【工程师访谈】横滨国际港码头的结构设计

项目名称：Yokohama International Ferry Terminal
建筑设计：Foreign Office Architects
结构设计：Structure Design Group Kunio Watanabe（渡边邦夫）
竞赛公布：1995年
建造时期：2000年~2002年



FOA（Foreign office architects）事务所在横滨国际港码头设计竞赛中的方案一经推出就非常夺人眼球。这座建筑的顶板在不同的高程上扭曲起伏，甚至入口都是在顶板上下陷形成的。这部分的顶板与城市的道路系统与公共空间完全实现无缝衔接，因此可以作为市民广场来使用。可以说是一座非常“亲人”的地景建筑。这座特别的建筑于2002年建成，结构师为SDG（Structural Design Group）的渡边邦夫。

结构师在项目起步阶段对项目本身的解读是：区别于传统的梁柱体系，建筑的荷载传递是通过地板的扭曲使得上下两层的地板在某些部位触碰，原有的水平体系在两侧转化为垂直体系来传递荷载。FOA最早对于建筑构思的为“折板建筑”。然而结构师认为折板结构与建筑本身的形式与意图并不相匹配——折板结构只向一个方向传递力（单向系统），它并不能够在传递荷载时很好地配合如此自由扭曲的地板。

结构师试着解读建筑师提出“折板”这个意向的初衷。考虑到纸板的特点，结构师认为纸板重要的是具有次一级的结构——其基本的构成是用瓦楞纸拉结上下两层箱板纸，形成整体，共同受力。基本可以抽象为用中间的次一级结构来连缀两块片材。然而怎么将片状的钢材和杆状的钢材结合起来受力呢？进一步抽象化纸板的构成，结构师认为两片平面框架可以近似为两层薄片，其间再用框架连缀便成了空间框架结构。值得一提的是，这套结构系统可以根据结作用力的大小而产生变化。平面框架的形制可以形成类似有机体的单元体，配合地面起伏的形状，形成有机的变化。根据这种单元体，针对大的作用力可以设置次一级的结构，更多的杆件，而小的作用力则相反。这样的结构方式是有利于降低造价的选择。

在两层表面的中间是由类似于瓦楞板作用的杆件来传递力量，而不同于瓦楞纸板的是，上下两层表面可以相对自由地各自进行起伏波动，而中间连缀的是不同长度的钢杆件。这整一层网架层的厚度则相当于建筑当中一层“楼板”的厚度。结构师的决定给建筑师提供了更多的自由，建筑师可以分别设计这块“纸板”上下表面的起伏，只需要保持上下表面满足一定的距离就可以了。

为了使结构随着建筑外形而做出相应调整的同时保证良好的工作状态，结构师也希望结构本身有灵活传递力的特征，不同于传统的单向，双向或者局部双向的系统，他希望避免的是结构元素的等级关系，全部的单元体构件全部都被统一在一个变量之下，那就是整片板的厚度变化。

起初为了避免使用厚的钢面板或者附加梯形截面腹板（这会增加用钢量且连接困难），结构师主张把片状的构件转化成杆状的构件，这种结构方案接近空间网架的形式。被认为是一种“虚”的处理方法。结构师还建议可以使用另一种方式，以投影坐标网格的方式组织两层板中间的网架——投影之后形状如蜂巢的网架辅助以聚乙烯材料承受剪力，或者在两层板中间填充混凝土（做法如CFT钢管混凝土柱）。这种方法被他形容为一种“实”的结构方式。

对于两种方案的结构特征，“虚”的方案更适合承受内部的拉力，“实”的方案适于解决结构构件中产生的压力。此次设计主要的截面形为一个巨大的箱形截面拱，因而很明显地会在内部产生压力，由此采用“实”的方案。然而两侧悬臂的部分的变形可以由结构中刚度的加强来控制。

因此，在结构设计的第二阶段，结构师开始考虑两种结构单元的共同作用——采用同样蜂巢状空间网格，在需要加强刚度的地方采用“实”的处理方法。这种统一的单元形式，有限的几种单元体处理方法得到了设计者的肯定。
难点仍然存在着——如何连接表面上的钢板。常见的连接片状金属的方式是用黏结，或者压焊，但是不适用于如此大规模的项目。同时，使用在蜂巢网格中镶板的方式也被证明失败。

正当结构组考虑这个难题时，设计者提出可以将下层的板件展露出来，并且塑造成折板形式的内部空间顶面，旨在通过展示下方的板片的折叠强调空间的微妙之处。在折板形制之上，两套梁系统交错上下的同时也为每一块板提供了可附着的梁（相当于在折纸中，每两个面交接的棱上加了一根加强肋）。

结构师最初认为折板的形式更多依赖于一次成型的混凝土才能更好地发挥其效果，钢片则很难屈曲。结构的校验证明，很薄的钢片也可以做成折板的结构。由于焊接会使得金属变形，因此需要寻找另外的连接途径——HILTI钉，在射钉枪的爆发力作用下穿破金属，直径4.5mm可以承担1.5t的剪力。这种连接方式替代了高强螺栓或者焊接，成为最终选定的连接方式。这是在欧洲经常用于固定次级结构的HILTI钉首次用在主体结构中。

关于梁和折板片的连接，结构组最初设计使得梁和折板片都有竖起的五金件。为了应对匹配的一对五金件不在同一平面上的情况，所有的接头都使用十字接头（万向接头）。这可能使得梁系统和折板之间不能完全吻合。为了满足设计方的要求，这两套系统最终的连接方式改为全部在施工现场采用高强螺栓固定，替代了万向接头的做法，使得梁系统和折板系统在施工现场永久性地连为一体。

渡边邦夫面对一个具有开创性竞赛方案，直接地理解了设计者的意图。他在第一阶段结束时为设计师提供的结构原则给建筑设计提供了更多的可能性。在全过程中的推进一直结合方案的实际建造进行设计。

根据访谈的内容还有一些不明确的地方，最大的问题就是下表面做成折板之后怎么完成两套不同结构系统的衔接。还找到两张施工过程中的图，似乎已经是在铺地板的时候了，所以看得不甚清楚，但是就算是这篇习作的结语吧。