建筑师和结构工程师的配合历来是建筑设计行业中最不可或缺的专业关系，二者既可以默契配合，成就对方，亦可能互相影响和制约。在实际工作中，建筑师常常认为结构专业没有贯彻建筑方案的设计意图，导致功能和建筑外立面实际效果大打折扣；结构工程师则提出建筑方案没有考虑结构可行性，导致存在结构体系不合理等诸多问题。
认真思考建筑师的各种诉求，大到建筑造型影响结构体系的方向性问题，小到墙身详图节点的处理是否精准到位，都是评判一个项目设计是否成功和精细化的体现。由此有必要反思结构工程师是否深刻理解建筑师对建筑效果和功能的核心价值需求；结构工程师自身是否具备扎实的专业知识应对建筑师五花八门的立面造型和平面功能需求；结构工程师是否能在项目设计的关键节点给予建筑师强有力的专业支持和引导；结构工程师是否在遇到结构体系可行性问题时提出有价值的意见和变通措施。总之，在项目全过程设计之中，作为一名结构工程师是否真正尽到应尽之责，将建筑设计意图一一加以贯彻，是每位同行需要认真思考的问题。
随着建筑技术的飞速发展，现阶段几乎可以说没有实现不了的建筑创意。在项目设计过程中，各方博弈的命题实质上都可以大致归结为工程造价和工期两个方面，前者涉及到项目投资主体投入和产出的经济效益，后者取决于是否能按照既定计划安排，确保项目顺利竣工并交付使用。不同的项目侧重点不同，需要有针对性地予以妥善处理。为直观理解上述较为抽象的命题，结合6个具有代表性的项目说明建筑创意的提出和结构积极应对的关系，特别是籍此表达结构工程师化解复杂技术难题、提升建筑品质的智慧。
场地和功能制约形成双向大跨度案例——中海油（深圳）大厦
▲中海油大厦实景
▲中海油大厦结构三维模型
中海油（深圳）大厦为两栋总高度200m的超高层塔楼和一栋4层裙房，两栋塔楼分别位于场地的南侧和北侧，裙房介于两栋塔楼之间。拟建场地一方面根据市政规划要求，东西向有一条规划路将场地一分为二，形成南北两个地块；另一方面，南北向正中位置为两栋塔楼的入口大厅，呈对称布置。建筑功能要求在位于规划道路上方的裙房三层设置800人的多功能厅，3、4层通高形成27.2m×32.6m的无柱空间。客观条件限制裙房部分形成双向大跨度。
在建筑方案概念阶段，建筑师希望结构工程师介入，将建筑方案落到实处，解决双向大跨度问题。基于建筑方案和场地情况，结构工程师提出两点思路：
1）南北两栋塔楼与中间裙房设缝脱开，地面以上形成三个独立结构单元，可使塔楼和裙房结构体系均得到简化；
2）现有裙房平面图中，左上、左下侧角部为楼梯间，有条件布置剪力墙形成筒体，受此平面布置启发，大胆提出通过适当调整建筑平面布置，将位于相邻跨的楼梯间移动到设缝后的裙房右上、右下侧角部位置，楼梯间形成四角双向对称布置。建筑方案经过多轮调整，各专业密切配合，最终建筑平面图基本实现上述要求，为结构体系可行性打下良好基础。
历经建筑方案、初步设计和施工图阶段，以及结构工程师对结构体系的不断完善和修正，最终实现了建筑功能和结构体系双赢的成果。
裙房部分结构体系由以下几个基本元素组成：
1）利用裙房四角楼梯间隔墙设置剪力墙，形成四个双向对称筒体，可为整体结构提供强大的抗侧和抗扭刚度；
2）在3至4层层高范围内，分别在南北向、东西向各设置3道、4道钢桁架，形成楼盖支撑体系，化解双向大跨度难题，桁架高度取两层层高（8m）；
3）位于多功能厅区域相邻桁架间距27.2m，通过在钢桁架之间设置等间距实腹式变截面工字钢梁+ 铺设压型钢板，形成楼盖支撑体系；
4）适当调整钢桁架斜腹杆的布置形式，满足建筑平面局部大开间和设置门洞的需要，做到斜腹杆布置受力合理并与建筑功能完美统一。
