對王俊先生營造式創新設計的幾點思考

自2004年以來，我們完成了王樹工作的大部分結構設計。他的每個營造式創新設計雖規模不大,但對結構設計的挑戰不亞于現代大型的建筑設計。如“太湖房”的不規則小結構,既要清水混凝土效果,又對構件尺寸限制,必須綜合應用現代先進結構技術和材料方可實現。營造式的建設同樣不輕松。設計對規范限制的靈活應用在建設審批時通過也不容易;現代工人們生疏了的工藝實施也需先做試樣并監管和處理;施工產品檢驗和驗收標準還得協商細化;總之相比常規工程設計需投入幾倍精力。結構工程師綜合應用生活中形成的營造觀念、經驗、知識提供技術支持是建筑師的希冀。建筑創作的完美實施同樣也是結構工程師的愿望。特殊結構的設計應從深入理解建筑師的創作意圖入手,抓住重點尋求合理結構形式、成熟技術和鄉土匠藝的創新應用。通過加強團隊配合和有效的過程控制等手段實現建筑與結構設計的契合。多年配合的經驗積累,我們已有較完備的建設團隊并形成較好的默契。中國美術學院象山校園建設從二期建設之初到2009年熱成型樓建設,無論從工程技術成熟度、過程和驗收控制、建設各方協調性等各方面都有了很大提高。新近落成的“水岸山居”工程,大面積使用夯土墻和異形木屋蓋頂篷的結構設計則意味著新挑戰的開始。1對小青瓦屋蓋和結構設計的探討拿到建筑師稱之為“瓦山”的方案之初,我們還是感到驚訝。雖然還是基于歷史傳承的創新應用,但相比以前作品變化還是有點大。既要符合現代使用功能和政策,又要保留來自民間自然原生態的營造工藝,方案所示的超長超高的夯土墻和特殊的屋蓋頂篷木結構如何實現?這個建筑設計可明顯分為下部主體建筑和上部整體木屋蓋頂篷兩部分。主體建筑平面分為7個獨立的低層結構單元;以現澆鋼筋混凝土框架為承重結構體系。木屋蓋頂篷由下部主體建筑上設鋼結構連接支承;雖平面超長,因本身變形協調性較好,可不設縫。這樣結構整體就可以實現從上到下的木—鋼—鋼筋混凝土的過渡,形成較為特殊的上下混合結構體系。從結構設計的角度理解,屋蓋頂篷除建筑美感和雨篷作用外基本不影響下部建筑使用功能,而雨篷在這里有2個特殊作用:1)為大量夯土墻提供整體性保護;2)由此形成雙層屋蓋,除了肯定有利于夏季的通風隔熱,也非常智慧地解決了復雜的木結構桿件與下部結構的交接問題,設計因此受規范技術約束就相對較少。木屋架上小青瓦屋面可常規設計,技術重點和難點集中在木屋架上。建筑師設想的覆蓋整體的屋蓋頂篷以間距1.2m的密排木屋架為主結構。單榀屋架擴展到整體屋蓋,需要解決單榀屋架平面外的穩定性和屋蓋的整體性。結構設計相應地設置了3大支撐系統:屋蓋上弦平面支撐、屋蓋支座斜平面支撐、屋蓋底部鋼框架支撐。每榀屋架的受荷范圍并不大,但最大跨度達19.8m。王澍老師設計的木屋架立面形式為較為隨意的交叉桿,很新穎,類似人們安裝在陽臺上的金屬伸縮曬衣架。從結構設計角度研究,可通過桿件交叉角度變化、增加各桿的銷軸連接點就變為超靜定的穩定結構。屋架銷連交叉桿需要同時起到下弦桿和腹桿的作用,結構受力非常特殊。為達到桿件外觀規格統一,桿件受力的變化可通過組合不同規格型鋼來適應。回想江南鄉村夯土墻情況和寧波五散房夯土墻的設計經驗,我們比較擔心大面積使用夯土墻如何避免大量裂縫和土體剝落等缺陷的出現。好在王澍老師通過學校的生土實驗室已經做了不少研究。遵照綠色、環保、可再回收的理念,夯土墻原料取自本地,且僅用碎石、砂和黃土。試樣成品達到了精細的裝飾效果、土體剝落現象少。夯筑密實度和強度不僅從感官看足夠,實驗室還得出了結構強度和滲水性的量化結果。