对王俊先生营造式创新设计的几点思考

对王俊先生营造式创新设计的几点思考

自2004年以来，我们完成了王树工作的大部分结构设计。他的每个营造式创新设计虽规模不大,但对结构设计的挑战不亚于现代大型的建筑设计。如“太湖房”的不规则小结构,既要清水混凝土效果,又对构件尺寸限制,必须综合应用现代先进结构技术和材料方可实现。营造式的建设同样不轻松。设计对规范限制的灵活应用在建设审批时通过也不容易;现代工人们生疏了的工艺实施也需先做试样并监管和处理;施工产品检验和验收标准还得协商细化;总之相比常规工程设计需投入几倍精力。结构工程师综合应用生活中形成的营造观念、经验、知识提供技术支持是建筑师的希冀。建筑创作的完美实施同样也是结构工程师的愿望。特殊结构的设计应从深入理解建筑师的创作意图入手,抓住重点寻求合理结构形式、成熟技术和乡土匠艺的创新应用。通过加强团队配合和有效的过程控制等手段实现建筑与结构设计的契合。多年配合的经验积累,我们已有较完备的建设团队并形成较好的默契。中国美术学院象山校园建设从二期建设之初到2009年热成型楼建设,无论从工程技术成熟度、过程和验收控制、建设各方协调性等各方面都有了很大提高。新近落成的“水岸山居”工程,大面积使用夯土墙和异形木屋盖顶篷的结构设计则意味着新挑战的开始。1对小青瓦屋盖和结构设计的探讨拿到建筑师称之为“瓦山”的方案之初,我们还是感到惊讶。虽然还是基于历史传承的创新应用,但相比以前作品变化还是有点大。既要符合现代使用功能和政策,又要保留来自民间自然原生态的营造工艺,方案所示的超长超高的夯土墙和特殊的屋盖顶篷木结构如何实现?这个建筑设计可明显分为下部主体建筑和上部整体木屋盖顶篷两部分。主体建筑平面分为7个独立的低层结构单元;以现浇钢筋混凝土框架为承重结构体系。木屋盖顶篷由下部主体建筑上设钢结构连接支承;虽平面超长,因本身变形协调性较好,可不设缝。这样结构整体就可以实现从上到下的木—钢—钢筋混凝土的过渡,形成较为特殊的上下混合结构体系。从结构设计的角度理解,屋盖顶篷除建筑美感和雨篷作用外基本不影响下部建筑使用功能,而雨篷在这里有2个特殊作用:1)为大量夯土墙提供整体性保护;2)由此形成双层屋盖,除了肯定有利于夏季的通风隔热,也非常智慧地解决了复杂的木结构杆件与下部结构的交接问题,设计因此受规范技术约束就相对较少。木屋架上小青瓦屋面可常规设计,技术重点和难点集中在木屋架上。建筑师设想的覆盖整体的屋盖顶篷以间距1.2m的密排木屋架为主结构。单榀屋架扩展到整体屋盖,需要解决单榀屋架平面外的稳定性和屋盖的整体性。结构设计相应地设置了3大支撑系统:屋盖上弦平面支撑、屋盖支座斜平面支撑、屋盖底部钢框架支撑。每榀屋架的受荷范围并不大,但最大跨度达19.8m。王澍老师设计的木屋架立面形式为较为随意的交叉杆,很新颖,类似人们安装在阳台上的金属伸缩晒衣架。从结构设计角度研究,可通过杆件交叉角度变化、增加各杆的销轴连接点就变为超静定的稳定结构。屋架销连交叉杆需要同时起到下弦杆和腹杆的作用,结构受力非常特殊。为达到杆件外观规格统一,杆件受力的变化可通过组合不同规格型钢来适应。回想江南乡村夯土墙情况和宁波五散房夯土墙的设计经验,我们比较担心大面积使用夯土墙如何避免大量裂缝和土体剥落等缺陷的出现。好在王澍老师通过学校的生土实验室已经做了不少研究。遵照绿色、环保、可再回收的理念,夯土墙原料取自本地,且仅用碎石、砂和黄土。试样成品达到了精细的装饰效果、土体剥落现象少。