由于国内高校教学专业设置的原因, 建筑学专业和结构专业一直是处于各自独立的状态。但建筑师应该具备一定的结构理念, 学会展示结构的力度和美感;而结构工程师也需要有建筑美学修养, 积极了解建筑师的想法, 创造性地提出结构解决方案。因此, 建筑设计应当是建筑师与结构工程师的积极互动过程, 下面的两个设计反映了我们在这方面的探索。

云南省博物馆新馆 (以下称云博新馆) 是省级大型综合性、多功能的中心博物馆, 是由云南省人民政府投资, 云南省文化厅、云博新馆建设指挥部筹划兴建的标志性文化工程之一。

项目位于昆明市广福路西北侧、新宝象河的东南侧, 用地面积约9.1万m², 总建筑面积约6万m², 地下2层, 地上5层, 建筑高度34.2m。地下二层平时为汽车库 (兼作战时人防区) , 地下一层设有藏品库房、藏品卸货区、库房管理办公、文物修复等, 地上一至三层主要设计为陈列展厅, 四层有公众报告厅、办公室、图书资料室、文物信息网络中心及周边屋顶花园, 五层为行政管理用房。

(1) 流光溢彩, 地域体现

云博新馆建筑形体融合了云南特有的民族文化和环境因素, 纯粹的正方形几何体源自于云南传统民居“一颗印”的建筑形态;外墙折叠交错、虚实相间, 彰显了云南石林的恢宏气势和喀斯特地质特征。

云博新馆外表皮取材于闻名遐迩的古滇国青铜器, 镀铜的金属穿孔板犹如面纱, 隐约间昭示着古今文化的交融。日光透过外墙金属板不同图案的孔洞, 灵动地洒向各层平台, 夜晚灯光从内往外溢出, 熠熠生辉, 宛如宝盒。

(2) 层峦叠嶂, 浑然一体

云博新馆的室内空间丰富多彩, 层层相扣, 展厅、回廊、中庭紧密相连, 交相辉映。

大厅是主要公共空间和交通枢纽。人们可通过宽阔而舒适的楼梯和自动扶梯直达二层;大厅四周是层叠有序的公共回廊和陈列展厅;中庭四周设置了布满民族图案的通高金属帷幕, 光线从金属帷幕溢出, 光影浮动, 丰富了空间的层次感。

云南博物馆新馆

业主:云南省博物馆

建设地点:云南省昆明市

方案及建筑初步设计:香港许李严建筑师事务有限公司

建筑设计:深圳市建筑设计研究总院有限公司

项目负责人:陈邦贤

基地面积:1.46ha

建筑面积:6万m²

建筑高度:34.2m

结构形式:钢骨混凝土框架+钢支撑

设计时间:2009

建成时间:2015

摄影:存在建筑

展厅空间平面设计以展陈需求为主, 注重光环境的营造, 灵活分隔, 以适应不同展览的需求。展陈设计充分考虑了艺术表现、科技应用和观众互动。展厅之间, 休息空间散落其中, 空间形态精致丰富、光线充沛, 与恢宏的中央大厅形成对比。

新馆中庭是一个4 0 m (长) ×3 1 m (宽) ×33m (高) 的高大空间, 四周的环廊通往各个展厅, 中心视觉焦点是“金玉满堂”——一个悬吊玻璃盒子展厅。整个中庭形成了一个多变而中心突出的恢宏空间。

(3) 井然有序, 水乳交融

云博新馆呈纯粹的立方体, 与城市主干道广福路以及宝象分洪河平行, 从街景和沿河景观等各个角度看均完整、庄重、令人难忘。西北方的云博新馆与东南侧圆形的云南大剧院方圆对比, 遥相呼应。两者共同围合出的广场, 已成为露天展示和市民参与文化艺术活动的公共空间。

博物馆的东南和西北主次入口各设置了一个交错折叠的绿化斜坡, 引导观众进入馆内。博物馆仿佛坐落在生机盎然的绿色基座之上, 冉冉升起, 气势宏伟。

为突出宝象河流域的丰富水文和历史资源, 沿岸布置绿化带, 结合博物馆的绿台、草坡, 将河岸景观与建筑紧密结合。通过博物馆二层挑出的观景平台, 观众可将河岸景观尽收眼底。

