建筑是建筑师主导下各专业深度融合后综合呈现的功能与形象空间的结合体, 专业间的配合度很大程度决定了设计目标的达成度。对于建筑形象的塑造, 不论外部形态还是内部空间, 结构专业往往都会留下明显的印迹。要塑造令人愉悦的建筑形象, 结构与建筑的和谐融合至关重要。这既需要结构工程师超越结构专业的单一视角主动融入到建筑整体的创作过程, 也需要建筑师客观地把握好各专业设计目标间的平衡。

　　 淡化结构与建筑这两个专业的界线是开始融合的第一步, 正如东方艺术中心项目立面幕墙设计所呈现的。该项目平面为五片花瓣的形状, 立面为全玻璃幕墙 (图1) , 为达到通透的效果, 幕墙立挺外包尺寸希望控制在300mm×120mm以内。最大高度约30m的幕墙立挺风荷载效应很大, 除了设置垂直幕墙面的细长支撑以减小跨度这一对策得到建筑师认可外, 如何保证立挺面外的稳定以控制玻璃面内的变形, 从而避免玻璃破碎成为结构面临的难题。在幕墙面内设支撑杆件是简单有效的结构常规做法, 但建筑师不希望有结构尺度的斜向构件出现在玻璃后面影响通透的立面效果。最终的解决方案是用6mm直径的交叉索网代替结构支撑 (图2) :6mm的“细线”在视觉效果中只是一道隐隐约约的建筑纹理, 加之有意识不与结构共面布置并避开结构节点, 完全不会让人感觉到这是结构构件, 但其确实起到了结构的弹性支撑作用。不管在日光还是灯光下, 实际效果中索网杆件都几乎消隐不见, 结构与建筑的界限也在这里消失了 (图3, 4) 。

　　 上海世博会世博轴阳光谷和松江漕河泾拉斐尔云廊 (上海南大门) 这两个项目, 建筑方案都是大跨厚比的自由曲面外形。这类建筑的形态与结构受力高度相关, 需要结构工程师在建筑形态的确定过程中发挥积极作用, 几何形状建立与受力性能优化相结合的结构形态学方法成为必然的选择。

　　 阳光谷外形为漏斗状的空间曲面网格, 由底至顶为连续变化的椭圆形, 直径由底部的20m逐渐增大至顶部的90m左右, 高度为41.5m, 网格内表面覆盖玻璃。要用最薄的单层网格结构实现这样尺度的跨越, 阳光谷的最终曲面一定要符合高效受力的形态, 这需要在建筑师最初意向的大致形态基础上, 以一定的力学目标进行结构找形获得。根据阳光谷的初始形态判断, 环向有可能在重力下受拉, 因此存在一个弯曲应力最小、薄膜应力充分发挥的最优形态, 可以使构件截面需求最小。结构以应变能最大为目标进行找形, 通过不断改变曲面形状, 计算几何外形、外荷载和内应力之间的非线性相互作用, 迭代搜寻到结构最优曲面 (图5) 。这一过程利用结构优化找形软件自动完成, 过程中建筑师对阶段性找形结果提出调整意见, 这些意见作为新的约束条件被用于后续找形过程, 继续重复上述过程直至达成双方满意的形态 (图6) 。

　　 阳光谷构件网格拓扑关系的确定也是通过力学手段实现的。建筑师希望的划格是杆件长度均匀、过渡光滑流畅、无明显层次痕迹的三角形网格, 在双向曲面上手工进行这样的网格划分很难获得理想的结果。实际的操作是在手工映射法的基础上, 用力密度法调节杆件的长短和疏密:根据阳光谷椭圆直径的变化情况确定各高度位置的环向划格数, 先在由环形展开的平面上初步划分网格 (图7) , 再映射至阳光谷自由曲面表面 (图8) ;然后根据杆件初始长度比例关系给所有杆件施加不同大小的初始预拉力, 杆件越长施加的力越大, 预应力使得杆件长度发生变化进而带动节点在曲面上移动, 使网格趋向均匀 (图9) ;多次迭代上述预应力施加过程, 直至网格质量符合要求。

　　 松江漕河泾拉斐尔云廊 (上海南大门) 是一个覆盖在10栋80m高的建筑屋顶的空间曲面构架 (图10) , 构架上除布设约25%覆盖面积的太阳能板外, 主要为透空网格, 其上设置LED灯管, 可以在夜晚照射出变化的图像。业主希望云廊的存在可以大幅提高下部建筑群的辨识度和吸引力。

