本次介紹的項(xiàng)目位于烏鎮(zhèn)核心鎮(zhèn)區(qū)的西北角，整個(gè)場(chǎng)地被農(nóng)宅、旅游項(xiàng)目以及已建成的一期展館所包圍。整個(gè)片區(qū)緊鄰烏鎮(zhèn)西柵古建筑群，在區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程中，新老區(qū)域建筑交織，呈現(xiàn)出復(fù)雜的多樣性。項(xiàng)目建成后作為2019世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)的新場(chǎng)館。

總平面圖

項(xiàng)目在2019年2月開始設(shè)計(jì)，但需要確保大會(huì)在同年10月順利召開。7個(gè)月完成一個(gè)大型展館的設(shè)計(jì)與施工，對(duì)所有參建單位都是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)單位需要精準(zhǔn)的全局預(yù)判與把控能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又在其中承擔(dān)重要比例。

此場(chǎng)館需要一個(gè)平面尺寸約90x200m的貫通無柱空間。建筑師希望以起伏的立面輪廓來適當(dāng)削減大空間的尺度感，并呼應(yīng)水鄉(xiāng)連綿的屋頂。項(xiàng)目之初，建筑師設(shè)計(jì)了斜向屋脊使室內(nèi)空間變得豐富，但是考慮到這樣會(huì)產(chǎn)生更多的非標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，進(jìn)而影響工期，故將形態(tài)調(diào)整為平行的屋脊。

屋面早期意向

左：初始屋脊走向  右：調(diào)整后的平行屋脊

建筑師出于回應(yīng)古鎮(zhèn)風(fēng)貌保護(hù)的要求，最終決定采用真瓦作為屋面材料，這與大跨展館普遍采用的輕質(zhì)屋面做法是不同的。

貫通空間、大跨度的重載屋面、工期緊便成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初的限制條件。

懸垂受力系統(tǒng)與“瓦屋面”

對(duì)于大跨屋面，建筑師提出了在屋脊設(shè)置張弦梁，并作為采光天窗的設(shè)想。而在結(jié)構(gòu)師的視角下，屋脊間的下彎曲線與梁的受荷形變具有內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，是一種順應(yīng)受力的形態(tài)。因此輕巧的懸垂受力系統(tǒng)成為自然而然的選擇。同時(shí)，懸垂受力又恰好對(duì)較重的“瓦屋面”進(jìn)行了高效的力學(xué)回應(yīng)。

漢諾威展館8/9、世博會(huì)葡萄牙館、代代木國立競(jìng)技場(chǎng)都是懸垂或懸索屋面的經(jīng)典案例。它們分別使用了索桁架與預(yù)制混凝土板箱的搭配；柔性索與剛性混凝土屋面的搭配；懸索+懸垂梁及半剛性屋面板的搭配。

漢諾威展館8/9  網(wǎng)絡(luò)圖片

世博會(huì)葡萄牙館  網(wǎng)絡(luò)圖片

代代木國立競(jìng)技場(chǎng)  網(wǎng)絡(luò)圖片

在這三個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，索桁架具有最高的力學(xué)效率，但本項(xiàng)目的屋脊高低起伏、屋面跨度大小不一，不規(guī)則性帶來的拉索張拉過程較復(fù)雜，不利于結(jié)構(gòu)的快速建造。相比之下，代代木國立競(jìng)技場(chǎng)的半剛性懸垂系統(tǒng)具有更好的施工可控性。葡萄牙館以自重抵抗風(fēng)荷載則與較重的“瓦屋面”有異曲同工之感。

代代木國立競(jìng)技場(chǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)  網(wǎng)絡(luò)圖片

代代木國立競(jìng)技場(chǎng)的屋脊設(shè)置兩根拉索，分別懸吊半幅屋面，鋼曲梁及薄鋼板組成半剛性屋面?；谏鲜鱿到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)變體成為發(fā)展方向。

