結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全問題是所有從事結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究的人們一生都要面對的問題，本文作者結(jié)合自己的工程設(shè)計實踐，簡述了當(dāng)代建筑師的設(shè)計思維對結(jié)構(gòu)設(shè)計安全所提出來的挑戰(zhàn)，并且，通過一個結(jié)構(gòu)設(shè)計師對當(dāng)今建筑設(shè)計潮流的感悟與認(rèn)識，提出了保障結(jié)構(gòu)設(shè)計安全所必須堅持的基本原則。文章最后，對參與當(dāng)代中國結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作者們提出了一些期望。
關(guān)鍵詞 建筑表達(dá) 結(jié)構(gòu)設(shè)計安全 建筑情感 爭議 結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐
■前言
一段時間以來，由法國巴黎戴高樂機(jī)場2E侯機(jī)廳通道部分倒塌事故引起的對結(jié)構(gòu)安全問題的討論成為業(yè)界甚至各種傳媒的熱門話題，由之引起的對國家大劇院以及各奧運在建項目進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全再認(rèn)識的聲音也不時傳起。特別是對正在設(shè)計施工中的奧運項目，按照政府決策部門的意見，建設(shè)單位組織結(jié)構(gòu)有關(guān)專家逐個項目地進(jìn)行了更為嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全評估。
結(jié)構(gòu)設(shè)計安全是我們所有從事結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作者必須面對和回答的問題，巴黎戴高樂機(jī)場事故是結(jié)構(gòu)在其設(shè)計使用壽命初期（投入運營一年），在常規(guī)荷載作用（沒有恐怖襲擊、沒有惡劣的區(qū)域突發(fā)自然災(zāi)害）的情況下發(fā)生的，就是說，一定是在結(jié)構(gòu)設(shè)計或施工的某個環(huán)節(jié)給結(jié)構(gòu)留下了致命的內(nèi)部缺陷才造成的，這一缺陷既可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計理論方面的，也可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)造方面的，既可能是結(jié)構(gòu)材料使用方面的，還可能是建造過程中的施工質(zhì)量控制方面的，等等。無論什么原因，這種結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)都是結(jié)構(gòu)設(shè)計原則所不允許的，引起我們的警覺也是應(yīng)該的。
另一方面，我們也還是應(yīng)該理性地、科學(xué)地、全面地分析和把握結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全問題。其實，追溯人類改造自然、改造世界的歷史足跡，我們還是有理由對當(dāng)代結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和建造技術(shù)的發(fā)展水平感到自豪的。雖然我們現(xiàn)在感覺是越來越累，越來越難，但是在力學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的有力支撐下，我們所從事的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造技術(shù)的發(fā)展還是基本上滿足了那些滿腦子求新求奇，求高求廣的所謂當(dāng)代建筑師的表達(dá)欲望與需求的。
■世界上沒有自由的結(jié)構(gòu)設(shè)計師，但假如沒有我們，也就沒有建筑表達(dá)的自由
建筑師設(shè)計東西，無非表達(dá)兩種需求，一種是傳統(tǒng)意義上的功能需求，另外一種就是表達(dá)建筑情感，或者說是通過建筑表達(dá)情感。這種情感表達(dá)方面的需求可能是來自公眾的，也可能是來自政府或領(lǐng)導(dǎo)意志的，還可能就是直接來自建筑師的美學(xué)修為的。建筑師可以利用建筑特有的元素，比如建筑材料的材質(zhì)、裝飾材料的色彩等進(jìn)行其建筑情感的表達(dá)，但是這種表達(dá)的效果和能力是有限的，建筑師更重要的手段則是借助結(jié)構(gòu)的能力完成這一表達(dá)需求，從這個意義上說，建筑師豐富的想象力既給結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了課題、帶來了挑戰(zhàn)，同時也就給結(jié)構(gòu)工程師帶來了風(fēng)險。
國家大劇院超大超深的地下結(jié)構(gòu)體量，橢球拋物面殼體屋頂和圍繞殼體的環(huán)形水池都是安得魯實現(xiàn)其劇院功能需求與其情感表達(dá)需求的手法和元素。為了在不超越人民大會堂的限定高度內(nèi)，完成劇場功能對豎向尺度的需求，“深入地下”是其自然的（也許是無奈的）選擇；橢球拋物面殼體屋頂罩住其下的三個功能劇場是建筑師進(jìn)行區(qū)域空間整和的一種手段，在這塊區(qū)域上的建筑物進(jìn)行這樣的整和處理我認(rèn)為是必要的；建筑師設(shè)置環(huán)形水池的目的在于其制造區(qū)域?qū)庫o氣氛的需要，這種建筑情感表達(dá)上的需求也是必要的。
國家大劇院總平面圖
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同樣的，在建的國家體育場（簡稱“鳥巢”）以及國家游泳中心（簡稱“水立方”）等標(biāo)志性建筑，她們不單單是承載著滿足舉辦奧運會各單項體育功能方面的需求，也還要承載著通過其“別樣”的建筑形象來表達(dá)全國人民百年奧運夢想成真的情感需求，承載著要為最出色的一屆奧運會留下最出色的“建筑遺產(chǎn)”的使命。
