本文授权转载自公众号和作结构建筑研究所（id：andoffice）

作者：张准

建成鸟瞰©田方方

结构设计的限制条件

本次介绍的项目位于乌镇核心镇区的西北角，整个场地被农宅、旅游项目以及已建成的一期展馆所包围。整个片区紧邻乌镇西栅古建筑群，在区域城镇化发展进程中，新老区域建筑交织，呈现出复杂的多样性。项目建成后作为2019世界互联网大会的新场馆。

总平面图

项目在2019年2月开始设计，但需要确保大会在同年10月顺利召开。7个月完成一个大型展馆的设计与施工，对所有参建单位都是严峻的挑战。设计单位需要精准的全局预判与把控能力，结构设计又在其中承担重要比例。

此场馆需要一个平面尺寸约90x200m的贯通无柱空间。建筑师希望以起伏的立面轮廓来适当削减大空间的尺度感，并呼应水乡连绵的屋顶。项目之初，建筑师设计了斜向屋脊使室内空间变得丰富，但是考虑到这样会产生更多的非标准化构件，进而影响工期，故将形态调整为平行的屋脊。

屋面早期意向

左：初始屋脊走向 右：调整后的平行屋脊

建筑师出于回应古镇风貌保护的要求，最终决定采用真瓦作为屋面材料，这与大跨展馆普遍采用的轻质屋面做法是不同的。

贯通空间、大跨度的重载屋面、工期紧便成了结构设计之初的限制条件。

悬垂受力系统与“瓦屋面”

对于大跨屋面，建筑师提出了在屋脊设置张弦梁，并作为采光天窗的设想。而在结构师的视角下，屋脊间的下弯曲线与梁的受荷形变具有内在的关联，是一种顺应受力的形态。因此轻巧的悬垂受力系统成为自然而然的选择。同时，悬垂受力又恰好对较重的“瓦屋面”进行了高效的力学回应。

汉诺威展馆8/9、世博会葡萄牙馆、代代木国立竞技场都是悬垂或悬索屋面的经典案例。它们分别使用了索桁架与预制混凝土板箱的搭配；柔性索与刚性混凝土屋面的搭配；悬索+悬垂梁及半刚性屋面板的搭配。

汉诺威展馆8/9 网络图片

世博会葡萄牙馆网络图片

代代木国立竞技场网络图片

在这三个结构系统中，索桁架具有最高的力学效率，但本项目的屋脊高低起伏、屋面跨度大小不一，不规则性带来的拉索张拉过程较复杂，不利于结构的快速建造。相比之下，代代木国立竞技场的半刚性悬垂系统具有更好的施工可控性。葡萄牙馆以自重抵抗风荷载则与较重的“瓦屋面”有异曲同工之感。

代代木国立竞技场结构系统网络图片

代代木国立竞技场的屋脊设置两根拉索，分别悬吊半幅屋面，钢曲梁及薄钢板组成半刚性屋面。基于上述系统的结构变体成为发展方向。

连续五跨的半刚性悬垂屋面

不同于代代木国立竞技场，本项目的半刚性悬垂屋面有连续五跨。虽然每个屋脊所采用的张弦梁竖向受荷刚度较好，但张弦梁的面外刚度以及整体抗扭转能力均相对较弱，两侧悬垂屋面对张弦梁的水平拖拽力需要精心调整优化，以便使其两侧的力差在各工况下都可控。

张弦梁作为弹性支点的五跨连续半刚性悬垂屋面

屋面端部以斜撑杆及竖向地锚索作为支座

倒梯形张弦梁两侧的拉力需要精心调整

以减小张弦梁的扭转变形

张弦梁两侧拖拽水平力的调整优化即是对于各区域屋面跨度与垂度的优化，虽然通过找型算法可以确定出梁的“悬链线”形态，以及获得各跨的最优垂度比例，但严格按找型曲线进行结构设计会存在大量具有微小尺寸差异的构件，阻碍加工与施工的快速开展。因此将全部“悬链线”梁做了近似统一，归并成曲率半径一致的“圆弧线”悬垂梁，并以此为前提，结合各展区的空间需求与可接受的梁高进行反推，来优化配置屋面的跨度比例与垂度。

调整立柱

悬垂梁方案确定后，张弦梁及立柱也结合建筑的空间布局进行了深化。利用V型空间支撑及竖向地锚拉索来减小跨度，同时空间支撑与拉索围合出半室外门廊，支撑内部空间满足设备需求。这一调整还显著提高了整个体系的抗侧能力。

支柱（支撑）配合建筑空间的设计演进

红色为倒梯形张弦梁，蓝色为地锚拉索

V型空间支撑安装

V型支撑与地锚索间的半室外门廊空间

模数与预制

以间距2m为模数的H型钢悬垂梁与屋面构造的经济跨度相吻合，兼顾“檩条”的作用，使屋面的建筑构造层次得以简化。同时屋面瓦采用预制件嵌入屋面直立锁边板也提高了整体工效。

兼顾“檩条”的H型钢悬垂梁

预制瓦组件

经筛选比较与分析求证，悬垂梁系统采用间距2m、高度200mm的H型钢（少量为方通），实现35.5+48+48+44+35.5m的五跨连续屋面。屋脊处的张弦梁中部高度6m、采用直径475mm的圆管作为上弦，配以两根直径150mm的拉索和直径194mm的撑杆。悬垂梁与张弦梁间，张弦梁与V型支撑柱间，直柱与地面间均采用铰接连接。