連續(xù)五跨的半剛性懸垂屋面

不同于代代木國立競(jìng)技場(chǎng)，本項(xiàng)目的半剛性懸垂屋面有連續(xù)五跨。雖然每個(gè)屋脊所采用的張弦梁豎向受荷剛度較好，但張弦梁的面外剛度以及整體抗扭轉(zhuǎn)能力均相對(duì)較弱，兩側(cè)懸垂屋面對(duì)張弦梁的水平拖拽力需要精心調(diào)整優(yōu)化，以便使其兩側(cè)的力差在各工況下都可控。

張弦梁作為彈性支點(diǎn)的五跨連續(xù)半剛性懸垂屋面

屋面端部以斜撐桿及豎向地錨索作為支座

倒梯形張弦梁兩側(cè)的拉力需要精心調(diào)整

以減小張弦梁的扭轉(zhuǎn)變形

張弦梁兩側(cè)拖拽水平力的調(diào)整優(yōu)化即是對(duì)于各區(qū)域屋面跨度與垂度的優(yōu)化，雖然通過找型算法可以確定出梁的“懸鏈線”形態(tài)，以及獲得各跨的最優(yōu)垂度比例，但嚴(yán)格按找型曲線進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)存在大量具有微小尺寸差異的構(gòu)件，阻礙加工與施工的快速開展。因此將全部“懸鏈線”梁做了近似統(tǒng)一，歸并成曲率半徑一致的“圓弧線”懸垂梁，并以此為前提，結(jié)合各展區(qū)的空間需求與可接受的梁高進(jìn)行反推，來優(yōu)化配置屋面的跨度比例與垂度。

調(diào)整立柱

懸垂梁方案確定后，張弦梁及立柱也結(jié)合建筑的空間布局進(jìn)行了深化。利用V型空間支撐及豎向地錨拉索來減小跨度，同時(shí)空間支撐與拉索圍合出半室外門廊，支撐內(nèi)部空間滿足設(shè)備需求。這一調(diào)整還顯著提高了整個(gè)體系的抗側(cè)能力。

支柱（支撐）配合建筑空間的設(shè)計(jì)演進(jìn)

紅色為倒梯形張弦梁，藍(lán)色為地錨拉索

 V型空間支撐安裝

V型支撐與地錨索間的半室外門廊空間

模數(shù)與預(yù)制

以間距2m為模數(shù)的H型鋼懸垂梁與屋面構(gòu)造的經(jīng)濟(jì)跨度相吻合，兼顧“檁條”的作用，使屋面的建筑構(gòu)造層次得以簡化。同時(shí)屋面瓦采用預(yù)制件嵌入屋面直立鎖邊板也提高了整體工效。

兼顧“檁條”的H型鋼懸垂梁

預(yù)制瓦組件

經(jīng)篩選比較與分析求證，懸垂梁系統(tǒng)采用間距2m、高度200mm的H型鋼（少量為方通），實(shí)現(xiàn)35.5+48+48+44+35.5m的五跨連續(xù)屋面。屋脊處的張弦梁中部高度6m、采用直徑475mm的圓管作為上弦，配以兩根直徑150mm的拉索和直徑194mm的撐桿。懸垂梁與張弦梁間，張弦梁與V型支撐柱間，直柱與地面間均采用鉸接連接。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意

紅色為張弦梁系統(tǒng)，藍(lán)色為懸垂梁系統(tǒng)

五跨連續(xù)空間到四個(gè)獨(dú)立展區(qū)

至此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢，但這時(shí)發(fā)生了一個(gè)重大的設(shè)計(jì)需求轉(zhuǎn)變，原本計(jì)劃作為整體使用的連續(xù)空間需要分割為四個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的展區(qū)。雖然現(xiàn)有結(jié)構(gòu)也可無縫對(duì)接這一需求，但結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與空間需求的一致性發(fā)生了背離。

展區(qū)間的空間分割帶來設(shè)置更多立柱的機(jī)會(huì)，四跨連續(xù)的排架結(jié)構(gòu)是可與其匹配的。

兩種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的比較

左：懸垂梁+張弦梁     右：屋面桁架+排架

經(jīng)過對(duì)綜合造價(jià)、加工周期、屋面構(gòu)造、室內(nèi)空間品質(zhì)以及長久而言的空間靈活性進(jìn)行比選后，仍采用了懸垂梁+張弦梁的方案。