自然的，建筑師是無法單獨承擔(dān)這樣的使命的，必須依靠結(jié)構(gòu)工程師的支持來實現(xiàn)其“特別”的表達(dá)需求。或者說，結(jié)構(gòu)工程師在這個時侯是沒有選擇的自由的，只有絞盡腦汁為建筑師的這種需求尋找“解決方案”，于是，百年之前的理論物理學(xué)命題“泡沫理論”被結(jié)構(gòu)師拿來經(jīng)過有趣的數(shù)學(xué)變換，最終成了表達(dá)建筑師“看似無序的水分子結(jié)構(gòu)” 的最好載體。
國家游泳中心總平面圖
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■建筑結(jié)構(gòu)形式的爭議多半不是“好與不好”的問題，而是“值與不值”的問題
為了滿足建筑師們的“浪漫”需求，在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成方式無能為力的時候，結(jié)構(gòu)設(shè)計師就必須探索新的、非傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成方式。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本形式，可以說已經(jīng)被我們認(rèn)識的差不多了，但是，這種說法只是限于基本體系，并不意味著創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)形態(tài)可能性的減少，在擁有無限多樣的物種的豐富多彩的世界里，限定結(jié)構(gòu)形態(tài)的類型顯然是不恰當(dāng)?shù)摹?BR> 結(jié)構(gòu)工程師的任務(wù)就是在既要保證結(jié)構(gòu)安全同時又要滿足建筑美學(xué)需求的杠桿上尋找一個平衡點。只是，世界上終究沒有免費的午餐，當(dāng)各種或是張揚的、或是陌生的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)的時候，在結(jié)構(gòu)材料科學(xué)還沒有長足的發(fā)展的時候，在我們還不得不用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料去實現(xiàn)這樣一個個“浪漫”的需求的時候，對結(jié)構(gòu)安全的關(guān)注也就從來沒有象現(xiàn)在這樣引起一端又一端的“爭議”。
從一個結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作者的角度看待這些“爭議”，我認(rèn)為很多時候我們是可以在力學(xué)或規(guī)范的原則內(nèi)尋找到這個“平衡點”的，隨后的問題是，這會要我們付出多大的“代價”，或者說要我們支付多大的“結(jié)構(gòu)成本”？我認(rèn)為對這個我們要支付的成本“值與不值”的不同看法是對建筑結(jié)構(gòu)形式“爭議”的焦點問題。
其實，作為一個結(jié)構(gòu)工程師，常常是不能判斷建筑的形象與情感“效益”與結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的“成本”之間到底誰高誰底的，因為前者是很難量化的。我們所能做的就是在保證建筑功能與美學(xué)需求的諸種可選擇的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方式中找到成本較低的解決方案。
國家游泳中心南北剖面圖
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國家大劇院南北剖面圖
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例如，在國家大劇院工程結(jié)構(gòu)的第一輪初步設(shè)計時，法國ADP公司確定的結(jié)構(gòu)底板的頂面標(biāo)高為-26.0米，這個標(biāo)高受到了中國建筑與結(jié)構(gòu)工程師的質(zhì)疑，如此深的基槽，且不說開挖與降水的成本會很高，結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)的抗浮設(shè)計成本更是一項很大的投入，為此，我們建議在保證其建筑功能需要的前提下，盡可能提高建筑底面標(biāo)高，法方在修改后的初步設(shè)計中將這一標(biāo)高提高到了-22.0米。
與上述情形相反，國家游泳中心工程的建筑設(shè)計由于采用了ETFE雙層充氣膜，這種膜材的造價很高，所以，在相對深挖（增加基礎(chǔ)開挖與結(jié)構(gòu)抗浮成本）和抬升建筑總高度（增加圍護(hù)膜材的用量）的比較選擇中建筑師完全依賴的就是綜合成本最小化的原則。
■結(jié)構(gòu)工程師要給浪漫的建筑師和建筑師的浪漫設(shè)定一條底線
作為一名結(jié)構(gòu)工程師，我們還應(yīng)該清醒地認(rèn)識到，結(jié)構(gòu)科學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展遠(yuǎn)沒有達(dá)到可以令建筑師們的“浪漫思維”無約無束的境地。在實際結(jié)構(gòu)的建造過程中影響結(jié)構(gòu)安全的因素眾多，一方面，建筑結(jié)構(gòu)理論歸根結(jié)底是一門實驗科學(xué)，理論與實際的偏差不可避免，另一方面，建造技術(shù)的發(fā)展水平和區(qū)域差異以及施工質(zhì)量控制等等方面的諸多因素，都會給實際建造完成的建筑結(jié)構(gòu)安全性能帶來某種程度的不確定性。
所以，建筑師們在通過建筑表達(dá)其美學(xué)或情感需求的時候，結(jié)構(gòu)工程師們還是要給他們設(shè)定一條底線。這條底線不僅依賴于當(dāng)代人類對自然界的認(rèn)識水平，而且還依賴于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)技術(shù)與材料科學(xué)的發(fā)展水平，依賴于結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的發(fā)展水平。在某種程度上，我們可以允許他們突破某些“規(guī)范”條文的底線，但是不能允許他們突破“基本力學(xué)準(zhǔn)則”的底線。尤其是當(dāng)我們面對國外建筑師的時候，這一點做起來很難，譬如在和安德魯?shù)姆▏鳤DP團(tuán)隊合作設(shè)計國家大劇院的過程中，我們就經(jīng)歷了多次的“爭執(zhí)與說服”的過程。
