iStructure |看得见的结构和看不见的结构(下篇)

原创 iStructure iStructure

作者:张耀康

上一篇的“看得见的结构和看不见的结构”写于2019年，分享了对iass年会西班牙之行的几个混凝土结构的理解。2020年疫情居家工作期间整理过西班牙之行的几个钢结构项目，但觉得意思不大就没有继续，没想到今年春节假期还在疫情期间，还是把这个“下篇”做一个了结吧。仍然以流水帐游记的形式与大家交流分享，解读结构就像是在做方案，重新审视这些照片，每次都会有不同的理解和收获。希望本文能增进建筑和结构的交流。

看得见的机场结构教科书

马德里巴拉哈斯机场四号航站楼是我神往已久的项目。无须讳言，浦东T2的Y形柱在2005年设计时很大程度上是受了马德里机场的启发，引进、消化、吸收，并采用向心关节轴承柱顶理想铰的创新做法。四号航站楼2006年正式启用，虽然已经是陈年老友般的感觉，但身临其境的时候依然有惊喜，在我看来就像是一本看得见、摸得着的机场结构设计教科书。

抵达马德里的航班不在四号航站楼，所以到机场酒店后重新坐了穿梭巴士到四号航站楼，首先映入眼帘的便是高架车道边酷似“皮弹弓”的亮黄色Y形柱和波浪屋面，纤细而优雅。随后目光便自然而然的被H形清水混凝土柱的线条吸引，因为熟悉而变得有温度。这些主结构的内容在其他书上都有，我就不再赘述，只啰嗦些“小惊喜”。

室内钢连桥

连接两组略显粗笨的楼前混凝土高架的是很多个钢连桥，跨度不大，设计难度自然也不大，却颇具设计感。连桥采用鱼腹形的H型钢形式，大约四分点处截面渐变收小，在端部设置的竖向封头板与上下翼缘一起勾勒出完整的线脚。但封头板没有直接与两侧混凝土结构相连，而是另外生出了一片钢板与高架底部的埋件用销轴连接，便于钢梁的安装而不需要现场焊接。

室内也有很多钢连桥，鱼腹形钢梁与室外相似，因为位于采光带下方，所以桥面采用的是玻璃。支承玻璃桥面的单元系统与钢连桥为两个不同层次，钢连桥上每隔一定间距设置支撑件。相对来说，玻璃桥面系统对变形要求较高，因此支撑件被设计为可调节高度的做法。虽然构造层次有点多，显得不太简洁，但安装方便，精度高，是不是有点过分？这大概就是像造汽车一样造房子，不是造城墙一样造房子。

峡谷中穿行的步道

在被设计者称作是“峡谷”的采光带下方空间，是主要的人流上下楼层通道，布置了很多坡度较小的大型自动步道，长度太长了所以在两组自动步道中间有扁长形的立柱悬挑牛腿支撑，柱子太高了就在楼层的位置加了V形的水平支撑。黄色的支撑屋盖柱、穿梭的自动步道和扁长支撑柱、连桥、自动扶梯，理性的结构和开阔的视野、流动的风景组成了这个峡谷一样的交通建筑特有空间。

幕墙系统

主楼的幕墙系统是典型的做法，竖向荷载由中间两根吊杆串起挂在屋盖结构上，水平抗风由变截面横梁传到空腹桁架幕墙柱。与横梁的细巧相比，幕墙柱尺度有点“壮”，估计幕墙柱与屋盖之间的连接没用采用开竖向长腰孔只传水平力的做法，幕墙柱同时支撑了屋盖。横梁和幕墙柱之间的连接也没有直接焊接，而是由槽型爪件以销轴固定横梁，估计爪件和幕墙柱以球铰连接，便于安装。

下面图片的幕墙是一片山墙，左侧靠登机长廊，右边一段幕墙颇有意思，因为连接主楼和登机长廊两个结构的关系，考虑了幕墙平面内的变形需求。幕墙横梁的中部都是断开的，上下又设置长销轴固定，既满足水平抗弯抗风的需要，又能有一定的变形能力，造型也还不错。我们在项目中做过外加套管连接的类似处理，但没有这个更直白、耐看。可能有人会怀疑这个做法是不是花拳绣腿，可不可靠能不能抗弯？我在网上找了一张门闩的图片，大概可以说明问题。

登机长廊的幕墙抗风桁架是鱼腹形的索桁结构，最顶上一道玻璃划格变小了，所以未设撑杆，直接将拉索连接至屋架，形式上和受力上都是比较好的选择。撑杆是标准件，从细部设计上看是铸钢的，以达到精致的设计要求。

节点细部

说到节点，还是忍不住要补一下主结构的部分。钢柱与混凝土基座的连接，看着就很舒服，传力顺畅又美观，可能还结合了消防功能。

Y形钢柱分叉处用一段箱型截面连接后，又增加了一块切了造型的薄钢板，应该不是画蛇添足，做法简单，受力合理，造型灵动。Y形柱顶部拉杆的节点板镂空了一小块，如果不镂空几块节点板交在一起是不是少了一点灵巧？

成为景观的通讯塔

1992年巴塞罗那奥运会建了两座通讯塔，一座是卡拉特拉瓦设计的Montjuic蒙锥克电信塔，另一座是诺曼福斯特设计的科塞罗拉塔，奥运会新闻中心发射塔通过蒙锥克小塔把信号送到科塞罗拉山的高塔，再送到全世界，两座通讯塔都已成为巴塞罗那的标志性景观。