夯筑密实度和强度不仅从感官看足够,实验室还得出了结构强度和渗水性的量化结果。作为结构工程师,我们对美术学院的建筑学院实验室的研究结果多少有些不放心,为此,我们又拿美院实验室配比的夯土试块到浙江大学土工实验室再次测试,证明美院建筑学院实验室的研究结果是可靠的。为满足营造现代大空间和抗震安全的需求,生土夯土墙必须适用于框架填充墙。我们一开始就觉得这不是一个简单问题,尽可能把问题考虑在前,如考虑混凝土基础和楼面结构的承托和侧限,什么尺寸的分缝处理可满足与主体结构可靠连接和变形协调;同时需考虑预留夯筑施工作业空间、合理施工顺序以满足对墙体成品的保护。这些考虑必须与建筑师反复讨论,多年和王澍老师配合下来,我们知道他特别强调结构与构造作为建筑效果的一部分被真实表达,所以在他的作品里,几乎所有的结构问题同时也是建筑设计问题。在生土夯土墙与钢筋混凝土框架的结合问题上,结构与建筑之间就交流多次,最后形成了现在实施的T形断面的钢筋混凝土柱与生土夯土墙半咬合的做法,它的精确尺寸经过了王澍老师的亲自认定。2单双杆屋顶连接的提出及方案对整个屋盖结构体系有了初步的认识后,设计开始着手初步的试算工作。由于整个屋盖由拓扑结构基本一致的屋架演变而成,因此取出其中最具典型的标准形式的屋架(图1)作为切入点是一个比较合理的选择。由于屋架单双杆交叉布置及铰轴连接的特殊性,普通结构软件难以有效模拟,设计采用SAP2000进行空间杆系精细化建模和分析,较为准确地体现了屋架单双杆交叉布置及铰轴连接的特点。在建筑师最初的设想中,屋架的所有杆件均用单根实心方木形成,各杆件截面规格基本统一。结构初步试算后发现,对于部分受力较大的杆件,单纯的木材不能满足结构受力的需求。最简单的解决办法当然是加大截面尺寸,但这势必会破坏屋架立面的规律性,不被建筑师所接受。于是结构将目光投向了构件的材料组成上。在与建筑师沟通后,将原先的单根实心方木分成两根矩形扁木,再根据其受力需要夹入不同截面的钢骨形成钢木组合构件,从而有效提高承载力(图2)。另外,出于构件截面形式的统一,木材强度已能够胜任受力需求的杆件,也将单个实心方木改为双矩形扁木。这种做法带来的额外好处就是:原先单根杆件截面厚度过大,木材内部不均匀干缩容易形成较多的初始裂纹,对构件外观以及承载力均会有不利影响,而此类情况在截面厚度较薄的矩形扁木中就较少出现。在单根杆件的受力需求有了初步解决方案后,由此而产生的新问题就是如何合理地确定钢木组合构件在屋架杆件中的分布。最初设计考虑了两种方案:第一种是从力学概念出发,将屋架杆件分为主序列和次序列,在主序列杆件设置钢骨,次序列杆件中以纯木构件为主(图3);第二种是依据计算结果中的杆件内力分布情况,在受力较大的杆件中布置钢骨(图4)。经比较,最终方案以结构概念清晰,传力途径明确的第一种方案为主,同时从提高结构刚度和承载力的角度出发,结合计算结果在局部受力较大的非主序列杆件中也加入钢骨。在屋架单双杆交叉布置的体系中,连接是实现构件内力有效传递的关键节点,也是结构体系成立的必要条件。常规木结构采用齿板连接、高强螺栓加连接板等连接方式,但此类连接往往有较大面积的钢板外露对结构外观影响较大。本屋架的单双杆连接中统一采用了高强螺栓作销轴的连接方式,在木杆件表面只露出螺帽和垫片,连接主体均藏在杆件内部。销轴连接钢木组合构件,由于其内部钢骨刚度较大,节点受力主要通过钢骨与螺栓直接传递,因此具有较高的连接承载力和可靠性。而纯木构件靠高强螺栓挤压传递内力,会产生较大变形而承载力较低。