建筑的表達需求與結構設計安全

提 要　
　　結構設計的安全問題是所有從事結構設計與研究的人們一生都要面對的問題，本文作者結合自己的工程設計實踐，簡述了當代建筑師的設計思維對結構設計安全所提出來的挑戰，并且，通過一個結構設計師對當今建筑設計潮流的感悟與認識，提出了保障結構設計安全所必須堅持的基本原則。文章最后，對參與當代中國結構設計實踐的結構設計工作者們提出了一些期望。

關鍵詞 建筑表達 結構設計安全 建筑情感 爭議 結構設計實踐

■前言
　　一段時間以來，由法國巴黎戴高樂機場2E侯機廳通道部分倒塌事故引起的對結構安全問題的討論成為業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行結構安全再認識的聲音也不時傳起。特別是對正在設計施工中的奧運項目，按照政府決策部門的意見，建設單位組織結構有關專家逐個項目地進行了更為嚴格的結構設計安全評估。
　　結構設計安全是我們所有從事結構設計與研究工作者必須面對和回答的問題，巴黎戴高樂機場事故是結構在其設計使用壽命初期（投入運營一年），在常規荷載作用（沒有恐怖襲擊、沒有惡劣的區域突發自然災害）的情況下發生的，就是說，一定是在結構設計或施工的某個環節給結構留下了致命的內部缺陷才造成的，這一缺陷既可能是結構設計理論方面的，也可能是結構設計構造方面的，既可能是結構材料使用方面的，還可能是建造過程中的施工質量控制方面的，等等。無論什么原因，這種結構破壞形態都是結構設計原則所不允許的，引起我們的警覺也是應該的。
　　另一方面，我們也還是應該理性地、科學地、全面地分析和把握結構設計的安全問題。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代結構設計理論和建造技術的發展水平感到自豪的。雖然我們現在感覺是越來越累，越來越難，但是在力學和材料科學發展的有力支撐下，我們所從事的結構設計與建造技術的發展還是基本上滿足了那些滿腦子求新求奇，求高求廣的所謂當代建筑師的表達欲望與需求的。

■世界上沒有自由的結構設計師，但假如沒有我們，也就沒有建筑表達的自由

　　建筑師設計東西，無非表達兩種需求，一種是傳統意義上的功能需求，另外一種就是表達建筑情感，或者說是通過建筑表達情感。這種情感表達方面的需求可能是來自公眾的，也可能是來自政府或領導意志的，還可能就是直接來自建筑師的美學修為的。建筑師可以利用建筑特有的元素，比如建筑材料的材質、裝飾材料的色彩等進行其建筑情感的表達，但是這種表達的效果和能力是有限的，建筑師更重要的手段則是借助結構的能力完成這一表達需求，從這個意義上說，建筑師豐富的想象力既給結構設計提出了課題、帶來了挑戰，同時也就給結構工程師帶來了風險。
　　國家大劇院超大超深的地下結構體量，橢球拋物面殼體屋頂和圍繞殼體的環形水池都是安得魯實現其劇院功能需求與其情感表達需求的手法和元素。為了在不超越人民大會堂的限定高度內，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行區域空間整和的一種手段，在這塊區域上的建筑物進行這樣的整和處理我認為是必要的；建筑師設置環形水池的目的在于其制造區域寧靜氣氛的需要，這種建筑情感表達上的需求也是必要的。

國家大劇院

　　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”的使命。
　　自然的，建筑師是無法單獨承擔這樣的使命的，必須依靠結構工程師的支持來實現其“特別”的表達需求。或者說，結構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命題“泡沫理論”被結構師拿來經過有趣的數學變換，最終成了表達建筑師“看似無序的水分子結構” 的最好載體。

國家游泳中心總平面圖

■建筑結構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，在傳統的結構構成方式無能為力的時候，結構設計師就必須探索新的、非傳統的結構構成方式。結構系統的基本形式，可以說已經被我們認識的差不多了，但是，這種說法只是限于基本體系，并不意味著創造新的結構形態可能性的減少，在擁有無限多樣的物種的豐富多彩的世界里，限定結構形態的類型顯然是不恰當的。
　　結構工程師的任務就是在既要保證結構安全同時又要滿足建筑美學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，當各種或是張揚的、或是陌生的結構形態出現的時候，在結構材料科學還沒有長足的發展的時候，在我們還不得不用傳統的結構材料去實現這樣一個個“浪漫”的需求的時候，對結構安全的關注也就從來沒有象現在這樣引起一端又一端的“爭議”。
　　從一個結構設計與研究工作者的角度看待這些“爭議”，我認為很多時候我們是可以在力學或規范的原則內尋找到這個“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“結構成本”？我認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構形式“爭議”的焦點問題。
　　其實，作為一個結構工程師，常常是不能判斷建筑的形象與情感“效益”與結構實現的“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需求的諸種可選擇的結構實現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

