建筑新材料新技术调研报告---同济大学综合楼调研

建筑新材料、新结构和新技术调研报告
——同济大学教学科研综合楼调研
[摘要]：通过调研分析同济大学教学科研综合楼的玻璃屋顶、玻璃幕墙、结构体系等外围护结构，了解新材料、新技术在其中的使用情况，并对其材料的选用、构造的形式以及具体的效果做出评价
[关键词]：同济大学教学科研综合楼“L”形单元中庭材料构造形式
Abstract: By investigating and analyzing the peripheral structure such as the glass roof、glass curtain wall and structure system of Teaching-research complex of Tongji University, learning about the application of new material and new technology in the peripheral structure, and making evaluation about the material selection、tectonic form and specific effect. Keywords: Teaching-research complex of Tongji University ; “L” unit ; Atrium ; Material ; Tectonic form
同济大学教学科研综合楼位于同济大学四平路校区，东侧临四平路，北侧临国康路，南侧与西侧分别紧临校史馆和桥梁工程设计院，在建筑南部与行政北楼之间的景观绿化广场使得高度近100米的综合楼有机地融入了校园之中而不显得突兀。

综合楼于2003年开始设计建造，2007年百年
校庆时投入使用，是集教学、科研以及办公为一体
的综合性建筑，建筑主体高度98m（地下1层，地
上21层），总建筑面积46240m2。

建筑主体方正纯
粹，在近50mx50m的正方形平面上，以16.2mx16.2m为基本模数单元，每3层使用层组成一个“L”形单元，再由7个“L”形单元螺旋错叠上升构成整个建筑的基本形体。

由于“L”形单元的错叠螺旋上升，使得建筑物中央产生了一个16.2mx16.2m的通高中庭，这成为整个综合楼无论是在空间组织、功能布局，还是在自然采光、自然通风上最为重要的核心要素。

同时整个建筑在结构上也由于“L”单元的螺旋上升而变得非常复杂，因为所有单元的质心势必也是呈螺旋上升的，而且楼板的开洞面积大于楼板面积的35%，导致建筑物属于平面特别不规则和竖向刚度不规则的高层建筑，在面临地震时会产生较大的扭矩，普通的框架、框剪等结构已经不能保证结构的安全性。

针对这些难题，综合楼最后采用了由方钢管混凝土框架+外围粘滞阻尼支撑组成的耗能支撑框架结构体系。

在平面布局上，整个建筑是以通高中庭为核心开展的。

在方案最初设计时，每层平面上的走道是与中庭隔开的，办公区域排列在过道两边，同时在四个面上分别设立了电梯等垂直交通空间。

这样的布局显得比较呆板，整个内部使用空间仿佛是与中庭隔离的，关系并不紧密，同时4处电梯把平面割得较碎，联系性其实并不强。

经过后来的优化完善，最后的平面布局将过道移到紧临中庭的位置，四周用来作为办公使用空间，同时将电梯数量减少到只有西南角与东北角两组电梯组，使得内部使用空间与中 庭的联系更加紧密有趣，可达性、连续性也都得到了保证。

在立面处理上，设计者使用了两
种不同的材料——4.0 m x 0.675m 的
定制波形铝板，以及4.0mx0.675m 、
4.0mx1.350m 两种模数的中空玻璃。

两种材料通过数字化设计错落相间，
简明有序又不失变化，表达了建筑外
形简单却内涵丰富的设计理念。

【1】
在建筑外围护结构方面，我将按
照从上至下的顺序介分别绍综合楼外围护结构在材料、构造与细部等方面
外立面中空玻璃窗与波形铝板
优化后建筑平面
优化前建筑平面
的一些特点以及自己的一些看法。

一、中庭玻璃顶部
进入综合楼内部后，最为吸引人的便是中央通高的中庭，解决了建筑的自然采光，也使得整栋建筑内部空间宽敞通透。

在设计屋顶时，
设计者充分考虑到了这方面的因素：顶层办公区
域不需要直接投射下来的自然采光，因此使用平
屋顶的形式，并将许多设备置于平屋顶上；而中
庭以及位于19层的公共空间需要大量自然采光，
因此屋顶使用了玻璃这一材料，以单元形式架设
在钢架之上，从而使顶部公共空间显得非常开阔
明亮。

