浅析结构概念设计

【摘要】结构概念设计就是依靠结构工程师正确的判断力，在特定的建筑空间中，主动的参与建筑师的空间布置方案设计，并利用总结构体系与各基本分体系的空间力学关系，从整体的角度来构思建筑结构方案。本文对结构概念设计进行了调查研究，总结了结构概念设计的基本分析方法、设计阶段及设计思想。

【关键词】结构工程；结构概念设计；力流；基印

结构工程师所接受的高等教育普遍是偏重于学习基本构件的性能以及其设计施工知识。这样培养出的结构工程师能够配合建筑师的设计意图来布置结构构件，但独立创新意识颇低，无法充分发挥主观能动性。如果在早期的设计阶段，结构工程师没有给建筑师提出合理的意见或在力学概念和体系应用方面有一些小失误，那么对早期建立的方案进行大改动的可能性会很大，在后期设计阶段会造成很大的损失，这方面的教训很多[1,2]。随着建筑的发展，对结构的功能、经济指标和安全性提出了更高的要求，更突显了结构概念设计的重要性[3]。

1 基本分析方法

建筑结构的本质就是其承载作用，并将水平、竖直荷载传递到基础。基于结构的立面布置与水平布置，结构概念设计分别可以采用力流与基印的分析方法。海诺•恩格尔有创见的对结构体系进行详细的分类，并介绍了基于力流的结构体系概念设计理论[4]。结构在竖直方向的整体上有三个操作顺序在运作：荷载的接受、传递与释放。有学者形象的这样比喻力流：“一根梁，是在一个力的场中发生突然的收缩；一根柱子，是一个漩涡点，他将一池的荷载拽向自己[5]。”这个过程就是力量的流动，简称力流。按照结构的最小作用量原理，力流总是按照最短并且最流畅的几何路径将荷载传递到地基。结构工程师在概念设计中的任务就是设计或策划力流导向，找到一条尽量短的流畅力流轨迹线，根据力流密度设置构件尺寸，并且尽量的避免力流突变。基印是力流汇集的最终结果，反应在设计中就是建筑结构基础平面布置图。基印的布置反应了结构整体受力性能，决定了结构整体刚度和承载力，因此基印的优化设计要求确定柱的大体分布与截面尺寸，这些对建筑总造价有很大的影响。海诺将结构体系与建筑造型相结合，说明了力流与基印是结构概念设计的基本表象，并且力流的轨迹是否顺畅是衡量建筑结构经济型与安全性的重要指标之一。

2 设计阶段

结构概念设计应划分为三个层次，分别对应结构设计的三个阶段。首先是三维的方案阶段：建筑师提出最初的建筑概念性方案时，一般考虑其总体空间及各个分空间的组合形式，而不会确定其具体结构。这时需要结构工程师其看作一个整体，也就是整体性假定[1]。这样就可以根据建筑师的方案考虑一些简单的基本结构概念与体系的问题、大体的荷载与承载力和稳定性之间的关系，通过分析力流与基因可以得到总恒载分配到水平与竖直构件的粗略情况。在三维的方案阶段，结构工程师应从整体进行考虑，协调处理空间与结构形式。比如高层建筑需要竖向交通与运输，在方案构思之前就可以确定利用这些竖向构件作为抗水平荷载的结构分体系。然后是二维的初步设计阶段：在整体概念设计确定后，就应开始水平与竖向分体系这些二维的设计，并且从连接形式、刚度比值、传力方式等方面确定其性能与相互关系。最后是一维的设计阶段：设计方案的总体构思最终要反映到细部设计中，因此应该确定所有构件的尺寸、材料和连接详图，并满足施工的要求。三维概念设计的过程反映了结构设计的自然层次，具体的一维构件组成了二维的结构，二维结构又满足了建筑师的空间分割、封闭和房屋分体系的要求，二维水平与竖向分体系又组成了实现整个方案的三维构成。

3 创新的设计思想

在建筑中，艺术和技术过去曾是一个统一体。著名的结构工程师皮特•莱斯（Peter Rice）曾经这样区分建筑师与结构工程师：“建筑师着眼于建筑的创造，而结构工程师则着眼于具有创新性的、探求事物本质的方法。”如果说建筑师的创作是源于艺术家的个人动机，那么可以认为结构工程师在面对问题的时候，考虑的是如何将材料、结构和受力体系等这些更本质的非人为因素的东西转化为可视的形态―结构设计出的具体方案，这就是结构设计的三维真实性[4]。建筑设计要靠结构工程师正确的判断力和概括性的分析来做检验，富有创新性的结构工程师能带来充满想象力的空间形式。巴尔蒙德就是这样一位具有创造性思维结构工程师，近些年来可以看到他一些非常规设计理念的结构方案，他独特的结构概念设计不只是单纯的设计，还是在传达一种极具启发性的思想、一种关于结构的哲学、一种非线性的思考方法。他认为结构概念的形成不是基于严格的理性原则，而是基于几何与数学强烈的知觉探索[5]。他将传统的按照轴网布置柱的方法比作了阅兵式中按照严格的节奏前进的士兵，在鹿特丹当代美术馆的项目中，巴尔蒙德滑动两排相邻的柱，使柱相互交错，获得了更灵活的空间。在凯姆尼兹体育场项目中，建筑师又要求模拟森林一样随机散布的柱子，巴尔蒙德将轴网复制，并以某个点旋转，两个轴网相交，使得一系列的点跃然而出，通过这种方式，产生出基于同一个线性逻辑的但又有着不同倾斜角度、随机排列的柱。在CCTV新总部大楼的项目中巴尔蒙德更是将这种非线性的结构概念设计思维运用得炉火纯青：抛弃传统楼板、梁、柱依次传力、单独支撑的设计方案，通过外部的桁架结构，使力由表皮承担，同时两个塔楼的联合使结构性能更佳，应力环绕着整个建筑表皮。当今计算机技术大力发展虽然解放了结构工程师的一部分工作，但是只有人脑才能创新并甄别计算机的计算结果。

4 小结

现代建筑的高速发展给结构设计带来了诸多机遇与挑战：新颖的结构、新的高性能材料的研究和应用，这些都在结构设计规范中无法找到对应条款，并且无以往工程经验作为参照，因此结构工程师要协助建筑师完成其构想，必定需要积极的探索和研究概念设计的思想和理念并且在设计全过程中贯彻执行。

参考文献：

[1] [美]林同炎,S.D.斯多台斯伯利.结构概念与体系[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[2]黄真,林少培.现代结构设计的概念和方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3]刘西拉.结构工程学科的进展与前景[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4]海诺•恩格尔.结构体系与建筑造型[M].天津：天津大学出版社，2002.

[5]Cecil Balmond. Informal[M].USA：Prestel，2007.

作者简介：

钱雪程 1986.11- 工学硕士 结构工程专业 江苏南通人