蒙锥克电信塔

蒙锥克电信塔的图片经常看到，金鸡独立的造型有时变成一种调侃，印象中也只是一个大一点的雕塑作品而已，现场看到真实的结构，还是在心中产生了对卡神的敬意。早上去的时候本来是阴天，却在某个时刻有一束光照在塔尖处，让我们看到了不一样的风景。塔高有130多米，所以她不是一个小雕塑，但充满雕塑的动感，钢结构塑造的优雅曲线正如人体的造型，手举圣火跪着。虽然塔身倾斜，但底部多个支点和下重上轻的特点符合整体结构平衡的需要，卡拉特拉瓦又通过强烈的对比打破这种平衡，以显示轻盈和动感。

其一是底部支点的对比，支腿的尺度非常宽大，稳重有力，转折处与混凝土基座连接几乎变成了一个小点，每次想到这是个跪着的造型都让我觉得膝盖疼。

其二是塔顶处的对比，铅笔形的大号避雷针底部拉了一根细细的杆件，很不稳当。乍一看，即使平面内受力不大或者是拉杆可以很细，平面外是不是也有问题？我也有过这样的疑问。其实大号避雷针的中部用一个折线形桁架连接在环状结构上，折线形桁架的抗扭能力弱会导致“避雷针”翻转，需要在底部拉一把帮忙固定，而桁架的抗弯刚度足够所以“避雷针”在另一个方向不会侧翻。

科塞罗拉塔

福斯特设计的科塞罗拉通讯塔在国家公园的山上，从城市中心远望就能看见，有点磁力。我们起了个大早打车前往，跟司机说是要去电视塔，估计以为我们是去看风景的游客，把我们送到一个地方后示意我们下车走了，结果四下不见塔，将信将疑的往山上走了一段路才见到。看看距离不远，来都来了总要走近看看，走走山路又是许久，好在一路风景秀丽，塔顶上有个360度观光厅也没有时间上去，手机拍的照片不太清楚，请各位多包涵。

科塞罗拉塔结构设计是由ARUP完成的，完全做到了让通讯塔成为景观的一部分。包含天线桅杆的总高度有288米，实际结构高度152米，位于440米的山顶。塔身平面呈等边三角形，略带弧形，有利于减小风阻，外观效果也更好。大大小小的天线都固定在最外侧，没有任何结构构件遮挡。

主要楼层共13层，竖向荷载由塔身中心细长的混凝土筒体承受，核心筒兼做竖向交通功能，从筒体上悬挑出三组呈120度分布的垂直桁架，每4层布置一道斜腹杆。垂直桁架远端距离较大，直接布置楼面梁不合适，从每层三根主要楼层梁斜吊次桁架解决，从结构骨架示意图（源自C.M. Wise的文章，“Design of theTorre de Collserola, Barcelona”，The Structural Engineer，1993）和照片上能看出这些结构传力途径。

塔身的竖向整体稳定性和水平向抗风当然是依靠拉索了，顶部3根拉索固定，底部三组共9根拉索，应该是都施加了预应力，在风荷载下不会松弛。底部拉索的布置形式每一组可以尽可能平衡，又能提供较好的抗扭性能，如果有一根索出现意外被破坏，不至于出现连续倒塌等问题。中部区段的结构抗风可能引起的扭转，则由三根主要楼层梁的水平面内悬臂抗弯刚度，传递到核心筒，从主要楼层梁根部分叉的变截面形式上可见一斑。

因为项目位于山顶上，底部80米高度没有楼层，施工方式也是一个值得探寻的问题，资料显示是采用整体提升的方式。混凝土筒体采用爬模施工，先在地面上如正常结构一样安装13个楼层，然后通过千斤顶整体提升到需要的高度，最后通过现场焊接固定垂直主桁架和楼面主梁。

节点的设计上，大量的连接是通过销轴连接，包括楼层主梁与埋件及垂直桁架的连接等。特别是三根拉索与垂直桁架、楼层主梁相交于一点的连接，采用多块插板相互错开后叠加，由销轴固定，令人赏心悦目。拉索由索头过渡为插板的设计也有别于我们常用的耳板，截面尺寸小巧，才有了如此简洁的节点。

底部的拉索通过预应力锚栓固定在混凝土基座上，将拉力传至岩体，各点的标高关系不同，拉索实际长度也有所不同。拉索底部都有安全围网，防止被破坏。底部没有采用销轴连接，不知道是不是与防止人为破坏有关，具有更好的安全性。

结语

篇首的马德里机场四号航站楼由罗杰斯事务所设计，最后引用罗杰斯的《A place for all people》（中文版名为，建筑的梦想：公民、城市与未来，张寒译）后记中的一段话作为结语：“我们不应该害怕谈论美，而是应该严肃的对待它。我们在日常生活中都重视美；我们都喜欢美丽的地方、美丽的建筑或美丽的绘画；我们都知道，音乐能够提升我们的心灵，让我们更有人性。建筑应该创造美，而不是将其边缘化为一种装饰和营销手段。在预算紧张的世界里，正如约翰.拉斯金所言：世界上几乎没有什么东西是不能被做得更糟，卖的更便宜一点的。你只需要看一下泰晤士河沿岸的可怕建筑，就能看到这一公共领域日益廉价化的影响，因为城市开发成了一种赚钱机器，不再重视环境、审美和社会影响。这个职业需要重新确立它的价值，彻底的改变，以免被推入只能做装饰工作的死胡同。建筑师应该在成本限制下创造更好的建筑，而不是试图掩盖廉价的理念。”

在时间、人力和预算紧张的眼下，以此乐观的共勉。