工程巡礼 | 台大社科院图书馆

本文来源：iStructur公众号

一个好朋友给小i 推荐了《台大社科院新建大楼工程纪录》一书，本书由建筑师伊东丰雄和施工单位互助营造编写，记录了该项目的建筑结构设计、施工建造过程中的技术要点。本文是这本书的读书笔记，在此和大家分享。

《台大社科院新建大楼工程纪录》

台大社科院新楼分为两栋。一栋是八层高的教学研究楼，其特色是高品质的清水混凝土外观，强调自由通透、舒适自然的空间；在结构上并没有太大的难点，所以本文不详细介绍了。

另一栋是楼层较低的图书馆，又称为“辜振甫纪念图书馆”。图书馆地上为阅览室，约50m见方的空间由88支喇叭形柱子支承，柱顶扩展成叶片形状的屋顶，其间镶嵌着130个形状不一的天窗，透过叶片的缝隙，自然光柔和地照到室内，营造出置身于林荫间阅读的氛围。

上图后方为教学研究楼，前方建筑为图书馆

图书馆内景

图书馆在建筑结构设计、施工方面都很有特色，是我们今天介绍的重点。

01 建筑设计

平面布置

从平面图上看，图书馆的立柱和叶片布置似乎没有规律，其实不然。柱子分布由3个中心点按螺旋线扩散，因此越靠近中心点柱子越密，再根据柱位生成 Voronoi图形。

所有叶片分为4种，模拟自然中不同树龄和生长秩序，也创造出一种均质的空间、淡化了方向性。同时将屋顶叶片的形状，延伸到建筑周边的植栽、水池、步道图案上。

雨水收集

在屋顶排水、集水，回收再利用的考量下，于柱中包藏水管。下雨时，雨水顺着水管流入地下的雨水收集池，四周的浅水池也用来储存雨水；天气炎热时，收集池的水被压到屋顶，通过喷灌装置喷洒水雾，进行降温。在形态和功能上都宛如大自然的树木。

02 结构设计

结构体系

图书馆整体结构由型钢砼柱、抗震剪力墙、混凝土梁板构成。其中, 屋顶楼板厚300mm，总尺度为52mx57m；采用喇叭形状的型钢混凝土柱共88根。

抗震体系中除了柱子以外，还布置了4片高刚度、高强度的曲线形的钢板剪力墙。均衡布置的剪力墙承受了大部分的地震力，使得内部空间的布置更加自由、开放。

屋面平面图（粗线为钢板剪力墙）

型钢混凝土柱

图书馆88根纯白色的喇叭形柱子是建筑最主要的特色，同时也是最重要的结构构件。柱子采用了型钢混凝土柱形式，内置钢管直径165mm。

喇叭形柱子-基本单元

FRP模板-型钢砼柱-内藏水管

以钢管加强的柱子显得纤细美观，而柱冠根据“叶片”尺寸的不同，分为4种直径，以适应不同的柱距、板跨的需求。

由于每根柱子受荷面积不同，必然导至各个柱的承载力需求有差异。结构设计时，为保持柱子外径相同，通过调整内部钢管柱的壁厚来解决。[注：这一方法在小i介绍的其它项目中也多次应用]

从柱子FRP模板加工、混凝土浇注、或是从柱子外观考虑，保持柱子外径相同，在施工便利性、经济性和建筑空间统一方面都有显著的优点。

清水混凝土模板

新建大楼的教学研究栋，完全以清水混凝土的质感作为建筑表面。楼板、梁柱、墙面，甚至楼梯均采用了成本最高、施工难度最大的“特级清水模”

为了确保完工后混凝土表面可达到颜色均匀、平顺光滑，施工前即做一组样板模型。针对混凝土配比、模板细部、钢筋固定、支撑系统、分离器、对拉螺栓、浇注等工序逐一检讨改进。

[注：对于建筑外观要求高，或者施工质量把控难度大的构件节点，要求施工单位做样板研究检讨很有必要，例如钢管柱砼梁环梁节点、隔震支墩支座安装节点等。]

在工期紧张、台北多雨的客观条件影响下，完成出如此高品质的清水混凝土效果，值得钦佩。但是对于柱冠3D曲面的特级清水混凝土要求，即使是“特级清水模”也无法胜任了。因此，施工中不惜采用造价昂贵的FRP(纤维增强复合材料，英文全称Fiber Reinforced Polymer /Plastics) 模具。

采用FRP模板折模后的混凝土素面表观

FRP模板的分块与组装

在设计FRP模板时，通过加劲板提高强度和刚度，使其不易变形，至少能转用7-8次。从成本控制和施工进度考量，曲线形柱顶的模板一共制作了14套。

组装完成的FRP模板和待浇注的柱子

钢板剪力墙设计

图书馆内均称布置了4片高刚度、高强度的钢板剪力墙，它们承受了大部分的地震力。钢板剪力墙内置钢板厚25mm，因为墙体呈轻微的曲线形，一定程度上能防止墙体横向屈曲。

钢板剪力墙在平面中的位置

剪力墙顶部与喇叭柱子相贯的位置，形成一个开口，因此在结构设计中采用劲板进行局部补强。下图是钢板剪力墙的应力分析。

钢板剪力墙应力分析(竖向荷载)

屋顶楼板

图书馆屋顶混凝土楼板厚300mm，总尺度为52mx57m，叶片之间遍布着孔隙，一定程度上影响了结构的整体性。

对于类似异形的屋面板，常规的单向板、双向板计算公式不能适用，因此需要借助有限元分析。

屋面板变形图和弯矩图

从屋面板变形图和弯矩图上，我们发现楼板不只有负弯矩也有正弯矩。这说明看似一个个独立的叶片，并非完全的悬臂受力，而是在一定程度与周边楼板连结为整体受力，提高了承载力。

施工中，300mm厚的楼板分两层、分仓交错浇注，以达到最好的防水品质。

“叶片”形屋面板之间镶嵌着玻璃天窗

图书馆的天花因为柱顶“叶片”的孔隙，呈现为130个不规则形状的天窗，为阅览者提供天然的光线。玻璃天窗下附半透明的PC中空隔热板，以减少太阳辐射热量。

入口雨棚

在教学研究楼的入口处有一个雨棚，是双重螺旋曲线构形，由13片钢板焊接，最终显现出6片叶子的整体造型。5根直径75mm的实心钢柱支撑起“钢板雨棚”。为什么柱子能如此细小？

奥秘在于细柱仅承受竖向荷载。由于钢板平面内刚度很大，依赖钢板与主体RC结构连接即可获得足够整体抗侧的刚度。

[注：将结构竖向体系和抗侧体系独立的方法，有助于减小竖向体系中柱子尺寸，类似方法在小i 往期介绍的案例中多次应用。]

除建筑结构设计以外，图书馆的书架布置、照明、空调、幕墙等设计也有诸多亮点，在此不一一展开了。

台大社科院新建大楼的设计团队，除伊东丰雄建筑事务所之外，还有台北宗迈建筑事务所和大涵学乙设计，结构设计为超伟工程顾问公司，施工由互助营造完成。整个工程造价高昂，幸运的是得到了多方捐资，工程才得以顺利完成。

参考文献

《台大社科院新建大楼工程纪录》, 伊东丰雄&互助营造.