國家游泳中心的設(shè)計過程也給了我們很多啟示，在建筑師浪漫的創(chuàng)意和結(jié)構(gòu)的可實現(xiàn)之間還是有較長的一段路要走的，因此，我們投入很多精力進(jìn)行了這種新型多面體空間鋼框架結(jié)構(gòu)的試驗研究，最終才可以保證這種結(jié)構(gòu)的安全、可靠。
鋼骨架結(jié)構(gòu)效果
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■不能認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計安全與結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)造性是永遠(yuǎn)的矛盾
實際上，對結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性的憂慮往往會束縛住我們結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)造性探索的步伐，雖然這種憂慮不是多余的。發(fā)生巴黎機(jī)場結(jié)構(gòu)倒塌事故后，我們聽到的幾乎都是對安德魯主持設(shè)計的建筑的一片懷疑之聲，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師們，尤其是從事重要公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程師們更是增添了更多的謹(jǐn)慎與小心。
我認(rèn)為，結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)始終是：按照建筑的功能與美學(xué)需求確定安全、合理的結(jié)構(gòu)體系；進(jìn)而依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所確定的原則對結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行符合結(jié)構(gòu)實際工作條件（性能）的分析；最終應(yīng)做到在規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限內(nèi)，在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的各種荷載作用下，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)是安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的。
為了實現(xiàn)這樣的使命，對結(jié)構(gòu)設(shè)計安全的自始至終的關(guān)切無疑是必要的，另一方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)造性不但是當(dāng)今建筑設(shè)計發(fā)展的必然要求，同時也是結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)自身發(fā)展的要求。國家大劇院、國家體育場、國家游泳中心以及新中央電視臺等建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的創(chuàng)造性探索可以為我們跟蹤當(dāng)今世界先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念提供一些線索，也可以讓我們檢視一下很多經(jīng)驗的、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計思維是否還適應(yīng)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展的要求。
“水立方”內(nèi)外效果圖
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因此我認(rèn)為，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師們在關(guān)注所設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)是否安全的同時，也還是應(yīng)該為結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)造性發(fā)展做一些探索。這兩者不總是矛盾的，雖然在各種新結(jié)構(gòu)的實踐過程中或是發(fā)生了很多爭議、或是走過了很多曲折的道路，但我始終認(rèn)為沒有結(jié)構(gòu)設(shè)計師參與的所謂建筑設(shè)計理念的創(chuàng)新都是無源之本，從這個意義上講，結(jié)構(gòu)設(shè)計師在確定建筑設(shè)計發(fā)展方向上的作用是舉足輕重的。
尤其是當(dāng)代中國的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作者，國家建設(shè)的飛速發(fā)展給我們提供了前所未有的結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐機(jī)會，在這個實踐過程中，我們是始終跟在所謂“西方世界先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計思維”后面，亦步亦趨，無所建樹，還是通過我們不斷的設(shè)計實踐與探索，爭取走在世界結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)發(fā)展的前列，這確實值得我們認(rèn)真去思考。
