,電氣專業的照明電線金屬管要預埋在板內。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

現場拆除模板後的實景。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後從接縫處漏水。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

建築師在方案的設計過程中,著重於展示建築的形體與表現力。結構工程師在實現設計意圖的前提下,如何去獲取合理的數學邏輯?透過這個例項,大白拋磚引玉,想聊聊結構工程師在設計過程中,

如何將幾何元素引入其中,以呈現出數學的邏輯美感

。廈門環東海域濱海旅遊浪漫線景觀公建配套工程,位於集美區濱海西大道沿線。功能以濱海景觀帶的公建配套為主,由眾多造型和功能不一的單體構成,整體方案曾獲得2016第十二屆福建省優秀創作獎三等獎。其中的配套服務點08,方案主創是鄭思洋,結構設計由大白和李小龍共同完成。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

需要注意的是,前一張效果圖已經是實施方案,首輪的建築方案與之完全不同。建築師的方案設計意圖為:乾淨的板,且無樑柱感。落實到結構層面,需求為以下3點:1、屋面為一整塊平板,不能有梁,厚度越薄越好;2、豎向構件為片牆,不能有柱;3、平板上開天井,末端大懸挑處開大洞。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

薄板的彎曲剛度小,開洞後剛度大幅削弱,跨越與懸挑能力較差,如同圖A的紙片所示。可知方案需求與結構邏輯有所偏差,首輪建築方案不甚合理。當薄板的幾何形狀發生改變,彎折成v型折板後(圖B),相同材料用量下,整體抗彎剛度大幅增加,跨越與懸挑能力大幅提高。基於上述邏輯,並與建築師充分溝通後,大白將屋面板上折形成厚度為300~150mm的變截面板,兩側對稱懸挑3。15m,結構剖面如上圖所示。通過幾何形式變換,實現了

結構形式與建築功能的統一

。烏拉圭的建築結構大神埃拉蒂奧·迪埃斯特說過:

利用巧妙的形式來實現穩固,是最高貴也最優雅的手法,它完成了美學的最高使命。

大白跟大家分享一下,這位配筋磚砌體結構大師的幾個代表作品:

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

“海鷗”是迪埃斯特最著名的作品。它是一個單柱支撐、四邊懸挑的配筋磚結構。原先的功能是加油站的頂棚,因其獨特的造型被遷移至薩爾託市的高速入口處,成為該市的地標。結構形式演化於

自承重筒殼

,底面受壓區域鋪設磚砌塊,頂面的兩翼及交匯的波谷處設有鋼筋,並沿著翼狀體的縱向施加預應力,且澆築了薄層混凝土。

從縱、橫向剖面看,海鷗的受力模式都猶如一根施加預應力的懸臂樑

補充一下關於南美洲的地震小知識:南美洲與太平洋的沿岸容易發生地震,比如智利,海地等,因為這些地方容易受到太平洋板塊的擠壓。而烏拉圭位於大西洋西岸,沒有受到太平洋板塊的影響,歷史上不太容易發生地震。這個知識點說明,看大師作品必須要了解相關的背景,才能知道為啥我們不能做一樣的建築,因為必須要抗震設防。從抗震概念設計的角度,海鷗頭重腳輕,單柱支撐而無多道防線,地震區這樣的結構方案是不可行的。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

基督教聖工教堂也是他的代表作之一,同時也是配筋磚砌體自承重殼筒的代表性作品。教堂牆面與屋面均採用配筋磚結構,牆體施工無需藉助模板。外牆是

直紋曲面牆體

,依靠波浪式的起伏加強面外的抗彎剛度。牆體的頂部,是鋼筋混凝土邊梁,幫助屋頂的荷載傳遞到牆體。埋設在屋頂波谷處的鋼連桿,兩端固定在邊樑上,使得曲面磚牆和曲面屋頂形成一個穩定的整體。教堂橫向剖面的形狀,暗合在自重作用下

門式鋼架的彎矩圖

(畫在受壓一側),從而充分發揮材料的力學效能。這一獨創的形式純粹基於結構受力,體現了結構藝術家的思考方式。 迪埃斯特設計的這類結構,橫向最大跨度12。6米,縱向最大跨度32米,最大懸挑16。2米,令人讚歎!