同时，设计者还考虑到了屋顶的遮阳问题，
在玻璃顶下面设计了可全自动控制的遮阳卷帘，
将控制装置置于玻璃顶钢架下，利用类似升旗杆滑轮工作的原理来控制卷帘。

查阅资料后我又了解到在大中庭的顶部设计了多扇电动启闭的自然通风窗和4 台风量综合楼玻璃顶 屋顶遮阳卷帘 卷帘控制装置
屋顶遮阳卷帘工作原理猜想图
为4 090 m 3 / ( h*台) 的机械通风风机,，这些通风装置会与建筑中螺旋上升的公共空间部位玻璃幕墙上的可开启窗一道工作，成为整栋建筑实现自然通风的最主要保障。

针对该玻璃顶，尽管它的自然采光使顶部公共空间开阔明亮，也通过中央中庭为整栋建筑提供了充足的光线，但是我还是有两点实际的体会要说明一下：
第一就是虽然大面积的玻璃顶下设计安装了自动化控制的遮阳卷帘，但是在阳光较强的时候，由于太阳的直射，再加上建筑内自下上升的热气流，整个顶部空间其实是非常闷热的，毕竟遮阳卷帘属于内遮阳，大量的热量并没有因此而被反射出去，还是留在了顶部空气层中。

第二，我进入了综合楼的屋顶平台，发现整块玻璃顶并非水平铺展，而是从中间塌了下去，导致玻璃顶中间内凹，两边抬高。

我仔细观察后依然无法判断这是属于故意设计还是由于结构出现变形而导致屋顶的变形。

二、玻璃幕墙
综合楼内部除了中央通高中庭外，由于“L ”形
单元的螺旋错叠，也产生了围绕中央中庭螺旋上升
的大空隙，设计者在这些空隙嵌入异形功能体或休
憩平台等各类趣化空间元素，异形体内设置会议厅、
多媒体中心等。

“复杂而有序的建筑空间组合的实质
是营造可变量的实体单元与虚中有实、实中有虚的
多维空间之间交互式的对话关系，构筑满足高校多
元化动态教学研发功能要求的有效载体”。

【2】针对
这样的设计理念，设计者将这部分空间的外立面全
部设计成玻璃幕墙，以满足该空间所需的光照和空
间意境。

仔细观察该玻璃幕墙的细部构造，再从室外观
察，我认为综合楼采用的是隐框玻璃幕墙的构造方
法，这应该与设计者强调的外形简洁有关。

整个幕
墙由单元尺寸大约2700mmX1100mm 的中空玻璃窗
粘挂在钢架上，玻璃间缝隙再用密封条加以密封。

可以明显看出玻璃顶的变形
隐框玻璃幕墙构造如图：
采用隐框玻璃的构造方法是与其设计理念、内部空间相呼应的。

利用简洁的处理方法获得简洁的建筑立面，内部空间也显得干净统一。

只是考虑到硅酮结构胶30年以上的使用寿命，后期维修更换是否是一件工作量较大的事情呢？以及使用周期末的时候，整个玻璃幕墙的安全性又如何得到保证？我认为这是不得不考虑的问题。

在玻璃幕墙的底部都设有可开启推拉窗，
这与之前提到的玻璃顶上的通风设备是一同工
作的，这是整栋建筑节能减排的一个重要体现
点：“在使用空调的季节可利用机械排风风机在
夜间较为凉爽的8 h 将整栋大楼形成一个自下
螺旋而上的自然通风体，充分利用晚间的自然
冷却效果将夜间空气具有的冷量储存在建筑内，
以充分降低白天其余16 h 空调的冷负荷，能耗
上形成‘16- 8’这样的一种节能概念。

”【3】
同时，由于选用的是中空玻璃窗，因此整个玻
璃幕墙在保温隔热等方面是做的不错的。

三、中空玻璃窗与波形铝板
外立面的处理上，除了在公共大空隙处使用玻璃幕墙外，设计者在其他立面地方上选用了两种不同的材料——4.0 m x 0.675m 的定制波形铝板，以及4.0mx0.675m 、4.0mx1.350m 两种模数的中空玻璃。

