天津大学新校区综合体育馆项目体现了如何用混凝土来展现建筑、表达美 (图1, 2) 。在该项目中, 我有幸和李兴钢大师合作, 获得了诸多奖项, 特别是2017年国际建筑摄影展的一等奖、ArchDaily 2018年度建筑大奖等。下面从结构的角度介绍在设计中结构和建筑是如何融合, 共同实现设计构想的。

天津大学新校区综合体育馆项目位于天津大学新校区, 规模并不大, 总建筑面积只有1.75万m², 包括室内体育活动中心 (以下简称体育馆) 、游泳馆及廊桥。体育馆地上2层, 结构高度23.350m;游泳馆地上2层, 结构高度18.350m。体育馆、游泳馆及廊桥在地上通过防震缝分成3个独立的结构单元。

建筑方案经过了一系列演化, 最终实施的方案和初始方案有些区别, 主要是从结构的角度对建筑方案提出了几点疑问:一是体育馆一侧的墙, 原本的表达是直纹曲面墙体, 墙体的上部是曲面, 下部收成直线, 但是实际上对应结构的体现正好相反, 结构底部需要侧向刚度, 如果收成直线的话, 就变成了单向刚度, 这样对出墙面方向的刚度太弱;二是体育馆的屋面, 其一端是曲面而另一端收成直线, 使得屋面从拱形变为平板, 导致整个屋面要么平板一侧的厚度非常厚, 要么需要设置高出屋面的梁构件提供抗弯刚度, 结构上不顺畅, 建筑效果也不好;三是游泳馆的屋面由几个跨度较大的筒壳组成, 但这些筒壳并不是圆形筒壳, 而是利用摆线形成的比圆拱更扁、壳跨更大的筒壳, 随矢高需求的增加壳跨也相应增大, 在如此跨度下, 筒壳的体量较大, 显得比较笨重。

针对这些问题, 我们提出了三点调整意见, 得到了建筑师的认可。一是体育馆一侧的墙体, 将其形式上下颠倒, 使下部是曲面而上部收成一点, 结构受力更加合理;二是体育馆的屋面, 将原来的形式改成了筒壳形式, 因为其高度和跨度比较相配;三是游泳馆的屋面, 将筒壳改为两向交叉的锥壳, 其好处在于交线是水平线, 两向交叉之后在跨中即锥的半高位置形成了整个跨度的矢高, 经计算, 半高的高度基本上能够满足矢高的要求, 同时因为交线刚好是水平线, 也解决了屋面排水问题 (图3) 。

业主:天津大学

建设地点:天津市

建筑设计:中国建筑设计研究院有限公司

项目负责人:李兴钢

设计团队:李兴钢、张音玄、闫昱、梁旭、易灵洁 (建筑)

任庆英、张付奎、李森 (结构)

赵昕、李建业 (给排水)

王微微、唐艳滨 (设备)

林佳、王旭 (电气)

刘晓琳 (总图)

建筑面积:18 798m²

设计时间:2012.06~2013.06

建成时间:2015.11

摄影:张广源、孙海霆、张虔希

获奖:2016年WA中国建筑奖技术进步奖之优胜奖;2016年中国鲁

班奖;2016年中国建筑传媒奖“技术探索奖”入围奖;2017年北京市优秀建筑工程设计一等奖;2017年全国优秀工程勘察设计行业奖建筑工程一等奖;2017年国际建筑摄影展的一等奖;ArchDaily 2018年度建筑大奖。

这些变化也体现在具体的结构构件上, 如建筑内部支撑屋面的柱子由单一的直柱变为V字形斜柱 (图4, 5) 。建筑中间部分的屋面是比较理想的直纹曲面, 相当于壳下端是水平的, 上端是拱形的, 形成了从拱到直线变化的壳体。于是, 利用这个形式做桁架, 桁架的下弦是水平直线形, 支撑相邻榀壳的下缘, 上弦是上端拱形壳的一部分, 因此形成一个合理的鱼鳞式结构。同时, 桁架利用纤细的竖杆形成采光良好的天窗。这种做法在国际上已有先例, 但是如此大跨度而且建成的实体目前还是首例。