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

除了自承重筒殼外,迪埃斯特另一個常用的手法是——

“高斯曲面”雙曲扁殼

。在一定跨度條件下,筒殼的矢高相對較大,但隨著跨度增加,筒殼截面厚度增加自重過大,因而不適用於大跨度結構(實際應用的跨度上限是15米)。沿跨度方向剖切高斯拱,截面是一條懸鏈線。當剖切面垂直於跨度方向移動時,懸鏈線的矢高隨之變化,呈斜放“S”形。它起伏的波峰出現在最容易發生失穩的跨中,中點的波浪形加強了殼體剛度,避免結構的失穩。而在跨度的兩端,曲面完全變平,與兩側的牆體容易銜接。必須注意的是,大跨度低矢高的高斯曲面,將產生巨大的水平推力,必須佈置拉桿以平衡推力。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

介紹完迪埃斯特,大白繼續聊專案。前面說到,屋面橫斷面彎折後,形成V型折板斷面。建築師對矢高有所限制(不能超過800mm),與其溝通後取消了屋面天井。從圖上簡圖可以看到,連續梁帶懸挑時,透過調整懸挑距離於內跨尺寸的比例

(挑跨比)

,我們可以有效降低梁的彎矩與撓度。

從縱向來看,整個結構可以看成是兩端帶懸挑的兩跨V型空間折板梁體系。

參考挑跨比原理,大白調整了豎向構件的位置,合理確定比例關係,儘量發揮屋蓋的結構效率。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

空間效應使得結構的抗彎能力加強,在其他方面必然有所削弱,應重點關注

折板屋面的弱點

薄板的屈曲問題:

薄板邊緣受壓屈曲而導致張開或閉合,常使結構未能達到理論受彎承載力。

如右圖所示,V型折板梁各斷面的拉壓力分佈區域為:支座處上(兩翼)拉下(波谷)壓,受壓區域兩端受到約束,不易出現屈曲問題;跨中上壓下拉,受壓區域一邊約束一邊自由,容易發生壓曲失穩 。需要警惕的是:

矢高低的折板更易於失穩

。彎矩不變的情況下,結構透過拉壓區域的內力與力臂抵抗彎矩影響。矢高降低後,拉壓區域間的力臂減少,受壓區域的壓應力增大,因而更易於壓曲。專案設計時,對結構進行屈曲分析,可知其為整體失穩狀態,且安全係數高,可避免區域性屈曲問題。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

水平隔板作用減弱:

樓板彎折後,面外剛度提高的同時面內剛度相應降低,水平橫隔作用自然減弱。故而設計時應採用合適的樓板單元,以模擬結構在地震作用下的受力分佈。豎向構件佈置時考慮雙向抗側力需求。針對中間片牆弱軸方向對屋面約束差的問題,拉長兩端片牆進行承託,避免極端情況下屋面發生墜落。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

這是大白在專案竣工時拍攝的照片。結構形式帶來的好處是明顯的。計算分析時,屋面板厚度只要150mm就滿足設計要求。考慮到抗震構造,在波谷處設計了局部加厚的暗梁,橫斷面最終演變為變厚度形式。一個教訓是,吊頂與建築面層構造加厚了屋蓋厚度,完成的效果不夠輕盈。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

這些照片記錄了專案建造過程。可以看到,結構本身的屋面板比例並不突兀,後續研究應從減少構造層厚度方面入手,以保證類似專案的完成度。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

我們接著聊第二部分:結構是外衣。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

回到前面介紹過的新南幼兒園專案,本工程的外立面全部採用清水燒結多孔磚砌築,並結合了內凹、外凸和鏤空等多種花式砌築方法。方案階段建築師對於外牆完成度的需求是:

除去窗洞口邊框外,所有的結構構件均不外露,以實現幕牆化的清水磚外牆效果。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

從可實施的角度出發,大白認為外牆必須由內外雙層的填充牆體系構成,這是因為:

第一,同步解決填充牆抗震構造與清水牆幕牆化問題。

內層牆採用粉煤灰燒結多孔磚砌築,無需考慮砌塊模數問題。主體框架完成後,內層牆可先行砌築,並按需設定構造柱及圈樑。既滿足抗震構造問題,也同時為外層清水牆提供了面外側向支點。

第二,實現建築防水的需要。

根據建築專業需要,防水做法應完整包裹建築物外表皮,並在洞口處進行閉合。造型上存在大量的凹陷、突起與鏤空,無法為防水層提供有效閉合的基礎條件。結構專業必須為防水層提供相對平整的基層,內層牆的設定實現了這一目標,使得建築防水層最終依附於內層牆的外表面上。綜上考慮,結構外牆方案初步確定為內外雙層的填充牆體系。外層清水牆的豎向支撐於樓層框架樑的挑板上,面外支撐於內層牆的構造柱及圈樑上,可保證內外雙層牆的整體性和受力協同性。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

初步方案確定後,馬上需要研究的問題是:總共3層近13米高的外層清水牆體,如何保證其在自身重量下的穩定性?

我國砌體規範採用高厚比作為軸心受壓牆體的穩定性控制指標,而指標背後的原理常不為人所知。有趣的是,利用身邊隨手可得的塑膠尺,就可以進行簡單模擬。兩者共用了一套理論基礎——“尤拉公式” :

規定牆體頂底均為鉸接端,並計算其在較小的壓力下的線彈性失穩。

普通的粉煤灰燒結多孔磚一塊只需幾毛錢,專案所使用的清水磚需跟工廠定製,單塊(尺寸240mmx120mmx53mm)價格為前者的5~6倍,成本差異較大。考慮成本因素,外層清水牆的厚度不能太大。為了保證外立面的造型需求,也不能透過減少外牆的開洞來提高其穩定性。解決方案就隱藏在屈曲臨界荷載公式中,透過在水平或豎向增加支撐點,使得相同厚度下牆體的計算長度大幅減少,屈曲臨界荷載值增大,更容易保持受壓穩定。右圖塑膠尺增加中部側向支撐點後,承載能力大幅提高,也驗證了該思路的可行性。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

清水磚外牆作為填充牆,還必須滿足相關規範的抗震構造要求。汶川地震的震害例項證明,填充牆在地震過程中,經歷了:

對角線剪下破壞——形成X型貫通裂縫——喪失豎向承載力——成塊體、或成整片垮塌的破壞過程。

從規範角度,填充牆內圈樑、構造柱及拉牆筋的設定,主要目的是保證建築在地震發生時,避免砸傷人或造成人員傷亡;避免堵塞逃生通道,避免次生傷害。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

本專案清水牆運用了內凹、外凸和鏤空等花式砌築手法,砌築方法的研究必須與規範的抗震構造相結合。

為保證立面的完成度,需要建築師與結構師保持密切對話和配合,在滿足結構安全性的前提下,共同確定牆體的砌築與抗震構造方案。

牆體抗震構造的有以下控制要點:1、水平拉牆筋應通長設定,砌法研究應為拉牆筋提供水平通道,並保證與主體可靠連線,使得極端情況下牆體不脫落。2、常規建築幕牆由背後的水平及豎向龍骨所支撐,幕牆化的清水磚外牆也可以按類似的概念進行設計。實施時將外層牆緊貼於內層牆的構造柱與圈樑上,牆內的水平拉牆筋彎折錨固其內,構造柱與圈樑起到了水平及豎向龍骨的作用。3、規範並未提供鏤空磚牆的穩定性計算方法。從可能的失穩形態來看,尤拉公式仍然適用,但是要對牆體厚度進行適當折減,但折減係數還需進一步研究。實際工程運用中,佈置雙層牆(牆體加厚)以保證鏤空磚牆的穩定性,牆間設定拉結件以確保兩者協調變形。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