总结上述技术措施，提出“双向大跨度钢桁架-四角筒结构”的新型结构体系概念。
该项目最大的启发是结构工程师须积极参与到建筑方案的深化设计过程中，以大胆设想、精心求证的心态给建筑师提出合理化建议，各方拓展思路、集思广益，共同化解技术难题。目前该项目已竣工，即将投入使用，成为深圳后海地区具有地标性的超高层建筑之一。
结构构件服务于建筑立面造型案例——深圳大鹏半岛地质博物馆
▲大鹏半岛地质博物馆结构三维模型与内部实景
深圳大鹏地质博物馆的设计灵感来源于大鹏半岛的历史起源，博物馆外观隐喻为古火山喷发所遗留下的几块熔岩礁石，散落于大鹏半岛古火山地质公园中。本项目虽然为多层建筑，但是由于建筑立面和平面造型复杂，对结构工程师提出了巨大挑战。
建筑外立面采用石材幕墙，剖面呈折线形，为保证建筑功能及立面造型，建筑师要求石材幕墙的主龙骨须完全与建筑立面贴合。分析平面布置和立面造型的双重需求，结构工程师创新地提出将支撑幕墙的主龙骨（折线形钢柱）与主体结构连为一体，并参与结构整体模型分析。折线形钢立柱在屋面标高与外环梁铰接，下端固接于基础顶面，以承受幕墙的重力、地震和风荷载。同时，作为幕墙主龙骨的折线形钢柱成为结构的组成部分，主体结构由单跨转化为双跨结构，起到兼顾立面造型需求与改善主体结构抗震性能的双重作用，结构体系最终确定为现浇钢筋混凝土框架+外围斜（折）线钢柱混合结构。
考虑到建筑物周边的地形，背靠后侧山体，导致建筑物后侧存在较高的土侧压力，结合现场情况，设置扶壁式挡土墙与主体结构连为一体，挡土墙高度为7.6 m，扶壁根部最大截面高度为5m。计算分析表明：挡土墙自身可抵抗较大比例的土体侧压力，大大减轻对主体框架承担侧向土压力的负担，确保结构安全可靠。
本项目通过灵活多变的结构处理手段，使得结构构件真正起到服务于建筑立面造型的作用，并同时兼顾结构体系的合理性。该建筑与周围环境、室内展品融为一体，丝毫感受不到由于结构构件的存在对建筑立面造型与内部功能使用造成的影响，精心地将柱、梁隐藏于边角位置，堪称结构设计充分展示建筑创意和特色的完美作品。该项目已经建成并投入使用，成为展示深圳大鹏半岛国家地质公园特色和风貌的重要组成部分。
工期和地质情况改变结构体系选型案例——南京中建大厦
▲南京中建大厦中庭实景
南京中建大厦地上10层，地下1层，建筑性质为办公，项目平面布置呈回字形，建筑平面和立面造型规则。按照常规设计思路，结构体系确定以钢筋混凝土材料为主的框架-剪力墙结构是符合实际情况且经济合理的设计思路。结构工程师经过与甲方的充分交流，总结本项目的特点：首先，本项目建成后服务于甲方自身企业，项目运作的初衷是希望能尽快建成并投入使用；其次，拟建场地地质情况复杂，中风化岩面起伏差异较大，特别是场地岩溶发育普遍，勘察孔见洞率达到48%，溶洞内填充物最大揭露厚度3.3m。若基础形式采用桩基础，必然面临处理溶洞的施工工序，对工期和基础造价均存在较大影响，特别是在基础施工中存在较大的不确定性。另外，甲方主营业务为建筑安装，对于钢结构施工领域技术和管理方面较为擅长，该项目可作为展示企业形象一个非常重要的工程案例和样板，其宣传作用能起到事半功倍的效果。
结构工程师开拓思路，分析利弊，经过多种结构方案比较并结合各方汇报设计成果，抛弃以混凝土为主要材料的结构体系，最终确定地上塔楼部分结构体系选取钢框架-中心支撑体系。与混凝土结构相比，仅就工程造价来讲，钢结构体系会略有增加，但是综合来讲，钢结构体系也具备其明显优势，主要体现在：
1）钢结构构件工厂加工，标准化程度高，是典型的建筑产业化发展方向之一，其保证施工质量、加快施工进度的优势显而易见；
