建筑的表達(dá)需求與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全

提 要　
　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全問(wèn)題是所有從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究的人們一生都要面對(duì)的問(wèn)題，本文作者結(jié)合自己的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，簡(jiǎn)述了當(dāng)代建筑師的設(shè)計(jì)思維對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全所提出來(lái)的挑戰(zhàn)，并且，通過(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師對(duì)當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)潮流的感悟與認(rèn)識(shí)，提出了保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全所必須堅(jiān)持的基本原則。文章最后，對(duì)參與當(dāng)代中國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)安全 建筑情感 爭(zhēng)議 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐

■前言
　　一段時(shí)間以來(lái)，由法國(guó)巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)2E侯機(jī)廳通道部分倒塌事故引起的對(duì)結(jié)構(gòu)安全問(wèn)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(duì)國(guó)家大劇院以及各奧運(yùn)在建項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全再認(rèn)識(shí)的聲音也不時(shí)傳起。特別是對(duì)正在設(shè)計(jì)施工中的奧運(yùn)項(xiàng)目，按照政府決策部門的意見(jiàn)，建設(shè)單位組織結(jié)構(gòu)有關(guān)專家逐個(gè)項(xiàng)目地進(jìn)行了更為嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全評(píng)估。
　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全是我們所有從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作者必須面對(duì)和回答的問(wèn)題，巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)事故是結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用壽命初期（投入運(yùn)營(yíng)一年），在常規(guī)荷載作用（沒(méi)有恐怖襲擊、沒(méi)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(shuō)，一定是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或施工的某個(gè)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(jì)理論方面的，也可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)程中的施工質(zhì)量控制方面的，等等。無(wú)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(jì)原則所不允許的，引起我們的警覺(jué)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(jì)的安全問(wèn)題。其實(shí)，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(duì)當(dāng)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jué)是越來(lái)越累，越來(lái)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(jì)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(méi)有自由的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，但假如沒(méi)有我們，也就沒(méi)有建筑表達(dá)的自由

　　建筑師設(shè)計(jì)東西，無(wú)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(shuō)是通過(guò)建筑表達(dá)情感。這種情感表達(dá)方面的需求可能是來(lái)自公眾的，也可能是來(lái)自政府或領(lǐng)導(dǎo)意志的，還可能就是直接來(lái)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(gè)意義上說(shuō)，建筑師豐富的想象力既給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了課題、帶來(lái)了挑戰(zhàn)，同時(shí)也就給結(jié)構(gòu)工程師帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。
　　國(guó)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(shí)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(huì)堂的限定高度內(nèi)，完成劇場(chǎng)功能對(duì)豎向尺度的需求，“深入地下”是其自然的（也許是無(wú)奈的）選擇；橢球拋物面殼體屋頂罩住其下的三個(gè)功能劇場(chǎng)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(kù)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(guó)家大劇院

　　同樣的，在建的國(guó)家體育場(chǎng)（簡(jiǎn)稱“鳥(niǎo)巢”）以及國(guó)家游泳中心（簡(jiǎn)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(yùn)會(huì)各單項(xiàng)體育功能方面的需求，也還要承載著通過(guò)其“別樣”的建筑形象來(lái)表達(dá)全國(guó)人民百年奧運(yùn)夢(mèng)想成真的情感需求，承載著要為最出色的一屆奧運(yùn)會(huì)留下最出色的“建筑遺產(chǎn)”的使命。
　　自然的，建筑師是無(wú)法單獨(dú)承擔(dān)這樣的使命的，必須依靠結(jié)構(gòu)工程師的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)其“特別”的表達(dá)需求?；蛘哒f(shuō)，結(jié)構(gòu)工程師在這個(gè)時(shí)侯是沒(méi)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(lái)經(jīng)過(guò)有趣的數(shù)學(xué)變換，最終成了表達(dá)建筑師“看似無(wú)序的水分子結(jié)構(gòu)” 的最好載體。