(1) 设计难点

项目主要有以下设计难点:地基较差, 承载力低;抗震设防烈度为8度;结构跨度达10~13m;普遍外悬挑超过6m;竖向层高较高且层高突变 (地下一层层高5.0m, 地上一至三层层高7.6m, 四、五层层高3.8m) ;楼层大开洞多, 存在楼板局部不连续和竖向抗侧力构件不连续两项超限;外围护墙体不规则折曲, 平面外围无支撑长度普遍为7.6m, 局部达到13.2m, 外围护墙体须满足博物馆恒温、恒湿及防盗要求;中庭的“金玉满堂”陈列室自二层开始设置, 悬挂于中庭四层屋面采光天篷钢桁架之下, 需要解决因钢桁架竖向位移导致的吊柱次弯矩和陈列室在地震作用下的水平晃动问题。

(2) 选型与创新

本项目结构选型至关重要。若采用框架-剪力墙结构, 则剪力墙厚度至少需要1m才能满足层间位移角要求, 且桩基布置困难;若采用框架结构, 则层间位移角不能满足要求, 且结构扭转效应较大。我们最终采用型钢混凝土框架-钢支撑结构, 很好地解决了桩基布置、结构层间位移角及扭转效应的问题。

为保护博物馆文物免受地震损坏并降低结构地震响应, 在地下室顶板与地下一层楼板之间 (实际处于地面以上) 设置橡胶隔震层, 很好地满足了上部结构嵌固的需要, 同时便于隔震支座的检修。隔震支座采用铅芯橡胶支座和普通橡胶支座:铅芯橡胶支座主要布置在外周, 以减少结构扭转效应;普通橡胶支座主要布置在中心位置, 少量布置在角部。因柱底反力大, 除少数荷载较小的柱底采用单支座以外, 大部分柱底均布置双支座。

钢支撑结合电梯井、设备间及卫生间的位置进行布置, 支撑形式根据结构计算及门洞开启位置, 采用人字形、X形和单斜杆三种形式。因楼层层高突变, 四、五层取消钢支撑的布置。悬挑较长且悬挑端墙体荷载较重, 主梁采用型钢混凝土梁。外围护墙体采用竖向密肋钢筋混凝土板, 待主体施工完成后再与楼层梁可靠连接, 外墙金属板通过墙体内预埋件与墙体连接。

金玉满堂陈列室吊柱通过钢索与采光天篷钢桁架下弦连接, 形成柔性连接, 解决了因桁架竖向位移而导致钢吊柱产生次弯矩的问题。金玉满堂陈列室在二层设置水平限位杆, 避免地震作用下陈列室产生水平晃动。

(3) 积极互动, 成就精品

结构设计自建筑方案设计初期就已介入, 设计成果充分体现了建筑与结构、机电专业的良好互动与相互促进。2015年, 新馆一经正式对外开放, 便得到了社会各界以及业内的好评, 成为云南省兼具民族地方特色和现代气息的标志性文化景点。

深圳湾创新科技中心

业主:深圳市投资控股有限公司

建设地点:广东省深圳市南山区高新科技园南区

方案设计:RMJM

城市设计&建筑设计:深圳市建筑设计研究总院有限公司

项目负责人:陈邦贤、黄晓东

基地面积:3.99万m²

建筑面积:48.4万m²

建筑高度:299.1m

主体结构形式:钢管混凝土叠合柱+钢筋混凝土梁板体系+钢筋混凝土筒体结构体系

项目状态:建设中

深圳湾创新科技中心位于深圳市高新科技园南区。地块交通便利, 可远眺景色优美的深圳湾, 区位条件得天独厚。项目占地3.99万m², 总建筑面积48.4万m²。项目中两栋工业研发楼分别高299.1m (69层) 和231.0m (53层) , 两者在低区六至九层、高区三十四至三十七层通过两个跨3层高的连接体连为一体, 属于连体结构;另有三栋宿舍楼, 分别高156m (49层) 、99.3m (31层) 和99.3m (31层) ;各塔楼之间以3层配套裙房相连;地下共3层, 地下一层为商业和停车库, 地下二、三层为停车库和设备用房。项目整体构成一个配套完善的超高层研发产业综合体。

项目设计由城市设计开始, 通过对开发容量、交通影响、空间形态、功能流线、环境模拟等方面的深入研究, 确定设计方向与导则, 引导方案竞赛, 确定实施方案。

总体布局用一条“绿色峡谷”将各个功能区及外部关系融合成一个整体, 连接地上和地下的人行空间, 形成核心。共3层的配套服务裙房中, 室外退台的商业部分沿着“绿色峡谷”展开, 中央广场氛围良好;三层的工业研发用房为研发人员提供会议、展示等服务空间。这条服务纽带可持续促进区内多元化的公共交往, 使园区保持活力。

