_{Xiangfen Xingyuan Cultural and Sports Center}

 

襄汾星源文体中心

工程名称：星原集团文体中心

建筑面积：10,500平方米

地 址：山西省 临汾市

业 主：星原集团

竣工年份：2021年

结构选型和水势水形带来的启示

^{西向的鸟瞰效果@金伟琦}

^{南向的鸟瞰效果@金伟琦}

^{由低到高的钢结构屋面@谢凯}

襄汾泳馆屋盖在进行结构方案选择时面临初始的约束，包括起伏坡面建筑形态的限制、施工进度的要求、27米的结构跨度、造价的约定等等。基于这样的条件，在工程中可以考虑选用的结构体系包括钢构立体桁架、张弦梁或者薄腹板大跨钢梁等。这类结构需要考虑的结构设计宏观内容与常规结构区别不大，但由于形态和跨度带来了对变形、承载能力、构件尺寸和布置的更为精巧的设计要求。襄汾泳馆在综合考虑约束和结构表达的综合要求后选择了钢构立体桁架结构方案，结构精巧的要求就具体体现在连接节点、计算长度、约束设定、稳定控制和材料用量之处。

^{泳馆大厅的空间@金伟琦}

^{泳馆大厅的结构@张锦斌}

结构方案初定，但具体形态和构成组织仍然需要进行深入的思考。泳馆项目，水是首先跃入眼帘的信息。水的意境在工程中常常被理解为流体或者水压，因此很多建筑形态会利用圆滑的几何图形来形成基本构成，但实际上水远不该只是被强调流线型。水带来波动和起伏，即便是平静，水也带来镜像以及由氤氲而来的界限感，从马远的波光粼粼到杉本博司的平静大洋，从长江白波到神奈巨浪，这些静态的水势启示了动态的一瞬。

^{水波的艺术@网络参考}

结构设计的原则是源自自然、高于自然、但最终尊重并服从自然，因此我们汲取其间的力量和规则，捕捉其中隐含的几何，利用建筑师给予的空间，将屋面的厚度形成浪的“醇厚”，利用局部空间桁架的高下起伏形成力的传达，利用齐整的柱列呼应静谧的池水深沉。模仿自然的水很难，也无需那样刻意，结构构成的目的绝不是古板循型，而是效法“水”的内在，以“水”的波动形成新的结构设计的启示。

“且夫水之积也不厚，则负大舟也无力。”

水深则有力，风厚则负大翼。利用高广的建筑空间“深”成“波”，构件拉开利用“波”传递“力”，是我们关于结构组织的关键脉络。

水平和竖向分体系建立

^{由看台看向结构屋架@金伟琦}

^{由泳池西侧看向结构@金伟琦}

^{由廊桥看主体结构支撑@金伟琦}

^{大厅的结构@金伟琦}

对于襄汾泳馆而言，有效的结构水平分体系（重力体系）必须满足如下几个要求：第一点是载荷必须尽快的传递到基础内，减少不必要的传递；第二点是利用局部屋面深厚的曲折形态，回应建筑师关于标志性高大空间的诉求；第三点是实现最少的落柱，但有效的覆盖整个场馆建筑功能范围，控制材料用量但保证建筑空间效果。

基于上述因素，设计师推演出第一个典型单元（Typical bay），其中居于最核心位置的是“伞”型桁架，过程如下图:

^{"伞”型桁架的发展过程@张锦斌}

计算机模型的分析印证了这种受力形态下结构的性能与设想的一致性。受力分析可见其中主桁架结构内部的弯矩较小，呈现为拉压为主的形态，弯矩图中最大的弯矩出现在二级结构内，清晰的受力形态也指明了结构初步设计方向，进一步优化主要发生在承受拉压荷载的构件群内。

^{“伞”型桁架的内力@张锦斌}

典型单元的分析有一个面外稳定假定，但实际的工程工况下，杆件的稳定是一个关键设计要点。经验表明，稳定问题往往比强度问题更重要，其中最关键的是空间桁架内压杆的面外稳定。就襄汾泳馆而言，屋面的杆件都会受到来自垂直桁架平面方向钢梁的面外约束，稳定隐患最大的构件，是伞型桁架的下缘支撑，这里在空间上跨度较大，但只有平面的腹杆约束面外。