当木材本身存在初始裂纹时,节点承载力更不能得到保证,离散性很大。若仅为提高连接的承载力而统一将所有构件均改为钢木组合件,显然是一种偷懒而不负责任的做法。因此连接节点的设计反而成为了整个屋架结构的关键图5)。权衡后,选择了将齿板与销轴连接结合的方式。杆件双木拼合很容易把齿板藏在两片木板中,再对穿螺栓形成销轴加齿板的连接方式,此类连接结合了齿板的力学优点和销轴的美学特点(图6)。这是本工程结构设计中的一个创新点。从单榀屋架扩展到整体屋盖,结构设计最初认为只需解决单榀屋架平面外的稳定性和屋盖的整体性即可。为此设置了3大支撑系统:屋盖上弦平面支撑、屋盖支座斜平面支撑、屋盖底部钢框架支撑(图7)。然而事实并非我们想象的那么简单,屋盖不规则的外边界和采光及上人需要在屋盖内部开设的孔洞衍生出的多种非标准屋架结构形式。甚至部分非标准屋架单纯从自身的边界条件出发在结构受力上是不成立的。无法对屋架本身结构做过多调整的情况下,设计通过钢檩条外挑或架越的方式,“借用”相邻屋架富余的承载力,达到整体屋盖结构安全的目标(图8)。另外由于三角形屋盖支座处产生较大的推力和扭矩,对其底部的钢框架提出了较高的受力要求。最初的建筑中要求下部钢梁为相对独立双槽钢拼合的做法,无法满足结构受力的要求。结构提出的双槽钢拼合成闭口箱型梁,由于其体积感过于庞大而不被接受。协调采取了相对折中的方案,将箱梁下翼缘上移形成异形的箱梁,保证结构底部仍然保有相对纤细的观感(图9)。考虑屋架形式的特殊及构造复杂,在正式实施之前进行一定的试验,无论是对设计结果的验证还是后期施工的经验积累都是十分必要的。足尺比例的单榀屋架试制和力学试验在象山校区现场进行,制作方法为各单杆工厂加工完成到现场实施高空散装。制作中发现,现场单独构件组装的方式会导致定位控制很困难,较难达到设计期望精度。通过试验,我们对屋架整体及连接节点的受力形式、破坏模态等有了比较直观的了解;同时对屋架试算过程中设定的各类力学假定也进行了逐一验证(图10)。尽管在设计对施工中可能出现的问题做了较为充分的准备,屋架整体试验的参与也为屋架实际施工积累了不少经验,在施工前期仍然出现了较多的问题。最大问题就是屋架施工方案的变化,在最初的设想中出于对安装精度的控制,要求屋架先在施工场地边上平地上分段组装,吊装至指定位置后再进行逐段拼接。但由于场地的原因无法实现,最后采取了原位高空安装的方式。最初施工中出现了较多的螺栓孔人为扩孔及严重偏位、主序列杆件钢骨架平面外翘曲等现象。设计在了解情况后及时提出了相应的螺栓孔修补方案和钢骨纠偏方案(图11)。在后续施工过程中采取了适当加厚钢骨板厚、要求设置满堂脚手架提供可靠支撑、编制合理的屋面铺瓦方案和施工支撑拆除方案等措施避免类似问题再次出现。3时间跨度、压力试验夯土墙作为非结构构件应满足抗震规范等的自身强度刚度、与主体结构可靠连接等要求。生土实验室试验样墙的成功已验证了基本的自身强度刚度。最初结构设计中,为确保夯土墙顺利穿越楼面及梁底夯筑密实性,采用梁倒角和楼面上翻混凝土踢脚的做法。在下部主体混凝土框架完成后开始了试验段夯土墙施工,现场出于工期考虑采用单皮900高大模板。夯筑至2层楼面以上时出现下部外鼓、裂缝、有单侧楼面支承的外墙外倾等质量缺陷(图12)。后通过施工加快脱模、进行一定龄期墙的压实系数、强度测试、墙体自身沉陷观测,发现试验墙基本达到最佳含水量、支承重强度足够的情况下,6m高的夯土墙自重下沉降达30mm。经设计与施工等各方协商认定,采取了适当减少墙高、减小设缝间距、墙端