這是專案落成後的實景,基本實現了建築師的預期目標。略帶遺憾的是,從專案交底時就已經考慮到的問題未能獲得有效解決。

專案的清水磚帶有磨砂質感,耐汙染能力要遠低於釉面清水磚,且砌築過程中水泥砂漿對已施工牆面的汙染是難以避免的。

設計交底階段已要求施工單位做好成品保護工作,如採用牆面蓋膜或隨砌隨擦洗等措施,但實際施工過程中仍難以有效控制。類似專案如何解決牆面汙染問題,是值得進一步研究和探討的。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

上圖左側是鏤空磚牆建成後的實景。鏤空磚牆的砌築工法,也是另一個需要研究的問題。

牆體鏤空時,灰縫的自由邊過多,砌築過程中砂漿難免墜落,灰縫不易飽滿。

大白前期所設想的解決方案,是先在灰縫外側貼膠帶把砂漿兜住,待強度滿足要求再將之撕除,這需要精細化施工控制及管理,現階段還是較難實現的。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

專案的現場配合過程,基本實現了建築師負責制,大白一共去了50~60趟工地,而建築師則去的更多。不單是現場配合工作,我們還到磚廠挑選了磚樣,也學到了關於砌塊的生產知識。大白認為,想要合理確定清水磚牆花式砌法,就必須對砌塊的生產過程有所瞭解。以前磚廠以製作實心磚為主,用的是柴火窯,一窯磚可以燒好幾天,把實心磚燒透是沒問題的。現在用電窯來燒製砌塊,一窯磚大概只燒24小時左右,燒製時間大幅縮短。實心磚的話,燒結時間不夠,砌塊的殘餘變形大,尺寸及平整度就難以保證,所以電窯主要燒製多孔磚和空心磚,這就要求我們在確定砌塊規格時需要控制壁厚,一般在10~12mm左右。另外,砌塊的胚體和孔洞,是將泥土混合好後在制胚模具上擠出成型的,所以孔洞方向必須和胚體擠出方向一致,很像義大利空心面的製作工藝。如果清水磚牆有凹陷、鏤空與突起等造型,設計師在定製砌塊時,必須要結合牆體的砌法和砌塊生產原則,合理確定砌塊的種類及數量。否則實施過程中,內部孔洞可能會外露,從而無法保證設計效果。

砌塊還應儘量按模數設計,以批次化生產而降低材料價格。

本專案定製了6種不同規格及開孔位置的砌塊,並要求在外層清水牆施工前砌築樣牆,以確保設計方案的可實施和正確性。最後,大白簡單總結下外牆雙層牆的工藝順序:

主體框架完成——內層牆砌築——圈樑、構造柱澆築——建築防水層施工——外層清水牆砌築(埋設拉牆筋將外層牆與圈樑、構造柱、框架柱連線)——清潔外牆。

接下來我們聊第三部分:結構即建築。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

結構即建築,講求的是結構與建築的統一。我們身邊最常見的案例是雕塑。

雕塑本身是一種結構,又是一種建築完成態

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

環東海域濱海旅遊浪漫線“官潯溪驛站”就是一個有趣的例項,專案位於廈門的濱海西大道沿線,方案主創是鄭思洋,結構設計由大白和李小龍共同完成。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

初步的設想是,建築物由

幾片多義的混凝土牆

構成 ,這些牆既能當支座、又能當屋蓋,實現一牆多用的目的。整體建築形似三片葉子互為支撐,每片葉子由平板空間扭轉90度形成,平均跨越距離在18m左右,末端還帶5~6。5m的懸挑,這樣的結構體系不是很常規。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

結構初設階段考慮過鋼結構體系,但考慮到減少日後維護(海岸環境)以及適合表面抹灰的曲面封皮材料不多,初步確定採用混凝土結構。由於擔心抹灰的粘結能力難以保證,可能易於掉落,最終決定採用清水混凝土結構。

建築師一開始拿出這個方案時,對於能否實現,心裡也不是很有底的。方案配合階段,大白安慰他:

1、三片混凝土牆板空間扭轉90度後,以60度角互為支撐,圍繞成一個等腰三角形,這個體系的穩定是沒問題的;

