“ 水岸山居”结构设计的回顾与反思

052 建筑学报 2014 \ 01
作品 Works
4800 8400 4800 6000 4800 1 根据建筑设计提取的标准形式屋架立面
9600
4800
14400
19800
8400
10500
5600 7200 6000 4800 6000
实心方木
上弦杆 钢木组合构件 ( 双序列 ) 木构件
双矩形扁木
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
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。
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。
[ 申屠团兵 ] Shentu Tuanbing [ 陈永兵 ] Chen Yongbing [ 何剡江 ] He Shanjiang
作者单位 中国美术学院风景建筑设计研究院 ( 杭州，310012)
收稿日期 2013/11/26
我们自 2004 年开始完成了王澍老师作品的大部分结构设计。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。
上弦杆 上弦平面支撑
5 销轴连接节点
高强螺栓 M20(10.9s)
节点域齿板拼合
铰轴连接
带支撑 钢框架 7 屋盖的主要结构构成
斜向垂直支撑
支座斜腹杆 支座竖杆
单杆
齿板 双杆
标准屋架 非标准屋架 B
钢檩条外挑
屋盖外边界
双杆
单杆
4ห้องสมุดไป่ตู้×180 方木
齿钉
45×180 方木
30 100 30
30 100 30
本土营造观下结构与建筑设计的协作
—“水岸山居”结构设计的回顾与反思
Collaboration of Architectural Design with Structural Design on Local Construction Outlook
Retrospection and Reflection of Structural Design for the “Mountain Residence by Waterside”
钢木组合 ( 夹钢板 )
2 杆件截面的演化
钢木组合
钢木组合
( 夹 T 型钢 ) ( 夹扁钢加圆钢 )
3 按双序列布置钢骨的方案
上弦杆 木构件
钢木组合构件
4 按杆件内力布置钢骨的方案
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。
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。
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
ARCHITECTURAL JOURNAL 053
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
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
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)。
054 建筑学报 2014 \ 01
作品 Works
位移测点 ( 余同 )
应变测区 (2) D3
应变测区 (1) D2
应变测区 (3) D4
D1 应变测区 (6)
TD1 应变测区 (4)
应变测区 Z1
10 试验屋架测区分布
测试基准面
D5
( 钢管搭设 )
D6 D7
应变测区 (5) TD2
应变测区 Z2
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。
8 非标准屋架与标准屋架
非标准屋架 B 边界条件引起的大悬挑导致设计困难
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
2 屋盖木屋架设计回顾 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。
1 方案理解与体系 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
12 试验段夯土墙质量缺陷
11 施工现场葫芦拉纠偏钢骨
13 夯土墙成品
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)。
齿板
10mm 厚
螺栓孔
齿钉
13 10 13 齿板
点焊
4 齿钉 贯通齿板
6 销轴—齿板连接节点与齿板详图
上人孔
屋架支座
钢檩条架越
上人孔
非标准层架 A
屋架支座
屋架支座
屋架支座
标准屋架
屋架支座
屋架支座
双槽钢
箱梁
箱梁
原始方案 9 钢框梁截面的调整
结构方案
折中方案
非标准屋架 A 两端均缺少支座，结构受力上不成立