结构系统示意

红色为张弦梁系统，蓝色为悬垂梁系统

五跨连续空间到四个独立展区

至此结构系统设计完毕，但这时发生了一个重大的设计需求转变，原本计划作为整体使用的连续空间需要分割为四个可独立运行的展区。虽然现有结构也可无缝对接这一需求，但结构系统与空间需求的一致性发生了背离。

展区间的空间分割带来设置更多立柱的机会，四跨连续的排架结构是可与其匹配的。

两种结构系统的比较

左：悬垂梁+张弦梁 右：屋面桁架+排架

经过对综合造价、加工周期、屋面构造、室内空间品质以及长久而言的空间灵活性进行比选后，仍采用了悬垂梁+张弦梁的方案。

基于这一方案，建筑师与结构师对于空间分割的要求都没有消极应对。建筑师在空间分割区域增加了辅助功能空间。对于结构师，虽然曲梁及屋面板组成的反向拱壳与屋面自重能够完全抵抗风吸力，但仍借此机会在空间分割处补充了抗风辅助索，而拉索兼做内幕墙的面板吊索。

修改后的功能与空间布局

棕色构件为增加的辅助抗风索

辅助抗风索作为室内幕墙板吊索

在结构设计及优化的过程中，结构与建筑功能、空间、形式、文化、建造等多方面因素均进行了互动。悬垂梁与“瓦屋面”在荷载与形态之间的匹配，张弦梁在各展区内的空间支配作用，建筑形态多变的同时仍采用统一曲率构件的设计构思，兼顾结构尺度与建筑空间效果的跨度比例配置都是建筑师与结构师共同努力的成果。

得益于参建各方的艰苦奋战，建筑师团队强大的数字化设计能力以及建筑结构相融合的设计，项目在极短的时间内以特有的品质得以呈现。虽然结构系统与最初的空间设想存在稍许偏差，但其提供完整空间的潜能是不变的。为建筑空间带来的这份自由与价值，或许在未来仍有机会得以展现。

后记

在代代木国立竞技场出现的年代，设计非线性效应显著的半刚性结构面临各种困难，需要大量实验验证才能实现。而如今随着计算机技术的大幅提升，结构设计被参数化建模、非线性显式分析、各种生形优化算法强力加持，在数字虚拟空间中获取绝大多数复杂结构的可用结果已经不再困难，甚至即将面临AI接替可量化与重复性工作的变革。

基于参数化工具的结构生成与分析

结构深化设计模型

建筑-结构-工厂间基于高精度模型的设计交流是提高效率的关键之一

传统的图纸工作仅为辅助性参考

相对于前辈们，这些都是当代工程师的巨大优势与机遇。而前辈们留下的那些“弱”计算，却精于概念、经验和推理的问题处理能力；利用综合手段大胆求证的实践创新能力；全局观的统筹规划能力；结构植根于建筑精神中的设计思想；结构设计中的美学与哲学，是在计算分析之外给予当代设计师的一份巨大财富。

施工记录

2019.5.7 V型空间支撑安装

2019.5.18 周边部分屋面梁安装

2019.5.28 地锚索及端部支撑安装

2019.6.13 屋面主结构及部分屋面板安装

2019.7.3 半室外门廊内幕墙

2019.9.10 室内装修完成

完成效果

张弦梁与天窗 ©是然建筑摄影

动态起伏的屋顶 ©是然建筑摄影

主入口的端部地锚索 ©是然建筑摄影

完成效果 ©是然建筑摄影

设计单位：上海创盟国际建筑设计有限公司

项目年份：2019年

建筑面积：主馆 19466平方米

占地面积：主馆 18152平方米

主创建筑师：袁烽

项目建筑师：韩力

数字建造项目负责人：张雯

项目团队：

建筑：孔祥平，黄金玉，顾华健，陈浩，张浩波，李煜颖，楼宇，陶曦，金晋磎

室内：何福孜，王炬，王一飞，王拓盟，刘露文，唐静燕，崔萌萌，蒋海言

结构：张准，黄涛，王瑞

机电：王勇，魏大卫，张卿，陈正文，喻晓，陈建栋

景观：董楠楠，魏维轩，叶俊

灯光：胡国剑，强宏博，王振江，吴晓华，葛婷婷

导视系统：吴佳青，韩玥，王士卿

顾问单位：

数字建造：上海一造建筑智能工程有限公司

结构顾问：和作结构建筑研究所

幕墙顾问：浙江省武林建筑装饰集团有限公司

景观设计：都市绿创IUG

照明设计：RDI瑞国际照明设计

导视系统：凡璞品牌设计顾问（上海）有限公司

绿色节能：上海舜谷建筑工程技术有限公司

勘察单位：浙江大地岩土勘察有限责任公司

监理单位：浙江工程建设管理有限公司

施工单位：亚都建设集团有限公司

文章作者单位：同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司-都境设计院

特别鸣谢香港中文大学博士生陈军及同济大学硕士生夏晔在本文撰写过程中提供的帮助。