平面采用拆分的形式, 体育馆、游泳馆及廊桥在地上通过2条防震缝分成3个独立的结构单元, 另外还有一个利用两侧桁架支撑的百米跑道。从游泳馆屋顶壳的平面布置情况来看, 两侧实际上是一个三角形的平屋面, 形成壳体成立所必须有的水平约束。虽然在屋面两侧有拱形天窗的下弦作为拉接, 但是在如此大跨度中间如果不形成约束, 壳体会产生很大的变形。因此, 利用两边没有成壳的部分做成平板, 对壳体形成了一定的约束。两侧拱形桁架的腹杆比较纤细, 有利于侧窗采光。

游泳馆这样的混凝土结构, 其屋面比较重, 在抗震方面是不利的, 因为地震是惯性力, 屋面越重惯性力越大。从平面上可以看出, 游泳馆空间内多是单跨, 抗侧力也会有很大问题, 如果只有柱子, 其侧向刚度严重不足, 且柱子截面会比较大, 这对体育功能的空间会有比较大的影响。因此, 利用外部形式做成锥筒柱, 形成较好的抗侧刚度。而且锥筒柱上部采用点接触, 使得整个结构端部在水平力的作用下不至于约束那么大的弯矩。空间内部的柱子采用斜柱, 也提供了较大的抗侧刚度。

结构模型模拟得非常真实, 包括所有的结构构件以及建筑需要表达的内容。在计算机的辅助下, 结构分析变得非常容易, 只是要注意单元划分的精细程度。壳的受力分析比较复杂, 有很多不同的工况, 不仅有受力的问题, 还有稳定的问题。

从结构模型可以看出, 游泳馆的柱子都是薄壁的锥筒形式, 并不是实体, 但是刚度比较大。从锥筒柱的分析可以看出, 如果将其做成完全薄壁的形式, 对于两个侧边的稳定非常不利, 所以加大了其侧边的断面形成边缘构件, 加强了边缘的稳定。

建筑包含三种屋盖形式:一是体育馆的半圆筒壳, 二是体育馆的直纹曲面板壳, 三是游泳馆的双向交叉锥壳。为避免连续倒塌及屈曲, 前两种屋盖形式均在边跨以不同形式设置了约束构件。

体育馆的一部分是一个跨度约27m的半圆筒壳, 对受力非常有好处, 因为筒壳的矢高是均匀的, 施工起来也比较方便。但是如此大的跨度, 中间部分的约束实际上很弱, 所以在两侧的筒壳中间各做了两块隔板, 以平衡这两侧筒壳的侧向推力, 使得中间壳体的约束变成可能 (图6) 。

体育馆的直纹曲面板壳部分, 一个方向是拱形, 按照拱的尺度做了一个桁架, 全部采用竖腹杆, 下弦实际上是一个拉杆, 但因其要提供整个屋面一侧的支点, 所以采用了预应力混凝土技术。另外结合建筑的窗, 增加了一些竖向分隔作为竖腹杆, 与建筑结合良好 (图7) 。

从游泳馆锥壳屋面的剖面图可以看到, 锥壳的剖面是三角形, 只能根据跨中的矢高确定其最大矢高。这一点也和建筑师进行了沟通, 力图用满足变形限值的原则来确定合适的矢高。从锥筒柱的立面图也能看出, 其上端收成一点, 并采用橡胶支座来支撑上面的壳体。混凝土屋面在温度作用下会有变形, 采用橡胶支座是为了不把整个变形传到柱子上, 从而减小对锥筒柱的推力 (图8) 。

在本项目中, 很多建筑概念的想法因有结构的合理对应和配合, 最终呈现出非常好的效果。当外部光线照射进体育馆室内时, 经不同壳体的反射, 形成了非常美丽的光影 (图9) 。建造壳体的木模混凝土是用条形木板拼出来的模板印上去的, 形成了漂亮的肌理, 无需任何装饰 (图10) 。整个壳体的施工因李兴钢建筑师的高要求而呈现出高品质的效果。总之, 项目经过建筑师和结构工程师的通力配合, 通过朴素的结构体现出了建筑的建构之美, 呈现出了空间的诗意表达 (图11, 12) 。