2、地震力不管來自哪個方向,總會被作為支座的長牆分擔掉,結構抗側能力也OK;

3、毛估一下,跨度平均18m、扭板高度按3m(寬度6m的1/2),跨高比並不大,跨越也是可以實現的。

大致的計算流程是:建築師用犀牛建出模型,為結構工程師提供空間網格,匯入結構計算軟體(YJK)後,附上蒙皮並指定為混凝土板,其後施加荷載(特別是風荷載)以計算受力和變形。計算出來扭板的厚度是400mm,大跨位置準永久組合下的彈性撓度就一公分多,大懸挑處也差不多。當然,實際撓度仍需考慮長期剛度的影響。這個案例說明:

結構的穩固取決於形式,合理的空間形式能實現自我跨越。

一點建議是,結構師要學一下犀牛(Rhino)和Gh(Grasshopper),引數化找形與最佳化設計可能是結構未來的發展方向之一。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

另一個值得關心的問題是,結構施工時的模板體系選擇。選項之一是

木模板

,由於空間扭轉角度大,需要用小塊木模拼接以形成曲面,施工難度大。另一種選擇是

土胎模

,典型案例如妹島和世設計的瑞士洛桑聯邦理工學院勞力士學習中心和西澤立衛設計的日本瀨戶手島藝術博物館。土模是先把土堆成一定體量的土包,在其基礎上修出形狀,澆上墊層,在墊層上鋪設鋼筋、澆築混凝土,最後把下面的土掏掉,建築造型粗胚就出來了。專案所處位置是吹填場地,大面積堆土可能導致地面沉陷,影響建築完成度,故放棄選擇土模方案。最後決定採用

鋁合金模板

,但缺點也是有的,模板需要定製,一組模具只建兩個單體,重複利用次數少、非常不經濟。

遺憾的是,結構圖紙透過施工圖審查以後,由於一些原因該系列方案全部推翻重做,這個單體沒有真正得以落地並實現。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

最後我們要聊的案例,是東山“清水園”專案。專案坐落於東山馬鑾灣風景區的海邊第一排。該方案曾獲得2015年第十一屆福建省優秀創作獎一等獎。建築主創是牛津,結構設計由大白和鄭煒鋆共同完成。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

專案所處沿海環境風大且潮溼,大白實地考察時留意到,周邊專案的牆面塗料容易空鼓、脫落或發黴。本專案採用清水混凝土一次成型,避免了抹灰、幹掛等外牆裝飾,挺適合當地的環境特點。這裡簡單介紹下,清水混凝土的型別:一種是

普通混凝土

:直接利用混凝土成型後的自然質感作為飾面效果的混凝土,我們常在城市高架橋的橋墩上見到;另一種是

飾面清水混凝土

:要求表面顏色基本一致,由有規律排列的對拉螺栓孔眼、明縫、蟬縫、假眼等組合形成的、以自然質感為飾面效果的清水混凝土,常見於安藤忠雄的作品之中;最後一種

裝飾清水混凝土

:表面形成裝飾圖案、鑲嵌裝飾片或彩色的清水混凝土。例如貝聿銘設計的美國梅薩實驗室、美國國家美術館東館的室內大廳,採用的是粉紅色的清水混凝土。本案以裝飾清水混凝土為主,採用木紋、竹紋的裝飾紋理,區域性輔以飾面清水混凝土。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