作為結構工程師,我們對美術學院的建筑學院實驗室的研究結果多少有些不放心,為此,我們又拿美院實驗室配比的夯土試塊到浙江大學土工實驗室再次測試,證明美院建筑學院實驗室的研究結果是可靠的。為滿足營造現代大空間和抗震安全的需求,生土夯土墻必須適用于框架填充墻。我們一開始就覺得這不是一個簡單問題,盡可能把問題考慮在前,如考慮混凝土基礎和樓面結構的承托和側限,什么尺寸的分縫處理可滿足與主體結構可靠連接和變形協調;同時需考慮預留夯筑施工作業空間、合理施工順序以滿足對墻體成品的保護。這些考慮必須與建筑師反復討論,多年和王澍老師配合下來,我們知道他特別強調結構與構造作為建筑效果的一部分被真實表達,所以在他的作品里,幾乎所有的結構問題同時也是建筑設計問題。在生土夯土墻與鋼筋混凝土框架的結合問題上,結構與建筑之間就交流多次,最后形成了現在實施的T形斷面的鋼筋混凝土柱與生土夯土墻半咬合的做法,它的精確尺寸經過了王澍老師的親自認定。2單雙桿屋頂連接的提出及方案對整個屋蓋結構體系有了初步的認識后,設計開始著手初步的試算工作。由于整個屋蓋由拓撲結構基本一致的屋架演變而成,因此取出其中最具典型的標準形式的屋架(圖1)作為切入點是一個比較合理的選擇。由于屋架單雙桿交叉布置及鉸軸連接的特殊性,普通結構軟件難以有效模擬,設計采用SAP2000進行空間桿系精細化建模和分析,較為準確地體現了屋架單雙桿交叉布置及鉸軸連接的特點。在建筑師最初的設想中,屋架的所有桿件均用單根實心方木形成,各桿件截面規格基本統一。結構初步試算后發現,對于部分受力較大的桿件,單純的木材不能滿足結構受力的需求。最簡單的解決辦法當然是加大截面尺寸,但這勢必會破壞屋架立面的規律性,不被建筑師所接受。于是結構將目光投向了構件的材料組成上。在與建筑師溝通后,將原先的單根實心方木分成兩根矩形扁木,再根據其受力需要夾入不同截面的鋼骨形成鋼木組合構件,從而有效提高承載力(圖2)。另外,出于構件截面形式的統一,木材強度已能夠勝任受力需求的桿件,也將單個實心方木改為雙矩形扁木。這種做法帶來的額外好處就是:原先單根桿件截面厚度過大,木材內部不均勻干縮容易形成較多的初始裂紋,對構件外觀以及承載力均會有不利影響,而此類情況在截面厚度較薄的矩形扁木中就較少出現。在單根桿件的受力需求有了初步解決方案后,由此而產生的新問題就是如何合理地確定鋼木組合構件在屋架桿件中的分布。最初設計考慮了兩種方案:第一種是從力學概念出發,將屋架桿件分為主序列和次序列,在主序列桿件設置鋼骨,次序列桿件中以純木構件為主(圖3);第二種是依據計算結果中的桿件內力分布情況,在受力較大的桿件中布置鋼骨(圖4)。經比較,最終方案以結構概念清晰,傳力途徑明確的第一種方案為主,同時從提高結構剛度和承載力的角度出發,結合計算結果在局部受力較大的非主序列桿件中也加入鋼骨。在屋架單雙桿交叉布置的體系中,連接是實現構件內力有效傳遞的關鍵節點,也是結構體系成立的必要條件。常規木結構采用齒板連接、高強螺栓加連接板等連接方式,但此類連接往往有較大面積的鋼板外露對結構外觀影響較大。本屋架的單雙桿連接中統一采用了高強螺栓作銷軸的連接方式,在木桿件表面只露出螺帽和墊片,連接主體均藏在桿件內部。銷軸連接鋼木組合構件,由于其內部鋼骨剛度較大,節點受力主要通過鋼骨與螺栓直接傳遞,因此具有較高的連接承載力和可靠性。而純木構件靠高強螺栓擠壓傳遞內力,會產生較大變形而承載力較低。當木材本身存在初始裂紋時,節點承載力更不能得到保證,離散性很大。