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“型”的延伸——河南信息科技学院（筹）公共学习中心

发布于：2024-01-02 10:50:02 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

设计单位：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

项目地址：河南省鹤壁市

项目年份：2021年

建筑面积：地上+地下约5万平方米

结构体系：复杂大跨度高层钢结构

结构奖项：同济设计集团结构创新三等奖

什么是“型”

What is "Shape"

所谓“型”，在建筑师眼中通常指的是“建筑造型”，但在结构工程师看来往往意味着“结构选型”。同名不同义，此“型”非彼“型”。建筑造型更关注于外在的视觉协调和情感表达，结构的选型更侧重于体系的传力高效性和材料的轻量化。在某种角度来看，两者是对立的，但聪明的结构工程师总是希望用一些巧妙的手段，实现两者的辩证统一。举一个范例，最近由同济设计集团工程技术研究院与设计四院合作完成的一座景观桥就是对这一“型统一”概念最好的诠释。从建筑造型的“鲲鹏”寓意表达，延伸到结构内力分布，确定了结构选型，最终效果的呈现就是这两者的辩证统一。

景观桥梁因为构造简洁明了，对于“型”的呼应相对比较直接。但对于庞大而繁杂的建筑结构，需要从各种表象之中，抽丝剥茧般找出两者的联系，对于结构工程师可谓莫大的考验。

“型”的诞生

The Birth of Shape

本单体为河南信息科技学院（筹）公共学习中心，项目位于河南省鹤壁市。鹤壁，古称朝歌，位于河南北部，是封神榜故事发生地，因世传“仙鹤栖于南山峭壁”而得名，鹤文化是鹤壁文化基因里不可或缺的一部分，新校区整体规划打造出了“鹤舞长空，背驮书山，脚栖玉璧，展翅翱飞”的校园景观，而公共学习中心好似莲蕊，下侧水系映衬“出水芙蓉”,寓意出淤泥而不染，濯清涟而不妖，屹立于还山之上。巧妙结合，应运出富有当地特色的校园文化。

形如璧环结合四面起拱形成了公共学习中心的形态与空间，现代庑殿搭配仙鹤羽翼般立面完成建筑的围合，整体庄重而典雅，细节又充满灵动，四角支点及屋盖的向上悬挑，宛如一只展翅欲飞的仙鹤。建筑的“型”跃然纸上，清晰直接。

“型”的演化

The Evolution of Shape

建筑师对结构工程师的要求，即立面的大跨度拱造型需采用结构构件直接表现，实现“建构合一”，长跨拱跨度约46.2米，短跨拱跨度约28.2米，自拱顶算起，拱上方共有6层楼面及屋面荷载，需要通过这些大跨度拱进行转换，将荷载传递至二层楼面，进而传递到基础。为减轻结构自重且考虑到结构复杂性，采用钢结构。首先考虑全部竖向构件均由拱桁架转换的方案一，结果显示，长向拱拱脚底部轴力达到约43000KN，相当于常规柱网下60层办公楼的单根柱底反力水平，显然是远远超出了一般结构所能承受的荷载范围，进而工程师考虑增加两层桁架高度的方案二，以及增加跃层拉杆的方案三，这两个方案的缺点是，斜杆都在阅览区，对建筑效果影响较大，且轴力仅降低40%左右，仍不够理想。

方案一：上部楼层直接通过拱转换

方案二：在方案一基础上增加桁架高度

方案三：采用增加斜拉杆的方式减小对建筑室内的影响

通过对建筑功能布局的研究发现，立面拱的端部即为竖向交通核，且上方两层均为办公，相比于下方的阅读区，其对空间效果要求没那么高。经过与建筑师充分沟通，结构工程师采用方案四，即办公区楼层设置两层通高的大跨度桁架，将下方相邻的两层阅读区吊挂在桁架上，加强桁架两端竖向交通核抗压及抗弯能力，利用双排柱形成类似矩形格构柱受力形态，这样，大跨度拱形结构则仅需承担拱顶一层的荷载，有效降低拱脚推力至方案一的10%，且拱顶楼层可形成大跨度开敞无柱空间，视野绝佳。

方案四：采用“上挂下撑”形式，巨型框架+两层高拱桁架

“型”的雕琢

The Carver of Shape

在确定了结构体系方案后，对于结构细节仍需进一步推敲，尤其是一些非常规的重要连接节点。本单体所采用的楼层吊挂方式。经过初步试算，结构抵抗水平力具有较大安全余量，则吊柱无需再参与水平抗侧，仅承受拉力，这样不但传力清晰，与结构体系假定相符，又可以尽可能减小吊柱截面，充分发挥钢材的抗拉性能，提供更优的室内效果。因此吊柱顶部与桁架相连处采用铸钢销轴节点连接，吊柱仅传递拉力给桁架，吊柱与楼面相交位置，该采用何种连接方式可以实现结构预想呢？工程师首先想到的是几种常用的连接节点：

第一种是传统的梁柱刚接节点，经过试算，楼面梁板在水平面内的变形会给吊柱带来附加弯矩，考虑同时承受拉力及弯矩后，吊柱直径需500mm，虽可以满足受力要求，直径也不算太大，但仍不够精巧；第二种为销轴连接，该连接方式更接近预想的受力形式，且平面钢梁可实现连续，也可降低梁构件高度，但该节点有一个无法忽视的缺点，就是销轴耳板会突出地面，本项目预估的销轴耳板高度近0.5m，对建筑及室内影响太大。

经过对传统钢结构连接节点受力形式的分析及改进，工程师采用了一种新型的梁柱连接节点，钢梁翼缘连续且与钢柱断开，仅腹板与钢柱焊接连接。

通过考察节点的应力分析结果可以看出，第一，节点整体应力水平较低，安全度高，第二，柱两侧翼缘板应力均匀，实现了梁端弯矩的连续传递，第三，对于吊柱，与梁相连的部位应力大小均匀，说明柱内没有产生附加弯矩，仅传递了梁端部的剪力，因此，该节点可以实现最初的设计意图。

“型”的科技

The Science and Technology of Shape

随着我国经济的发展及对地震学科防灾减灾的重视，2021年国务院《建设工程抗震管理条例》，其中提到，位于高烈度设防地区的新建学校应采用隔减震技术，本项目所在地抗震设防烈度为8度区，属于高烈度区，按《条例》要求拟采用减震技术。以往项目中，为减小对建筑空间影响，阻尼器多选在有建筑隔墙的位置，上下贯通布置，而本项目为图书馆，内部多为大空间，可供阻尼器布置的位置不多，经过试算，采用传统的BRB等减震方式，在数量有限的情况下，附加阻尼比仅1.5%左右，无法起到良好的减震效果。

工程师通过对大量国内外文献及案例的搜寻，最终将目光锁定在了一种具有位移放大效果的反肘节式阻尼器布置机构，该机构可以将阻尼器的位移行程进行放大，同时，确定采用摩擦型位移阻尼器，该款阻尼器的特点是，通过紧固在一起的钢板之间的相对摩擦起到耗能作用，则两端连接节点的位移行程越大，减震效果越好，非常适用于类似本项目的钢框架等柔性结构。经过计算，本项目反肘节式位移放大结构可将阻尼器形成放大约2.2倍，最终小震、中震、大震等地震水准作用下，附加阻尼比均可达到约4%，符合国家规范要求，且更具经济性。