建筑的表达需求与结构设计安全.doc

建筑的表达需求与结构设计安全一段时间以来由法国巴黎戴高乐机场侯机厅通道部分倒塌事故引起的对结构安全问题的讨论成为业界甚至各种传媒的热门话题由之引起的对国家大剧院以及各奥运在建项目进行结构安全再认识的声音也不时传起特别是对正在设计施工中的奥运项目按照政府决策部门的意见建设单位组织结构有关专家逐个项目地进行了更为严格的结构设计安全评估结构设计安全是我们所有从事结构设计与研究工作者必须面对和回答的问题巴黎戴高乐机场事故是结构在其设计使用寿命初期投入运营一年在常规荷载作用没有恐怖袭击没有恶劣的区域突发自然灾害的情况下发生的就是说一定是在结构设计或施工的某个环节给结构留下了致命的内部缺陷才造成的这一缺陷既可能是结构设计理论方面的也可能是结构设计构造方面的既可能是结构材料使用方面的还可能是建造过程中的施工质量控制方面的等等无论什么原因这种结构破坏形态都是结构设计原则所不允许的引起我们的警觉也是应该的另一方面我们也还是应该理性地科学地全面地分析和把握结构设计的安全问题其实追溯人类改造自然改造世界的历史足迹我们还是有理由对当代结构设计理论和建造技术的发展水平感到自豪的虽然我们现在感觉是越来越累越来越难但是在力学和材料科学发展的有力支撑下我们所从事的结构设计与建造技术的发展还是基本上满足了那些满脑子求新求奇求高求广的所谓当代建筑师的表达欲望与需求的世界上没有自由的结构设计师但假如没有我们也就没有建筑表达的自由建筑师设计东西无非表达两种需求一种是传统意义上的功能需求另外一种就是表达建筑情感或者说是通过建筑表达情感这种情感表达方面的需求可能是来自公众的也可能是来自政府或领导意志的还可能就是直接来自建筑师的美学修为的建筑师可以利用建筑特有的元素比如建筑材料的材质装饰材料的色彩等进行其建筑情感的表达但是这种表达的效果和能力是有限的建筑师更重要的手段则是借助结构的能力完成这一表达需求从这个意义上说建筑师丰富的想象力既给结构设计提出了课题带来了挑战同时也就给结构工程师带来了风险国家大剧院超大超深的地下结构体量椭球抛物面壳体屋顶和围绕壳体的环形水池都是安得鲁实现其剧院功能需求与其情感表达需求的手法和元素为了在不超越人民大会堂的限定高度内完成剧场功能对竖向尺度的需求深入地下是其自然的也许是无奈的选择椭球抛物面壳体屋顶罩住其下的三个功能剧场是建筑师进行区域空间整和的一种手段在这块区域上的建筑物进行这样的整和处理我认为是必要的建筑师设置环形水池的目的在于其制造区域宁静气氛的需要这种建筑情感表达上的需求也是必要的同样的在建的国家体育场简称鸟巢以及国家游泳中心简称水立方等标志性建筑她们不单单是承载着满足举办奥运会各单项体育功能方面的需求也还要承载着通过其别样的建筑形象来表达全国人民百年奥运梦想成真的情感需求承载着要为最出色的一届奥运会留下最出色的建筑遗产的使命自然的建筑师是无法单独承担这样的使命的必须依靠结构工程师的支持来实现其特别的表达需求或者说结构工程师在这个时侯是没有选择的自由的只有绞尽脑汁为建筑师的这种需求寻找解决方案于是百年之前的理论物理学命题泡沫理论被结构师拿来经过有趣的数学变换最终成了表达建筑师看似无序的水分子结构的最好载体建筑结构形式的争议多半不是好与不好的问题而是值与不值的问题为了满足建筑师们的浪漫需求在传统的结构构成方式无能为力的时候结构设计师就必须探索新的非传统的结构构成方式结构系统的基本形式可以说已经被我们认识的差不多了但是这种说法只是限于基本体系并不意味着创造新的结构形态可能性的减少在拥有无限多样的物种的丰富多彩的世界里限定结构形态的类型显然是不恰当的结构工程师的任务就是在既要保证结构安全同时又要满足建筑美学需求的杠杆上寻找一个平衡点只是世界上终究没有免费的午餐当各种或是张扬的或是陌生的结构形态出现的时候在结构材料科学还没有长足的发展的时候在我们还不得不用传统的结构材料去实现这样一个个浪漫的需求的时候对结构安全的关注也就从来没有象现在这样引起一端又一端的争议从一个结构设计与研究工作者的角度看待这些争议我认为很多时候我们是可以在力学或规范的