项目突出绿色出行。“绿色峡谷”的南、北入口设置了景观坡道, 直接将东北侧地面层公交首末车站的人流引入到地下一层的商业区域及南侧地铁停靠站和西侧市政地铁停靠站, 三个公共交通枢纽在地下一层连成一条连续纽带, 通过下沉式庭院将人流立体化地连接起来, 增强了园区的可达性。

区内通过组合立体绿色空间、立体服务设施、立体公共交通系统, 形成一个集聚商务、科技、服务、商业与自然要素于一体的和谐共生园区, 提供了多样化、人性化的公共空间, 并肩负区域人流交通枢纽的功能, 可谓是互联共享、集约高效、绿色低碳、产城融合的超高层产业园的设计探索。

建筑造型方正、严谨、协调。超高层研发双塔在空中以高、低两个连接体相连, 空中玻璃体犹如流动的空中绿带将双塔紧密地结合为一体。配套服务裙楼以多变灵动的形态将建筑群体串联, 螺旋而上、充满活力。

项目塔楼结构安全等级为一级, 抗震设防烈度为7度, 抗震设防类别为重点设防类, 50年一遇基本风压为0.75k N/m², 风荷载体型系数为1.4。

(1) 结构方案的选择

两栋超高层研发塔楼平面尺寸均约为46.4m×46.4m, 69层塔楼高宽比为6.45, 53层塔楼高宽比为5.11。如何保证结构在地震及风荷载作用下安全且节约造价, 同时构件尺寸满足各项功能要求, 是结构设计的重点。从控制造价出发, 结构方案优先考虑钢筋混凝土结构;从减少竖向刚度突变不利影响考虑, 尽量减少加强层的使用。

设计初期选取69层塔楼进行四套方案比选:方案1为型钢混凝土柱+钢筋混凝土梁板体系+钢筋混凝土筒体;方案2为钢管混凝土柱+钢梁+组合楼板+钢筋混凝土筒体;方案3为型钢混凝土柱+钢梁+组合楼板+钢筋混凝土筒体;方案4为钢管混凝土叠合柱+钢筋混凝土梁板体系+钢筋混凝土筒体。综合施工周期成本、工程造价、施工工艺因素对各方案标准层楼盖柱、基础及综合造价进行对比, 最终选择了方案4。

(2) 连接体方案的比选

高、低两区连接体是项目的重要组成部分。由于受力复杂, 连接体与塔楼不同的连接方式对结构的整体受力性能有较大的影响。由于连接体在标高158.7m的高位, 在风荷载和地震作用下的应力、应变非常明显, 需对连接体进行重点分析, 尤其是对连桥的不同连接方式进行分析比较, 以确定连桥与塔楼的最优连接。一般而言, 连桥与塔楼连接方式有三种:塔楼两边各自悬挑、连接体与塔楼弱连接、连接体与塔楼强连接。由于各自悬挑方式需设置结构缝, 而弱连接需要在支座留出足够的滑移量, 因此这两种连接方式对建筑立面效果、幕墙都会有不利影响, 最终选择采用强连接方案。在设计过程中, 进行了楼层剪力比较、周期对比、振动模态对比、大震下位移时程比较等多方分析研究, 并进行了大震下抗震性能评价。

根据超限情况和计算分析结果, 结合拟定的结构性能目标, 主要采取了如下抗震措施:1) 将连体层及相邻竖向构件的抗震等级提高一级;2) 对于与连接体相邻的框架柱, 在连接体及上下各一层范围内将柱内钢管进行截面加大加厚处理, 确保连接节点安全可靠, 同时保证框架柱的延性;3) 加强核心筒底部加强区, 在连接体区域及上下各一层范围的核心筒外围墙暗柱内设置钢骨, 提高构件承载力, 加强结构延性;4) 在核心筒剪力墙收进一侧的角部墙体内以及与框架梁相交位置的墙体暗柱内设置钢骨, 钢骨向下延伸一层, 向上延伸两层;5) 对连体区的楼板进行加强处理。

深圳湾创新科技中心设计是建筑与结构专业相互协调、综合平衡各方因素而达成的一个适用、经济、绿色、美观的结果, 该项目将成为该片区的标志并为区域带来持续的活力。

建筑创作与结构创新相互作用, 引领建筑技术与艺术的发展。结构设计与建筑设计的互动应从概念设计开始, 相互影响、相互促进、相互协调、相互结合, 通过多方案比较, 选择最佳、最高效的结构形式和体系, 以达到经济与美观的平衡。