两种材料通过参数化设计错落相间，简明有序，
与螺旋上升的玻璃幕墙建筑内部热气流图
形成虚实对比。

在构造上，中空玻璃采用了同玻璃幕墙相同的构造方
法，使得立面效果上做到了与波形铝板的无缝连接，从这
些细节可以看出设计者希望每一处细部所得到结果都能与
设计理念相呼应，这一点是非常值得我们学习的。

因此整
栋大楼所有的立面都是非常简洁有序的，与整个建筑形体
做到了呼应。

在外墙上还有些细节是比较有意思的。

比如在可开启
推拉窗的顶部，设计者设计了一块小小的挡板，用以防止
雨水从顶部缝隙处进入建筑内部。

四、结构
前面已经提到过综合楼由于特殊的形体以及大面积的楼板开洞，导致建筑物在面临地震时会产生较大的扭矩，最后的结构采用了由方钢管混凝土框架+外围粘滞阻尼支撑组成的耗能支撑框架结构体系。

为什么选择方钢管混凝土框架而非圆钢管混凝土框架呢？我认为主要有两点原因：第一是因为整个基地以及建筑的形态都是方形的，方钢管能够更好地融入到整个建筑空间中而不显得突兀；第二则是因为方钢管混凝土结构与圆钢管混凝土结构相比，具有节点简单、加工方便、施工周期短、便于采取防火板材等优点，考虑到当时工期的紧张性，因此采用了方钢管混凝土框架。

通过观察细部的照片，我们可以看出方钢管混凝土结构其实是在核心混凝土外围包了一圈钢管，将二者的优点结合在了一起：和传统混凝土框架相比其承载力得到了提高，和钢材相比则提高了耐火性等。

“阻尼支撑框架结构是目前框架结构消能减震设计中的常用形式。

在框架结构中设置阻尼支撑是为了减轻结构在强震中的反应, 以达到保护主体框架结构的目的”。

由于“L”形单元的螺旋错叠导致大楼面临地震时扭矩偏大，外围拉设阻尼支撑可以通过耗能减小扭矩，保护整栋大楼的安全。

在玻璃幕墙内部我还看见了如右图所示的空间钢架结构。

在没有钢架的幕墙一侧，我发现在钢立柱之间有一根细细的钢索将所有立柱连接在一起
因此我认为，由于楼板的缺失，使得立柱高度过高而不能
简单地用钢索来加强其稳固性，所以必须使用非常稳定的
空间钢架结构作为“楼板”来加强。

由于公共空间尺度较
大，因此这样的结构并未显得突兀，反而为这些简洁的大
空间增添了一道丰富美丽的投影。

结语：
通过此次调研，我发现了许多新东西，也学到了许多有趣实用的新知识。

总的说来，综合楼的外围护结构有许多地方是值得我们仔细研究和学习的，比如其玻璃幕墙的构造方式，比如屋顶自动控制的遮阳卷帘，以及其细部处理上与整个建筑和设计理念的呼应等等。

建筑师应该善于发现身边的问题并解决这些问题，在这样的一个过程中会收获很多。

同时对于构造而言，我认为我们应该多问问自己“为什么”，当看到一个有趣的细部时，想想它的构造可能会是怎样的，我觉得这是一个非常重要的积累的过程。

如果仅仅只是阅读一堆资料而不仔细想想具体的构造节点是怎样的，那我们还是只停留在一个表面的层次。

参考资料：
[1] 张鸿武，《创新·融合·动态场景——同济大学教学科研综合楼设计》，建筑学报，2005年9月
[2] 张鸿武，《创新·融合·动态场景——同济大学教学科研综合楼设计》，建筑学报，2005年9月
[3] 卫彦渊，《从关键性数据解读同济大学综合教学科研楼》，山西建筑，2008年11月
[4] 颜宏亮，《建筑特种构造》，同济大学出版社2008年12月
[5] 汪涛，陆伟东，《粘滞阻尼支撑框架结构弹塑性时程分析》，防灾减灾工程学报，2008年8月。