　　 建筑师希望整个云廊体现出“云”一般轻盈通透的感觉。基于云层连绵起伏的形象, 结构形式采用自由曲面单层铝合金网壳结构, 选择铝合金材料主要是基于其防腐性能和易于实现杆件扭转。由于楼间的最大跨度近100m, 而构件的截面高度受铝合金型材的限制只能做到550mm, 在如此大的跨厚比下, 结构必须要以轴力为主才可能实现, 天幕的形态也需要通过结构找形确定。

　　 在天幕顶标高限定的条件下, 为争取最大的曲面矢跨比, 曲面选择以楼顶位置为波峰、楼间为波谷, 从而获得最大的矢高 (图11) , 并由屋顶周边外伸的斜柱支撑以减小跨度。类似于悬链线的下凹曲面也使得整体结构以受拉为主, 有助于结构整体稳定。结构找形采用基于Rhino+Grasshopper平台的优化软件, 以重力荷载下应变能达到最低为找形目标, 利用遗传算法求解。找形以平面的网格结构作为初始条件, 通过调整控制点标高, 循环迭代, 直至求得最小应变所对应的曲面 (图12) 。其间建筑师对找形成果进行主观判断, 提出进一步要求作为后续找形的约束条件。最终确定的曲面自由顺畅 (图13) , 与人为设定的自由曲面相比, 找形得到的曲面受力性能更加完美。

　　 在这两个项目中, 建筑师与结构工程师的工作内容是互相渗透的, 结构的理性分析和建筑的直观判断相结合, 共同确定了建筑的形态。

　　 与上述结构工程师深度参与建筑形态确定过程不同, 也不同于通常情况下结构直接“选用”一种现成的结构体系去适应建筑形态, 浦东国际机场T2航站楼屋面的结构设计是在建筑师设定了空间形态的条件下, 由结构的力学逻辑驱动来构造杆件的拓扑关系, 结合建筑师对室内效果的把控, 最终形成特定的结构形式。

　　 根据建筑功能布局, 浦东国际机场T2航站楼 (图14) 需要一个总长约220m的完整大屋面覆盖的主办票大厅。建筑师对屋面外形的要求是一条舒展连续的曲线 (图15) , 寓意海鸥展翅翱翔。

　　 以这条曲线为起点, 以传力需求为逻辑主线, 以建筑师的要求为修正指针, 逐步演化出结构方案 (图16) :中部柱位设于曲线最低点的力流汇聚处;两侧设内收的斜柱以勾画翅膀的轮廓;拱形曲面结构固有的水平推力需要在柱间设置拉杆平衡以控制屋面向外变形的趋势;过低的拉杆会影响室内净空, 将拉节点上移, 并设置撑杆使之形成张弦梁, 中部直柱相应分叉成V形以减小柱顶部位梁的弯矩, 该段梁的截面高度相应增大以承担这一弯矩;V形柱的下端增加直段以避免对旅客流线的阻挡。所有柱都向面外方向分叉成Y形以实现下部结构18m柱网与张弦梁9m榀距的转换, 同时提供纵向抗侧刚度, “Y形斜柱支撑的张弦连续梁”至此自然形成 (图17) 。配合梭形的天窗形状, 张弦梁的上弦也做成了梭形, 建筑的吊顶又对结构的外露部分进行了取舍, 使得最终展现的结构更为干净 (图18, 19) 。

　　 同样是先确定建筑形态, 在虹桥机场T1航站楼办票大厅改造项目中, 结构以控制构件的尺度为出发点, 研究结构的构成方式, 进而融入建筑整体效果的营造过程。

　　 办票大厅的公共区域是25m×180m的狭长平面, 改造的主要内容包括原平屋面抬高并改为局部单坡、立面向上延伸、雨篷宽度加大 (图20, 21) , 建筑师希望结构以一种精致的方式在建筑空间中呈现。