若僅為提高連接的承載力而統一將所有構件均改為鋼木組合件,顯然是一種偷懶而不負責任的做法。因此連接節點的設計反而成為了整個屋架結構的關鍵圖5)。權衡后,選擇了將齒板與銷軸連接結合的方式。桿件雙木拼合很容易把齒板藏在兩片木板中,再對穿螺栓形成銷軸加齒板的連接方式,此類連接結合了齒板的力學優點和銷軸的美學特點(圖6)。這是本工程結構設計中的一個創新點。從單榀屋架擴展到整體屋蓋,結構設計最初認為只需解決單榀屋架平面外的穩定性和屋蓋的整體性即可。為此設置了3大支撐系統:屋蓋上弦平面支撐、屋蓋支座斜平面支撐、屋蓋底部鋼框架支撐(圖7)。然而事實并非我們想象的那么簡單,屋蓋不規則的外邊界和采光及上人需要在屋蓋內部開設的孔洞衍生出的多種非標準屋架結構形式。甚至部分非標準屋架單純從自身的邊界條件出發在結構受力上是不成立的。無法對屋架本身結構做過多調整的情況下,設計通過鋼檁條外挑或架越的方式,“借用”相鄰屋架富余的承載力,達到整體屋蓋結構安全的目標(圖8)。另外由于三角形屋蓋支座處產生較大的推力和扭矩,對其底部的鋼框架提出了較高的受力要求。最初的建筑中要求下部鋼梁為相對獨立雙槽鋼拼合的做法,無法滿足結構受力的要求。結構提出的雙槽鋼拼合成閉口箱型梁,由于其體積感過于龐大而不被接受。協調采取了相對折中的方案,將箱梁下翼緣上移形成異形的箱梁,保證結構底部仍然保有相對纖細的觀感(圖9)。考慮屋架形式的特殊及構造復雜,在正式實施之前進行一定的試驗,無論是對設計結果的驗證還是后期施工的經驗積累都是十分必要的。足尺比例的單榀屋架試制和力學試驗在象山校區現場進行,制作方法為各單桿工廠加工完成到現場實施高空散裝。制作中發現,現場單獨構件組裝的方式會導致定位控制很困難,較難達到設計期望精度。通過試驗,我們對屋架整體及連接節點的受力形式、破壞模態等有了比較直觀的了解;同時對屋架試算過程中設定的各類力學假定也進行了逐一驗證(圖10)。盡管在設計對施工中可能出現的問題做了較為充分的準備,屋架整體試驗的參與也為屋架實際施工積累了不少經驗,在施工前期仍然出現了較多的問題。最大問題就是屋架施工方案的變化,在最初的設想中出于對安裝精度的控制,要求屋架先在施工場地邊上平地上分段組裝,吊裝至指定位置后再進行逐段拼接。但由于場地的原因無法實現,最后采取了原位高空安裝的方式。最初施工中出現了較多的螺栓孔人為擴孔及嚴重偏位、主序列桿件鋼骨架平面外翹曲等現象。設計在了解情況后及時提出了相應的螺栓孔修補方案和鋼骨糾偏方案(圖11)。在后續施工過程中采取了適當加厚鋼骨板厚、要求設置滿堂腳手架提供可靠支撐、編制合理的屋面鋪瓦方案和施工支撐拆除方案等措施避免類似問題再次出現。3時間跨度、壓力試驗夯土墻作為非結構構件應滿足抗震規范等的自身強度剛度、與主體結構可靠連接等要求。生土實驗室試驗樣墻的成功已驗證了基本的自身強度剛度。最初結構設計中,為確保夯土墻順利穿越樓面及梁底夯筑密實性,采用梁倒角和樓面上翻混凝土踢腳的做法。在下部主體混凝土框架完成后開始了試驗段夯土墻施工,現場出于工期考慮采用單皮900高大模板。夯筑至2層樓面以上時出現下部外鼓、裂縫、有單側樓面支承的外墻外傾等質量缺陷(圖12)。后通過施工加快脫模、進行一定齡期墻的壓實系數、強度測試、墻體自身沉陷觀測,發現試驗墻基本達到最佳含水量、支承重強度足夠的情況下,6m高的夯土墻自重下沉降達30mm。經設計與施工等各方協商認定,采取了適當減少墻高、減小設縫間距、墻端