要實現這樣的效果,一般有三種可選方案:1、

框架體系+清水混凝土填充牆方案

:牆內設定弱連線,如抗剪槽等,典型案例是安藤忠雄設計的上海保利大劇院;2、

剪力牆結構方案

:清水牆亦是結構主受力構件,例如安藤忠雄的代表作:住吉的長屋;3、

框架體系+仿清水混凝土掛板方案

:砌體填充牆外幹掛板材的類幕牆做法。需要注意的是,建築保溫層做法對結構設計亦有所影響。大家知道,建築保溫方案有外牆外保溫、內保溫與夾層保溫等。採用仿清水混凝土掛板,可選擇外保溫或內保溫做法,結構設計方法與常規專案並無不同;若為清水混凝土外牆,可以優先選擇內保溫做法,保溫材料做在外牆的內側,按框架或剪力牆結構進行設計;還有外牆中間夾保溫空腔的做法,優點是可同時保留外牆內外表面的清水混凝土效果,缺點是需要對空心剪力牆進行合理簡化與構造,且無可參照的設計規範,安藤忠雄在德國蘭根基金會美術館中用過該做法。本專案最終採用剪力牆結構+內保溫的設計方案。建築師的另一個需求是,沿海景觀面要開敞、隱私面封閉。帶來的結構問題是上下層牆體交錯疊放,需對疊牆式的結構體系進行進一步研究。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

一般來說,普通樓層梁(跨高比不小於5)常為彎曲變形;而深梁(跨高比不大於2。5)以傳遞剪力的剪下變形為主,就像左圖一樣,上層牆體以下層牆體為支座的同時兼作了樓層的深梁。隨著建築平面演化,由於下層牆體內退,結構固有缺點顯現出來,下層牆體的面外抗彎剛度弱;可以補充設定一定量的垂直牆體,對組合牆體進行面外加強,從而保證結構整體穩定性。這種體系被大白叫做:

“自轉換”剪力牆結構。

牆體上下層交錯疊放,下層牆體設計為雙向抗側的支座,上層牆體為同時支撐樓、屋蓋的深梁,利用自身的剛度實現了跨越轉換。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

從吸收並耗費地震能量的角度,不管是脆性結構或延性結構,圖中陰影面積相同時,應變能是相同的。這就引出兩種結構耐震思路:

一、“高延性,低彈性承載力”的思路:

優點:結構造價較低;缺點:震後破壞大,結構難以修復;

二、“低延性,高彈性承載力’”的思路:

優點:地震難以損傷結構;缺點:結構剛度大,造價高;

結構工程師不得不在結構的剛度、強度、回彈性和成本之間折中處理,尋求最佳的平衡狀態。

本案為地下一層、地上兩層的剪力牆結構,故採取了“高彈性承載力,低延性”的耐震策略。全樓按中震彈性設計,計算頂點位移極小,雙向僅均約0。7mm。 專案經受住了2018年11月26日07時57分發生在臺灣海峽(北緯23。37度,東經118。61度)的里氏6。2級地震的考驗。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

為了達到理想的木紋、竹紋清水混凝土效果,專案施工前進行了小尺寸和標準尺寸的樣板牆試驗。實際施工時把松木板內襯在木模板內,從而實現紋理拓印的效果。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

這是二層的標高示意圖,專案標高關係十分複雜,所有的三維細節需要在二維圖紙中清晰表達出來,專案的設計師鄭煒鋆花了很多的功夫。圖紙中明確表達了各專業(包含景觀、內裝等九個專業)的預留孔洞、套管等資訊,為確保無誤,大白也校對了三遍。透過不同填充示意區分了:僅到該層的剪力牆、上下層連通的剪力牆和本層轉換的剪力牆。精細化的圖紙經受住了專案的施工檢驗,全套圖紙僅有一處錯誤。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

小鄭還建了revit模型,包括基礎底板、主體構件等全部內容,以作為圖紙校驗的輔助手段。讓我們一起欣賞下專案的建造實景。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 張超攝影工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

© 預設建築工作室  攝影:張超

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

最後,大白想聊聊結構師與建築師的關係。任總已經講得非常透徹,大白覺得沒什麼可以補充的。聽一位技術大佬說過,建築師就有點像大哥,後面帶著結構師(小弟)。身後有小弟往那一站,立馬覺得很有氣勢;如果沒有結構師撐腰,可能建築師就會覺得心裡很虛。之前看到比爾蓋茨的紀錄片,有段內容與我們的主題很貼切,擷取下來分享給大家。

建築師跟結構師的關係比較像朋友;

交對朋友很重要,和對的建築師合作也非常重要,他們對設計作品的執著能推動你不斷進步,讓你變成一個更好的結構工程師。

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

結構工程師的終極命題——結構是什麼?

Top