原则内寻找到这个平衡点的随后的问题是这会要我们付出多大的代价或者说要我们支付多大的结构成本我认为对这个我们要支付的成本值与不值的不同看法是对建筑结构形式争议的焦点问题其实作为一个结构工程师常常是不能判断建筑的形象与情感效益与结构实现的成本之间到底谁高谁底的因为前者是很难量化的我们所能做的就是在保证建筑功能与美学需求的诸种可选择的结构实现方式中找到成本较低的解决方案例如在国家大剧院工程结构的第一轮初步设计时法国公司确定的结构底板的顶面标高为米这个标高受到了中国建筑与结构工程师的质疑如此深的基槽且不说开挖与降水的成本会很高结构寿命期内的抗浮设计成本更是一项很大的投入为此我们建议在保证其建筑功能需要的前提下尽可能提高建筑底面标高法方在修改后的初步设计中将这一标高提高到了米与上述情形相反国家游泳中心工程的建筑设计由于采用了双层充气膜这种膜材的造价很高所以在相对深挖增加基础开挖与结构抗浮成本和抬升建筑总高度增加围护膜材的用量的比较选择中建筑师完全依赖的就是综合成本最小化的原则结构工程师要给浪漫的建筑师和建筑师的浪漫设定一条底线作为一名结构工程师我们还应该清醒地认识到结构科学和材料科学的发展远没有达到可以令建筑师们的浪漫思维无约无束的境地在实际结构的建造过程中影响结构安全的因素众多一方面建筑结构理论归根结底是一门实验科学理论与实际的偏差不可避免另一方面建造技术的发展水平和区域差异以及施工质量控制等等方面的诸多因素都会给实际建造完成的建筑结构安全性能带来某种程度的不确定性所以建筑师们在通过建筑表达其美学或情感需求的时候结构工程师们还是要给他们设定一条底线这条底线不仅依赖于当代人类对自然界的认识水平而且还依赖于现代结构技术与材料科学的发展水平依赖于结构分析技术的发展水平在某种程度上我们可以允许他们突破某些规范条文的底线但是不能允许他们突破基本力学准则的底线尤其是当我们面对国外建筑师的时候这一点做起来很难譬如在和安德鲁的法国团队合作设计国家大剧院的过程中我们就经历了多次的争执与说服的过程国家游泳中心的设计过程也给了我们很多启示在建筑师浪漫的创意和结构的可实现之间还是有较长的一段路要走的因此我们投入很多精力进行了这种新型多面体空间钢框架结构的试验研究最终才可以保证这种结构的安全可靠不能认为结构设计安全与结构设计的创造性是永远的矛盾实际上对结构设计安全性的忧虑往往会束缚住我们结构设计创造性探索的步伐虽然这种忧虑不是多余的发生巴黎机场结构倒塌事故后我们听到的几乎都是对安德鲁主持设计的建筑的一片怀疑之声结构设计工程师们尤其是从事重要公共建筑结构设计的工程师们更是增添了更多的谨慎与小心我认为结构设计的任务始终是按照建筑的功能与美学需求确定安全合理的结构体系进而依据建筑结构可靠度设计有关标准所确定的原则对结构作用效应与结构抗力进行符合结构实际工作条件性能的分析最终应做到在规定的结构设计使用年限内在现行规范规定的各种荷载作用下所设计的结构是安全可靠经济合理技术先进的为了实现这样的使命对结构设计安全的自始至终的关切无疑是必要的另一方面结构设计的创造性不但是当今建筑设计发展的必然要求同时也是结构设计技术自身发展的要求国家大剧院国家体育场国家游泳中心以及新中央电视台等建筑在结构设计方面的创造性探索可以为我们跟踪当今世界先进的结构设计理念提供一些线索也可以让我们检视一下很多经验的传统的结构设计思维是否还适应现代结构设计发展的要求因此我认为结构设计工程师们在关注所设计的建筑结构是否安全的同时也还是应该为结构设计技术的创造性发展做一些探索这两者不总是矛盾的虽然在各种新结构的实践过程中或是发生了很多争议或是走过了很多曲折的道路但我始终认为没有结构设计师参与的所谓建筑设计理念的创新都是无源之本从这个意义上讲结构设计师在确定建筑设计发展方向上的作用是举足轻重的尤其是当代中国的结构设计工作者国家建设的飞速发展给我们提供了前所未有的结构设计实践机会在这个实践过程中我们是始终跟在所谓西方世界先进的结构设计思维后面亦步亦趋无所建树还是通过我们不断的设计实践与探索争取走在世界结构设计技术发展的前列这确实值得我们认真去思考