大跨度建筑结构

大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析

结构构件可像“符号”和“语言”一样，起到传递美学信息树立美好形象的作用。从传统的建筑构图概念看，一些结构形式中的构件往往是多余的。其实不然，在许多情况下，这些容易被抹除的结构构件正是加强建筑形象和个性表现的“符号”和“语言”，问题在于建筑构图手法的运用是否有灵活性和独创性。柱、梁、析架、索、拱等结构构件都可以构成不同的“符号”和“语言系统”，在建筑物的局部将某种结构构件作为“符号或语言”来加以利用，利用符号和语言系统的“所指”或“感化”作用，不单会加深人们对建筑物的视觉印象，而且还能在相当大的程度上，体现建筑师所追求的某种建筑风格。

建筑结构构件的几何表现，现技术美。另外，很多建筑还利用钢材抗拉强度高的特点，以斜拉杆件中张力所呈现出的紧张感和力度感给人们以视觉冲击。由于富有表现力的钢构架常常暴露在外，所以外露的构造节点自然成为建筑形象的有机组成部分，构造节点便被赋予了特殊的意义，它与古典的柱头一样，具有明显的造型作用。其高质量的工艺水平，更能表达人们的技术审美情况，多采用巨型构架的造型和坦露结构构件的手法展同时也给建筑师们更多的表现空间。

如法国里昂飞机铁路客运站(图4)的建筑外形采用欲将起飞的鸟的翅膀的造型，由玻璃和钢所构成的建筑形态表现了结构的张力和拉力，结构中通过屋顶起伏的深度拉紧四个跨越大厅的轻质支撑拱(拱的作用力集中在两侧单一的混凝土腿上)，拱下的钢肋则支撑着围护大厅的巨大的玻璃墙。客运站这种雕塑感的立体造型较好地照顾了从空中俯视或平视的透视效果。位于剖面中部的大厅不仅沟通了下部地铁与上部机场的联系，而且缩短了外部交通距离，室内外流动感。人们可以看到结构构件由下部混凝土到上部钢材料的重要转换。整个设计表现出结构构件与空间造型的完美结合。总之，这些几何特征鲜明的结构构件，就像文学和绘画艺术的语言和符号一样，强化了建筑的行为特征，增强了建筑形象的表现力和可识别性。

图 4

结构构件的联系靠节点来完成。无论是传统木结构的桦卯连接，还是现代网架结构的球节点，都发挥着重要的作用。作为结构技术的一种表现手段，节点构造往往是人们视觉的焦点，是制作粗糙还是加工精美，直接反映出建筑的水准，结构与构造“制造”到精密的程度时，建筑就有了它的时代感，因为工业化的水平和机械制造的精细程度直接相关，当这种超乎寻常的技术理性在建筑建造时充分表达出来时，建筑及结构也就成为了艺术，如德国柏林索尼中

大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析

心(图5），建筑师把整个结构与结点裸露在外，取得了良好的艺术效果。

图 5

昆山市体育中心体育馆新馆是由昆山市政府新建的现代化的体育馆。它占地560亩，拥有一个3万人体育场、一个5000人座位的体育馆、一个棒球场和其它相应配套设施，工程总投资5.6亿元，北侧与昆山森林公园隔路相望，视野开阔、环境优美。该中心由中国工程院院士、著名体育场馆设计专家魏敦山教授领衔设计，由于我的师长也参与其中，所以我才有幸对魏教授的作品作近距离的研究。 体育场馆均为薄膜结构，文章的前部分提到过薄膜结构是最近发展起来的张拉结构中建筑与结构完美结合的结构体系，主要分为充气薄膜结构、悬挂薄膜结构、骨架支撑薄膜结构等。本设计属于骨架支撑薄膜结构，它是利用骨架、网索将各种现代薄膜材料绷紧形成的一种建筑空间结构型式。薄膜本身不承受荷载，只有将它绷紧后才能受力，所以这种结构只能承受拉力，而且在任何情况下都必须保持受拉状态，否则就会失去稳定。张拉膜结构轻巧柔软、透明度高、采光好、省材料、构造简单、安装快速、便于拆迁、外形千姿百态，因而在世界各地逐步兴建了许多这种建筑。