國家大劇院南北剖面圖

　　例如，在國家大劇院工程結構的第一輪初步設計時，法國ADP公司確定的結構底板的頂面標高為-26.0米，這個標高受到了中國建筑與結構工程師的質疑，如此深的基槽，且不說開挖與降水的成本會很高，結構壽命期內的抗浮設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高，法方在修改后的初步設計中將這一標高提高到了-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（增加基礎開挖與結構抗浮成本）和抬升建筑總高度（增加圍護膜材的用量）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。

■結構工程師要給浪漫的建筑師和建筑師的浪漫設定一條底線

　　作為一名結構工程師，我們還應該清醒地認識到，結構科學和材料科學的發展遠沒有達到可以令建筑師們的“浪漫思維”無約無束的境地。在實際結構的建造過程中影響結構安全的因素眾多，一方面，建筑結構理論歸根結底是一門實驗科學，理論與實際的偏差不可避免，另一方面，建造技術的發展水平和區域差異以及施工質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構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其美學或情感需求的時候，結構工程師們還是要給他們設定一條底線。這條底線不僅依賴于當代人類對自然界的認識水平，而且還依賴于現代結構技術與材料科學的發展水平，依賴于結構分析技術的發展水平。在某種程度上，我們可以允許他們突破某些“規范”條文的底線，但是不能允許他們突破“基本力學準則”的底線。尤其是當我們面對國外建筑師的時候，這一點做起來很難，譬如在和安德魯的法國ADP團隊合作設計國家大劇院的過程中，我們就經歷了多次的“爭執與說服”的過程。
　　國家游泳中心的設計過程也給了我們很多啟示，在建筑師浪漫的創意和結構的可實現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行了這種新型多面體空間鋼框架結構的試驗研究，最終才可以保證這種結構的安全、可靠。

鋼骨架結構效果

ETFE充氣枕結構

■不能認為結構設計安全與結構設計的創造性是永遠的矛盾

　　實際上，對結構設計安全性的憂慮往往會束縛住我們結構設計創造性探索的步伐，雖然這種憂慮不是多余的。發生巴黎機場結構倒塌事故后，我們聽到的幾乎都是對安德魯主持設計的建筑的一片懷疑之聲，結構設計工程師們，尤其是從事重要公共建筑結構設計的工程師們更是增添了更多的謹慎與小心。
　　我認為，結構設計的任務始終是：按照建筑的功能與美學需求確定安全、合理的結構體系；進而依據建筑結構可靠度設計有關標準所確定的原則對結構作用效應與結構抗力進行符合結構實際工作條件（性能）的分析；最終應做到在規定的結構設計使用年限內，在現行規范規定的各種荷載作用下，所設計的結構是安全可靠、經濟合理、技術先進的。
　　為了實現這樣的使命，對結構設計安全的自始至終的關切無疑是必要的，另一方面，結構設計的創造性不但是當今建筑設計發展的必然要求，同時也是結構設計技術自身發展的要求。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構設計方面的創造性探索可以為我們跟蹤當今世界先進的結構設計理念提供一些線索，也可以讓我們檢視一下很多經驗的、傳統的結構設計思維是否還適應現代結構設計發展的要求。

“水立方”內外效果圖

　　因此我認為，結構設計工程師們在關注所設計的建筑結構是否安全的同時，也還是應該為結構設計技術的創造性發展做一些探索。這兩者不總是矛盾的，雖然在各種新結構的實踐過程中或是發生了很多爭議、或是走過了很多曲折的道路，但我始終認為沒有結構設計師參與的所謂建筑設計理念的創新都是無源之本，從這個意義上講，結構設計師在確定建筑設計發展方向上的作用是舉足輕重的。
　　尤其是當代中國的結構設計工作者，國家建設的飛速發展給我們提供了前所未有的結構設計實踐機會，在這個實踐過程中，我們是始終跟在所謂“西方世界先進的結構設計思維”后面，亦步亦趨，無所建樹，還是通過我們不斷的設計實踐與探索，爭取走在世界結構設計技術發展的前列，這確實值得我們認真去思考。