2）勘察报告建议基础形式选择桩基础，结构工程师针对实际情况仔细分析比较后认为，钢结构能在极大程度上减轻结构自重，基础形式可改为筏板基础，地基承载力经过深度修正，能减少附加应力，对差异沉降不敏感；
3）项目设计后期地下室层数由地下两层改为地下一层，使得有条件通过增加配重的方式解决整体抗浮问题。特别是基础形式最终选用浅基础，避免若采用桩基础而需要处理溶洞的问题，缩短基础施工工期，同时节约了基础造价，起到一举两得的作用。
该项目从基础施工到塔楼封顶，工期约一年，比上部结构采用混凝土结构节约工期近半年，实现了业主如期竣工入驻的目标。另外建成后通过部分外露钢构件，得以充分展示钢结构构件的粗犷和韵律之美。由此案例可见，结构体系选择要怀着开放的心态，灵活考虑各方面需求，选择最适合于项目运作的结构体系才是最优设计，而不是仅仅从专业技术角度出发考虑问题。
消能减震新技术解决复杂建筑造型案例——安宁城市文化中心
▲安宁城市文化中心结构三维模型
▲安宁城市文化中心长悬臂钢结构现场实景
▲安宁城市文化中心现场钢框架安装场景
▲安宁城市文化中心耗能减震支撑安装现场
安宁城市文化中心
位于云南省安宁市大屯新区核心地带，基地北侧布置青少年活动中心、科技馆（一栋），东侧为图书馆、文化馆、规划展览馆（两栋），南侧为体育馆（三栋），以及三栋围合而成的中心庭院和观光塔。各栋建筑之间通过二层活动平台相连成为一个整体，采用不规则坡屋面。项目以构建有机动态的生命网络将大众群体的参与性及体验感作为设计重点。
本项目位于高烈度地区，抗震设防烈度为8度。结构平面和屋面平面、立面均不规则，导致结构刚度不均匀，扭转严重。若采用常规的抗震设计方法必然面临构件断面尺寸，偏大，影响建筑效果和使用功能。结构工程师转换设计思路，纳入消能减震新技术，通过在适当的位置设置消能减震支撑，合理选择其布置位置和数量，减小结构地震反应，提高其抗震性能。经过反复布置与试算，使得各项整体计算指标均满足规范要求，构件尺寸也控制在合理范围之内。消能减震支撑选用支撑型金属耗能器和剪切型金属耗能器。一栋北侧有大斜坡屋面，西南侧悬挑长度10m，相邻悬挑端部之间跨度30m，长悬臂与大跨度同时存在，在悬挑位置设置3榀钢桁架，垂直于相邻悬挑端部位置同样采用钢桁架。悬挑桁架斜杆采用BRB支撑，可减小斜杆断面尺寸，避免其刚度过大导致结构地震作用加大。
本项目由于建筑造型和平面功能的特殊要求，存在大量的大跨度和长悬臂，通过采用钢结构和消能减震新技术配合解决复杂建筑造型难题，为结构设计开拓新思路，现阶段主体结构基本竣工。该项目的设计心得是当常规设计手段遇到障碍时，应报着不断学习、温故知新的心态更新自己的专业知识，利用先进技术解决复杂的技术难题。
选择合理结构方案解决超高层建筑关键技术案例——深圳湾科技生态园四区
▲深圳湾科技生态园建设实景
▲深圳湾科技生态园结构 三维模型
深圳湾科技生态园四区为一项具有典型现代感的超高层项目，两栋总高度分别为250m、235m的超高层塔楼，分别位于场地的西南角与东北角，塔楼呈对角布置，形成错位。建筑师的设计意图是尽量加大南北向空间面积，增强自然通风、采光效果。裙楼共10层，并在9.3m标高处为平台，形成泛首层内部生态谷，并实现与南侧生态广场的无缝衔接。
两栋超高层塔楼在立面造型上追求错动的韵律，塔楼在底部楼层平面布置呈Z字形，楼层向上逐渐转化为矩形，位于外周圈框架柱沿高度方向形成斜柱，并且根据建筑立面造型的需求，东西向塔楼边柱向内斜和向外斜柱均同时存在，以达到对建筑造型的需求。塔楼框架柱采用钢管混凝土组合柱，充分发挥柱内钢管与混凝土的组合效应，能极大提高竖向承载能力，其框架柱最大截面边长仅为1.4m。两栋塔楼和10层裙房平面关系较为复杂，最终考虑将塔楼、裙房连为一体，最大程度简化结构体系。