昆山体育馆（图6)位于体育场的旁边，平面形状呈椭圆形，其中长轴为126.4m，短轴为98.45m，建筑面积约22860 m2，设备和附属设施置于地下室，地上一层全为运动功能区，包括一个篮球比赛厅，两个篮球训练场，两个多功能活动厅。看台座位是活动的，可以根据使用功能的需要任意增加或减少，甚至拆除，这是大型公共建筑设计与其它建筑设计不同点之一:大跨度建筑的多功能要求，皆因业主考虑口后经济效益使然。这样，对空间的需求或是尺度较大、或是功能分区很复杂，对视觉、声学、疏散和内外环境等等必然提出更多的要求。尽管对建筑师的要求是一次性设计，却要以不变应万变，必须以前詹性的眼光去构思每一处细部。

图 6

大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析

馆的主体部分为钢筋混凝土结构，屋面为骨架支撑薄膜结构，整个屋面的设计采用结构形态仿生与裸露结构构件的综合表现手法。从结构形态仿生手法来看:整个屋面结构模仿龟壳，中间的落地析架拱作为龟壳的脊骨，两侧银灰色的薄膜被钢骨架固定成连续起伏龟壳形，较好的照顾了空间的俯视效果，更为独特的是建筑的侧立面效果却似一只展翅的蝴蝶，真是妙趣横生。设计师在运用访生手法时清楚的知道几何相似容易而材料相似很难，龟壳虽薄而坚硬，但若放大数百倍、上千倍，则连其自重都将难以承受，因此应着眼于生态结构的内在合理性，神似比形似更重要。从利用结构构件的表现手法来看:建筑师将巨型析架拱裸露在外使整个建筑立刻获得了自己的特征，拱将屋面荷载传至地面，表现了“力量”，显示出体 育建筑的性格。建筑师熟练的运用了结构中符合力学规律和力学原理的形式美因素，来增强建筑艺术的表现力。其实，这种形式美就是结构构件及它们的组合所表现出来的一种构成美，一种力学传递美，它的魅力就在于它的简洁、流畅，以暴露出的结构构件本身而不需通过其它媒介来表达和创造空间造型。

另一方面，在屋面设计中，龟壳形状正好反映了结构形态与实用功能的统一:在体育馆的屋面设计中，多取中间高两边或四周低的形式，这是实用功能的需求，与周围环座的观众的心理需求也是一致的。同时，在结构形态上，这也是最易于实现的。因为出于受力的合理性，通常的拱型结构、弯顶结构及网壳结构都是中间高四周低的形式，而且周边的支撑结构无额外的功能要求，也不宜做得过高。这样，主体结构和支撑结构的关系就与主要建筑空间和辅助建筑空间的关系取得了一致。

三万人体育场(图7)平面形状也为椭圆形，红色看台沿椭圆长轴方向两侧对称布置。该建筑设计最独特之处为看台雨棚，相似的骨架支撑薄膜结构与体育馆相呼应，体现出和谐统一。看台雨棚的设计运用了几何形的表现手法:雨棚的骨架为钢析架，组成单元为切割圆柱面，由两不垂直于柱面向外倾斜的平面切割圆柱面而形成，上覆以体育馆一致的银灰色的薄膜。28个独立的、支撑在两侧钢析架上的骨架支撑薄膜柱面沿着看台四周连续的排列在一起、出挑尺寸、雨棚的高度随着看台形状的变化而改变，建筑形象波浪起伏、轻巧活泼，极有节奏和韵律感，从最大程度上缓减了运动员的紧张心情。实际上在建筑设计中各种

结构构件，如立柱、楼板、挑梁、钢架、拉索、桅杆等，是使建筑物立面构图获得某种韵律与节奏的最活跃的基本要素，而这些有规律排列的结构构件，不仅结构简化，受力合理，有利于快速施工，而且，还可以使建筑物的空间造型具有该结构形式的一些基本特征并获得极富变化的韵律感与节奏感。

图 7

大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析

总之，在昆山体育场馆的整个设计中结构不是被动的支撑着形式，而是作为造型要素，直接影响着建筑整体质量的优劣，结构形态的确定对建筑空间形象产生了绝对性的影响。 现代大跨度建筑充分体现了宏伟、美观、富有艺术想象力，体现了结构技术的进步，也体现了现代大跨度空间形态建立在合理的结构设计理念基础上。以真实的结构塑造真实的内部空间和外部形象，这是建筑创作的基本原则。大跨度建筑空间形态的创新需要掌握一定的结构技术理念，并在实践中不断探索和研究。所以我认为，我们应该回归问题的本质，踏踏实实地把建筑与结构结合起来，特别是把建筑形象与结构形态有机地统一起来，我们必须及时地掌握结构发展的最新动态，敏感的捕捉能够表达结构形态的各种机遇，无论从事结构表现的是结构工程师还是建筑师，都需实现自我的超越，使我们的作品和我们的设计思想真正 达到完美的境界。