　　 “精致”意味着构件不仅尺度小还要有细节, “呈现”要求结构的逻辑要清晰可见, 基于这些要求和条件, 对于结构体系的研究从构件的尺度开始:支承屋盖-立面-雨篷系统的混凝土柱间距为24.5m;屋面的跨度23m, 由单坡的折点划分为9.5m+13.5m;雨篷向外出挑12m。在这个跨度条件下, 各种现成的格构化结构体系 (如桁架网架) 都会因杆件过多而显得繁琐, 常规的梁式跨越反而最为简洁有效。但要使这个梁显得“精致”, 24.5m的柱间跨度和12.5m的悬臂有些过于勉强, 设法减小构件跨度进而控制构件尺寸成为结构满足建筑效果的切入点。在无法增加立柱的情况下, 设计将原支撑于柱顶的单根构件离散为格构化的结构单元, 让每个单元的宽度与两个单元间的净距相等, 这样原柱间杆件的跨度由原来的24.5m缩小为12.25m, 从而使构件截面大幅减小 (图22) , 柱顶结构单元的组成方式也成为显示结构逻辑的最好载体。

　　 最终选用的结构单元为梁-杆组合的形式:单元的外轮廓构件选择了小截面的矩形截面连续钢梁, 便于与幕墙、天窗及屋面板等围护系统连接;混凝土柱顶设置伞状分叉钢柱支撑顶部外轮廓构件;伞状钢柱分叉点下挂一组拉杆, 与由混凝土柱顶伸出的一组钢杆一起支撑立面-雨篷转折点;增设一组斜撑以减小悬挑雨篷跨度。全部支撑杆两端铰接, 以精细的铰接节点显示其仅承受轴力的特点;外轮廓连续钢梁被支撑杆分为在竖向荷载作用下弯距大小接近的5跨 (图23) , 截面高度可以统一控制在500mm以内。结构杆件的尺度与建筑空间的尺度相得益彰, 整体效果自然和谐 (图24~27) 。

　　 上述案例中, 结构都作为建筑效果的表达元素得以展示, “承重的清晰性”成为这些建筑的显著特点。在通常情况下, 结构技术本身并不总有机会得到直接的呈现, 往往是完全融合在建筑中, 通过成就建筑的效果来显现建筑与结构的和谐。南京禄口机场T2航站楼屋盖就是这样一个例子。

　　 主楼屋盖是一个连续的波浪形自由曲面, 室内天花是与之呼应的略微起伏的缓和波浪, 在此布置了条形天窗 (图28, 29) 。波浪和天窗是建筑效果的核心, 也是结构设计的关键。

　　 支撑屋面的柱网布置决定了屋盖结构以整体受弯为主, 设计采用了空间桁架体系。由于屋面的高度限制及对室内净空的追求, 72m跨度的屋盖留给结构的高度只有3m左右, 由于跨高比过大, 获得尽可能高的结构空间成为建筑与结构配合的关键。在确定屋面上、下表面波浪起伏程度及波峰、波谷与柱子的位置关系时, 我们对各种组合能够提供的结构高度进行了仔细的分析, 最终选用了波峰位于柱顶、由月牙形单元组合成的连续曲面 (图30) 。结构外轮廓与建筑表皮保持最小固定距离, 最大程度减小了结构高度损失, 同时也简化了屋面系统与结构的连接构造。

　　 在采光天窗处, 结构采用了单层网格方式, 使得构件对通透性的影响降到最小。为了保证结构平面内刚度不因单层而受到削弱, 网格的布置呈连续的三角形。单层网格与双层桁架间的交接通过精细设计, 为吊顶与天窗间的平滑过渡创造了条件 (图31, 32) 。

　　 长廊屋盖为31m单跨结构带两端悬挑, 为了保证建筑效果, 需要结构在跨中位置做到截面高度沿全长最小, 以避免设置在中间的通长天窗被打断。通常情况下, 单跨结构跨中部位弯矩最大, 在空旷的空间中找出可以改变屋盖内力分布的方法是留给结构工程师的难题。最终, 位于悬挑部位的幕墙柱被当作结构的一部分, 通过施加一定的预应力, 将屋面钢梁跨中上抬, 减小跨中弯矩从而将截面做到最小 (图33~35) 。

　　 从结构工程师的角度, 最为推崇的是受力图再现式的建筑与结构完美融合, 但实际工程中这样的机会并不常有, 建筑与结构间的融合往往是在各种约束条件下的巧妙平衡, 每一种约束条件下都存在最为合适的方式和途径, 引导建筑走向和谐的最终目标。