场地西北角为主入口，建筑师设计了一个具有强烈视觉冲击的双向长悬臂悬挑的立面造型，每个方向悬挑长度均为35m，给结构设计带来极大挑战。由于塔楼和裙房连为一体，以两栋塔楼作为平衡点，每侧沿四层高度范围内外伸悬臂钢桁架，作为支点的框架柱之间设置钢斜撑平衡长悬臂巨大内力，巧妙地解决双向长悬挑的技术难题。由于该区域悬挑尺度较大，对其楼盖部分进行了振动舒适度分析，以验证在正常使用情况下楼板振动小于规范限值要求。目前，该项目主体结构已经封顶，后期将进行裙房角部钢结构和塔楼幕墙安装工程。
建筑立面树状造型创造新型结构体系案例——襄阳图书馆
襄阳图书馆设计灵感来自于“知识树”，结合图书（树）馆的谐音，通过对树的简化、抽象，形成立面上很多树状造型的构成。“知识树”大小不一，沿图书馆周边布置。各个“知识树”均下小上大，以顶层倾斜角最大。屋顶树冠形成长悬挑，建筑立面造型新颖、奇特，具有很强烈的视觉效果。本项目结构体系并无现成经验和同类工程案例可以参考，特别是“知识树”造型的合理实现，相应树冠位置屋盖形式确定是该项目成立与否的核心问题。
结构工程师突破传统思维，直接利用“知识树”造型，沿主、副塔楼周圈布置下小上大、圆弧形喇叭状剪力墙。在1～4层，剪力墙依据外形需要均设置为斜向剪力墙。同时，为充分利用圆弧形剪力墙内部围合空间，所有“知识树”剪力墙均朝室内一侧开设门洞。后期考虑降低施工难度，避免高空支模，将原设计钢筋混凝土屋面改为钢梁+压型钢板混凝土楼板。同时，将5层至屋面层剪力墙由斜墙改为直墙，宏观造型由“喇叭形”变为“冰激凌蛋筒形”。由于顶层喇叭口半径减少，避免相邻较近各剪力墙在顶部彼此汇交和相互影响。
为减少屋面树冠位置钢梁的悬挑跨度，结合建筑造型，在屋面层及其下一层间设置钢斜撑。为简化施工难度，在楼层之间的区间墙体通过直线连接，即沿整个楼层高度方向采取几段折线模拟弧线方式，该措施不仅达到简化喇叭形剪力墙受力形式的目的，而且对减少施工难度也有一定促进作用。
本项目通过实际工程案例，直观体现了对于具有创新性建筑造型的建筑方案，最终实现是建立在结构工程师打破传统、破旧立新，给予强有力专业支持的基础上，可谓是结构创新成就建筑之美的代表作品。目前，该项目正在进行地下室部分的施工。
现阶段建筑设计市场化日趋成熟，建筑创意体现建筑师个人风格和地域特色的作品逐渐取代过去千篇一律、整齐划一的建筑立面造型，极大地丰富了城市景观，建筑真正成为体现一座城市风格的名片。各种地标性建筑在彰显建筑师创意和灵感的同时，也给结构工程师提供一个展现自身专业素养的舞台。如何深刻理解建筑师的创意，并合理贯彻执行其设计意图，打破常规、灵活应用先进技术成果，在确保项目安全可靠、经济合理的前提下实现自我突破是结构工程师占领设计市场必须具备的核心竞争力之一。当前，在建筑设计市场竞争日趋激烈的形势下，只有建筑师和结构工程师突破专业界限，真正实现项目全过程的深度配合，双方精诚合作才能创作出经典的设计作品，结构的智慧是建筑创意得以顺利实现的坚强后盾。
作者：张伟 刘俊 汪洋 梁莉军 曾德光 张浩 江龙
单位：香港华艺设计顾问（深圳）有限公司
张伟，香港华艺设计顾问（深圳）有限公司结构事业部副总工程师，高级工程师，一级注册结构工程师。
刘俊，香港华艺设计顾问（深圳）有限公司结构总工程师，教授级高级工程师，一级注册结构工程师。
文章节选自《建筑技艺》2016年9月华艺专刊中《建筑创意与结构智慧》一文
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