基于這一方案，建筑師與結(jié)構(gòu)師對(duì)于空間分割的要求都沒有消極應(yīng)對(duì)。建筑師在空間分割區(qū)域增加了輔助功能空間。對(duì)于結(jié)構(gòu)師，雖然曲梁及屋面板組成的反向拱殼與屋面自重能夠完全抵抗風(fēng)吸力，但仍借此機(jī)會(huì)在空間分割處補(bǔ)充了抗風(fēng)輔助索，而拉索兼做內(nèi)幕墻的面板吊索。

修改后的功能與空間布局

棕色構(gòu)件為增加的輔助抗風(fēng)索

輔助抗風(fēng)索作為室內(nèi)幕墻板吊索

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的過程中，結(jié)構(gòu)與建筑功能、空間、形式、文化、建造等多方面因素均進(jìn)行了互動(dòng)。懸垂梁與“瓦屋面”在荷載與形態(tài)之間的匹配，張弦梁在各展區(qū)內(nèi)的空間支配作用，建筑形態(tài)多變的同時(shí)仍采用統(tǒng)一曲率構(gòu)件的設(shè)計(jì)構(gòu)思，兼顧結(jié)構(gòu)尺度與建筑空間效果的跨度比例配置都是建筑師與結(jié)構(gòu)師共同努力的成果。

得益于參建各方的艱苦奮戰(zhàn)，建筑師團(tuán)隊(duì)強(qiáng)大的數(shù)字化設(shè)計(jì)能力以及建筑結(jié)構(gòu)相融合的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目在極短的時(shí)間內(nèi)以特有的品質(zhì)得以呈現(xiàn)。雖然結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與最初的空間設(shè)想存在稍許偏差，但其提供完整空間的潛能是不變的。為建筑空間帶來的這份自由與價(jià)值，或許在未來仍有機(jī)會(huì)得以展現(xiàn)。

后記

在代代木國立競(jìng)技場(chǎng)出現(xiàn)的年代，設(shè)計(jì)非線性效應(yīng)顯著的半剛性結(jié)構(gòu)面臨各種困難，需要大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能實(shí)現(xiàn)。而如今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的大幅提升，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被參數(shù)化建模、非線性顯式分析、各種生形優(yōu)化算法強(qiáng)力加持，在數(shù)字虛擬空間中獲取絕大多數(shù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可用結(jié)果已經(jīng)不再困難，甚至即將面臨AI接替可量化與重復(fù)性工作的變革。

基于參數(shù)化工具的結(jié)構(gòu)生成與分析

結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)模型

建筑-結(jié)構(gòu)-工廠間基于高精度模型的設(shè)計(jì)交流是提高效率的關(guān)鍵之一

傳統(tǒng)的圖紙工作僅為輔助性參考

相對(duì)于前輩們，這些都是當(dāng)代工程師的巨大優(yōu)勢(shì)與機(jī)遇。而前輩們留下的那些“弱”計(jì)算，卻精于概念、經(jīng)驗(yàn)和推理的問題處理能力；利用綜合手段大膽求證的實(shí)踐創(chuàng)新能力；全局觀的統(tǒng)籌規(guī)劃能力；結(jié)構(gòu)植根于建筑精神中的設(shè)計(jì)思想；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的美學(xué)與哲學(xué)，是在計(jì)算分析之外給予當(dāng)代設(shè)計(jì)師的一份巨大財(cái)富。

施工記錄

2019.5.7 V型空間支撐安裝

2019.5.18  周邊部分屋面梁安裝

2019.5.28 地錨索及端部支撐安裝

2019.6.13 屋面主結(jié)構(gòu)及部分屋面板安裝

2019.7.3 半室外門廊內(nèi)幕墻

2019.9.10 室內(nèi)裝修完成

完成效果

張弦梁與天窗 ?是然建筑攝影

動(dòng)態(tài)起伏的屋頂 ?是然建筑攝影

主入口的端部地錨索 ?是然建筑攝影