國(guó)家游泳中心總平面圖

■建筑結(jié)構(gòu)形式的爭(zhēng)議多半不是“好與不好”的問(wèn)題，而是“值與不值”的問(wèn)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(wú)能為力的時(shí)候，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shuō)已經(jīng)被我們認(rèn)識(shí)的差不多了，但是，這種說(shuō)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(wú)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(shí)又要滿足建筑美學(xué)需求的杠桿上尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。只是，世界上終究沒(méi)有免費(fèi)的午餐，當(dāng)各種或是張揚(yáng)的、或是陌生的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)的時(shí)候，在結(jié)構(gòu)材料科學(xué)還沒(méi)有長(zhǎng)足的發(fā)展的時(shí)候，在我們還不得不用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料去實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)個(gè)“浪漫”的需求的時(shí)候，對(duì)結(jié)構(gòu)安全的關(guān)注也就從來(lái)沒(méi)有象現(xiàn)在這樣引起一端又一端的“爭(zhēng)議”。
　　從一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作者的角度看待這些“爭(zhēng)議”，我認(rèn)為很多時(shí)候我們是可以在力學(xué)或規(guī)范的原則內(nèi)尋找到這個(gè)“平衡點(diǎn)”的，隨后的問(wèn)題是，這會(huì)要我們付出多大的“代價(jià)”，或者說(shuō)要我們支付多大的“結(jié)構(gòu)成本”？我認(rèn)為對(duì)這個(gè)我們要支付的成本“值與不值”的不同看法是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)形式“爭(zhēng)議”的焦點(diǎn)問(wèn)題。
　　其實(shí)，作為一個(gè)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(shí)現(xiàn)的“成本”之間到底誰(shuí)高誰(shuí)底的，因?yàn)榍罢呤呛茈y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(shí)現(xiàn)方式中找到成本較低的解決方案。

國(guó)家游泳中心南北剖面圖

國(guó)家大劇院南北剖面圖

　　例如，在國(guó)家大劇院工程結(jié)構(gòu)的第一輪初步設(shè)計(jì)時(shí)，法國(guó)ADP公司確定的結(jié)構(gòu)底板的頂面標(biāo)高為-26.0米，這個(gè)標(biāo)高受到了中國(guó)建筑與結(jié)構(gòu)工程師的質(zhì)疑，如此深的基槽，且不說(shuō)開(kāi)挖與降水的成本會(huì)很高，結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)的抗浮設(shè)計(jì)成本更是一項(xiàng)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(jì)中將這一標(biāo)高提高到了-22.0米。
　　與上述情形相反，國(guó)家游泳中心工程的建筑設(shè)計(jì)由于采用了ETFE雙層充氣膜，這種膜材的造價(jià)很高，所以，在相對(duì)深挖（增加基礎(chǔ)開(kāi)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(shí)到，結(jié)構(gòu)科學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到可以令建筑師們的“浪漫思維”無(wú)約無(wú)束的境地。在實(shí)際結(jié)構(gòu)的建造過(guò)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(shí)驗(yàn)科學(xué)，理論與實(shí)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(huì)給實(shí)際建造完成的建筑結(jié)構(gòu)安全性能帶來(lái)某種程度的不確定性。
　　所以，建筑師們?cè)谕ㄟ^(guò)建筑表達(dá)其美學(xué)或情感需求的時(shí)候，結(jié)構(gòu)工程師們還是要給他們?cè)O(shè)定一條底線。這條底線不僅依賴于當(dāng)代人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)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(duì)國(guó)外建筑師的時(shí)候，這一點(diǎn)做起來(lái)很難，譬如在和安德魯?shù)姆▏?guó)ADP團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)國(guó)家大劇院的過(guò)程中，我們就經(jīng)歷了多次的“爭(zhēng)執(zhí)與說(shuō)服”的過(guò)程。
　　國(guó)家游泳中心的設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)現(xiàn)之間還是有較長(zhǎng)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(yàn)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

ETFE充氣枕結(jié)構(gòu)

■不能認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性是永遠(yuǎn)的矛盾

　　實(shí)際上，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的憂慮往往會(huì)束縛住我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǎng)結(jié)構(gòu)倒塌事故后，我們聽(tīng)到的幾乎都是對(duì)安德魯主持設(shè)計(jì)的建筑的一片懷疑之聲，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師們，尤其是從事重要公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所確定的原則對(duì)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(shí)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(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)這樣的使命，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全的自始至終的關(guān)切無(wú)疑是必要的，另一方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性不但是當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的必然要求，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)自身發(fā)展的要求。國(guó)家大劇院、國(guó)家體育場(chǎng)、國(guó)家游泳中心以及新中央電視臺(tái)等建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)理念提供一些線索，也可以讓我們檢視一下很多經(jīng)驗(yàn)的、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思維是否還適應(yīng)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的要求。

“水立方”內(nèi)外效果圖