^{重力荷载下轴压较大的构件@张锦斌}

增大构件的宽度或者改为闭口构件是一类方法，但这类方法既不经济也不美观。回到方案之初，关于“水”的探索，水的波纹之所以会形成有趣的交叉，因为水在波动时，存在着两个方向的波，这给我们很重要的启示。与建筑师协调后在受压最大的桁架下弦处增加了V型的垂直于片状结构的支撑，形成稳定的双向约束。这些支持和桁架下弦及面内的腹杆共同形成倒立的四棱锥（Pyramid），这种人类历史上最古老的稳定几何。

^{棱锥型（Pyramid）的结构单元@张锦斌}

^{棱锥构件的空间形态示意@张锦斌}

^{棱锥构件的空间效果@金伟琦}

水平分体系（重力体系）之后待解决的是关于竖向体系（抗侧力体系）的问题，除去常规的抗侧问题，襄汾泳馆结构工程的特殊在于两个细节之处。第一处是大空间单元的屋盖仅在一点处相交，在下图箭头所示的位置只有一根梁连通两个屋面，第二个问题是如何避免在大跨桁架下设置支撑，柱间支撑会干涉室内空间的使用。

^{大屋面间相接的唯一一点@张锦斌}

在稳定的水平分体系的讨论中，设计师在解决了稳定问题时增设的空间构件事实上还进一步在抗侧体系中承担起关键的传递路径，这些斜撑可以将错级的屋面的面内荷载跨越空间高差传递。通过斜撑可靠的传递两个大屋面之间的荷载，将原有的一条通道变为三条，形成一种空间意义上的刚性隔板“Diaphragm”，且避免了抗侧力工况下在一个交接点上可能出现的巨大应力。

^{屋面水平力的传递通道@张锦斌}

^{不同坡度屋面的连接效果@金伟琦}

对于避免伞型桁架下设置交叉支撑，则采用了框架支撑和抗弯框架组合的方式，把控制性的交叉撑部署在建筑的外围四角，在内部利用抗弯框架来协调变形。这部分工作受到建筑形态和流线的限制，需要与建筑师反复的沟通和协调，最终的布置是中和和相互包容的结果。

以整体的视角来看待结构

近来看到很多建筑项目的结构方案，虽然构造工艺巧妙、节点精致、材料节约，但共同的问题是存在着初始设计秩序的不足，普遍是由近及远，由小到大，有些方案过分强调了节点，有些方案过分强调了杆件尺寸，对整体的结构体态把控则直接把工作交给计算机程序，着力于控制不规则参数，以程序结果来断定结构的合理与否。在林同炎（T.Y. Lin）的“结构的概念和体系”的第1章中，林先生提出希望设计者“在形成空间形式概念的组成特性的同时”，“就形成基本的运行和使用特征”，所以“在形成和处理总体方案时，着眼于相互有关的各主要分体系，而不是构件和细部构造”。这段话指明了结构设计的一个关键程序就是需要站在宏观的总体角度上看到各个分体系的关系，把构成结构的重力体系（水平分体系）、抗侧力体系（竖向分体系）和其他子项体系（基础、施工工序等）放进总体结构的框架内进行整合思考。

^{结构与天窗的结合@金伟琦}

在襄汾泳馆的设计过程中，结构工程师与建筑师首先就初定方案中的空间和体块的尺度进行甄别，基于建筑体块生成结构的体块。建筑的体块包含了大尺度（27X9m）和中尺度（9X9m）两个类别。结构的体块需要考虑三个类别，包括大跨块，水平和竖向分体系，16m高的大尺度空间约束了使用交叉支撑的可能性，因此设计师在这个区域适用抗弯框架和伞型桁架，中尺度的空间则可以利用局部的展墙和分隔墙从水平分体系中抽出部分结构予以加强形成竖向分体系。

从泳馆建造的情况来看，设计师部署的这些构件总体上合理得当，主要屋面和桁架构件的截面高度不超过650mm，主要柱子的尺寸450X450mm和350X350mm，理论用钢量56.5kg/sqm，现场的结构建造周期仅3个月，取得了比较好的经济技术效果。

^{结构总分体系的演进过程@张锦斌}

实际结构

^{钢结构施工开始时的结构状况@谢凯}

^{主结构完成时的钢结构体系@谢凯}

^{钢结构分项工程完工时的钢结构体系@谢凯}

^{庭院中看到的抗侧斜撑@金伟琦}

^{建筑夜景可以看到结构体系@金伟琦}