如何完成世界上最大的悬挑结构建筑——结构设计的高与远

Christoph Gengnagel原本学的是结构专业，毕业之后，他做了8年的工程师，却逐渐为工作中缺乏设计感到困惑，终于决定再次回到校园，去攻读建筑——不是要改行，而是为了提高他的结构设计水平，闹明白建筑设计到底是怎么回事。毕业后，他再次回归结构工程师的身份，进入德国最有实力的结构事务所Bollinger +Grohmann工作，还在柏林艺术大学建筑学院教结构，甚至担任了学院的院长。

Christoph Gengnagel

如此交错的经历，让结构的理性和建筑的敏锐完美地结合起来，Gengagel也因此成为许多国际知名建筑背后的结构推手。下面先介绍曾轰动一时，堪称世界上最大悬挑结构的釜山电影中心。随后还将揭开劳力士学习中心和欧洲最苗条的超高层维也纳DC塔的结构玄机。而Gengagel从结构出发，对于不同建筑设计的点评也颇令人瞩目——请一定耐心看到文章底部呦！

釜山电影中心

悬挑结构　截面受力

建筑设计： 蓝天组

工程时间： 2005-2011

 

釜山电影中心，位于釜山市一处沿海的新开发的区域，这里沿袭着典型亚洲式的大规模开发模式。 2005 年，由蓝天组的创始人 Coop Himmelb(l)au 主持设计的方案在竞标中获胜，他的设计采用巨大的悬挑，形成有遮蔽的公共空间。这一理念使方案得到业主的赏识，成功中标，于 2011 年建成使用。

基地原状

中标时的效果图

在竞标之初，方案就已经确定以巨大的桁架结构实现悬挑，同时已经确定桁架结构需要由两个支点，而非通常的一个支点来进行支撑，支撑点位置的桁架高度相应更大一些。

方案模型

结构工程师接下来的工作，就是如何实现这个当今世界上最大的悬挑结构了。对于悬挑结构而言，最重要的是尽可能减小悬挑尽端的形变，同时尽可能减少支点的材料损耗。因此我们通过各种手段，一步步将悬挑结构尽端的形变尽可能降低到最小。

 

悬挑结构的受力分析

· 屋顶桁架 ·

在桁架结构中，上面的杆件受拉，下面的杆件受压。这个悬挑结构从尽端到支撑点的距离有 85m ，同时也并非一种简单的直线形态——悬臂的下表面崎岖不平，这也对整个桁架的不同截面提出了不同的形态要求。

不同截面位置的桁架形态不同，复合而成三维桁架

它的结构形态，从开始一片片独立的桁架结构，发展为三维、复杂的空间桁架结构整体。

三维的复杂空间桁架

这样复杂的模型必须要借助计算机参数化建模才能实现。参数化建模不仅能帮助建筑师控制建筑的形态，也能帮助结构工程师进行各种结构计算。这样复杂的结构，在我们刚刚学习结构设计，只有计算器进行计算的时代，是不可想象的。在计算机的帮助下，我们能得出多种备选方案进行模拟和对比。经过模拟，相比传统的平行桁架、错综复杂相互咬合的三维空间桁架可以有效减少 20% 悬臂尽端的形变。

通过建模优化（左为优化前，右为优化后）

减少了 20% 悬臂尽端的形变

参考施工照片，我们可以发现，这一空间桁架耗费了大量的钢结构构件。

等待吊装的空间桁架

· 受拉杆件 ·

在最初的抽象化结构模型中，两个支点被描述为刚接支点，承托其巨型的屋顶。而事实上，这两个支点共同组成了一个巨大的建构，同时它们的支撑方式也是弹性的。

其中一个支点主要受压，另一个支点主要受拉，造成前低后翘的形变。

为了减少形变，我们在另一个尽端增加了一个受拉的杆件，使整个屋顶的形变减少了 15% 。

虽然建筑方案中原本没有这个杆件，但由于它能起到这么大的作用，而且本身也比较纤细，不会对建成效果造成太大影响，因而得以采用。

施工中的拉杆

· 支点 ·

两个支点在建筑中以双曲螺旋圆锥的形式出现，它由对于圆柱的扭转而来，形成两个上下连接的圆锥体。虽然表现为曲面，但可以由若干直线杆件组合而成。

曲面由直线模拟而来

其具体的扭曲度和形态，需要通过参数化建模，来模拟其形态和受力状况的关系。根据结果，我们对双曲体进行了适当变化，向前端倾斜，这样能够减少悬挑长度，同时顺应其受压方向，有效降低了形变。

这一部位也是由大量钢材组成的巨大钢结构完成的。

双曲螺旋结构的施工状态

双曲螺旋体量在受力上存在一些弱点。通过对形变的模拟可以发现，螺旋结构在向内凹的区域会受到向内挤压，而在外侧会受到过多的拉力。 由于拉力和压力较大，在弹性模量，也就是材料本身特性不发生改变的情况下，结构工程师已经不可能通过扩大 截面 来解决问题了。

这时，我们不得不回到方案最初的阶段，了解建筑师当时要坚持的是什么，结果发现在方案阶段，螺旋体量的底部原本并非透明，而是一个实体。

修改后的方案效果图与投标效果图对比

因此我们决定在受力最大的部分采用钢筋混凝土的压力环。在压力环的下面也不再用钢网架，而是采用片状混凝土结构。通过这一措施，该体量的形变减少了 25% 。

通过施工现场的照片我们可以发现，计算机模拟的片状结构实际体量非常巨大。

 巨大的片状结构

· 结构单元交接 ·

屋顶空间桁架与双曲圆锥两种不同结构单元的交接处，由于也同时承受着巨大的压力和拉力，因此分别增加了上部的拉力环和下部的压力环。

在屋顶桁架和双曲圆锥交接处增加两个环状结构

上部环承受拉力，下部环承受压力

以施工工人作为参照，才会发现钢结构是如此巨大

项目做完了，很成功，他们实现了全世界悬挑最大的建筑结构。

建成后的巨大悬挑结构

然而， Christoph Gengnagel并不满意，他还有很多话要说，特别是对建筑师说：

对于建筑师来说，他可能就是很简单地画了一个巨大的悬挑结构，但这意味着结构工程师需要投入大量的精力与地心引力作斗争。建筑师想要表现的是“轻盈”，但是这种轻盈是建立在消耗大量建材的基础上的，是通过“沉重”表现出来的。

建成后的巨大悬挑结构

结构工程师会提出这样的问题，建筑师的这个方案构想真的合理吗？为什么需要用如此巨大繁琐、难度极高、消耗大量材料的结构来实现它？这对于一个电影中心真的合适吗？在当今的时代和社会背景下，做这样的设计是否符合能耗的需求，对社区定位的需求？结构工程师应该在多大程度上对方案的效果进行支持，又如何找到合理的定位？这个问题可能超出了建筑设计和结构设计本身的范畴。

施工过程照

不论对于建筑师还是结构工程师来说，当图纸上的建筑真正在现实中站立起来的时候，都是非常激动的。对于这个如此复杂、高要求、消耗大量人力物力的建筑，它究竟是不是合适的设计，还要留待釜山的使用者来判定。

施工过程照

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好了， Christoph Gengnagel与蓝天组的釜山故事就到这里。在完成足够“远”的挑战之后，下一次，我们再来看看他与多米尼克·佩罗在高度和宽度上追求的极致，以及这样的结构大拿是如何为妹岛矮趴趴的两层房子——劳力士学习中心犯难的。 DR