對(duì)于一個(gè)4000多平方米的臨時(shí)性展館，在短短的設(shè)計(jì)建造周期里，中國(guó)館的合作方實(shí)在有點(diǎn)多：設(shè)計(jì)來(lái)自紐約和北京的團(tuán)隊(duì)，早期幕墻顧問(wèn)來(lái)自上海的EFC，結(jié)構(gòu)顧問(wèn)來(lái)自紐約的SGH和意大利的F&M Ingegneria，參數(shù)化工程師是日本人，機(jī)電顧問(wèn)是北京的清尚和意大利的F&M，而最后的施工總包是意大利的Bodino。
我們看到，中國(guó)建筑師越來(lái)越國(guó)際化，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的方式更嚴(yán)密地界定合同責(zé)任。可以預(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，國(guó)內(nèi)任何一個(gè)建筑團(tuán)隊(duì)都可以借用世界上很好的資源蓋房子，哪怕是一個(gè)很小的房子。這不僅僅是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)里有來(lái)自各個(gè)國(guó)家的人，而是真正使用各個(gè)國(guó)家的資源和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑的“多元化”和“多樣性”。
本期雜志的呈現(xiàn)方式正應(yīng)和此特點(diǎn)，邀請(qǐng)多方對(duì)不同問(wèn)題進(jìn)行對(duì)談，合作、碰撞、觀點(diǎn)、方案手稿和設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谥v述中展開(kāi)。今天AC君為各位帶來(lái)關(guān)于中國(guó)館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的干貨，多圖預(yù)警，請(qǐng)連好WIFI~
合作方并非僅僅是作為顧問(wèn)蜻蜓點(diǎn)水般地參加一些討論和會(huì)議，而是實(shí)實(shí)在在地與建筑師一起在推進(jìn)設(shè)計(jì)方案的變化和落地，很多溝通、討論和定案都是在互聯(lián)網(wǎng)上完成，到了施工階段，總包甚至在施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)畫(huà)一些節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)圖，然后直接拿到自己的加工場(chǎng)里預(yù)制。
中美意三方 設(shè)計(jì)和二次施工進(jìn)度圖表
參與對(duì)談的三方
建筑師團(tuán)隊(duì)
Studio Link-Arc
紐約結(jié)構(gòu)顧問(wèn)
SGH
主要配合建筑師，負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案到擴(kuò)初階段
意大利結(jié)構(gòu)顧問(wèn)
F&M Igegneria
對(duì)屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)模型進(jìn)一步檢驗(yàn)深化
結(jié)構(gòu)原則的確定
剛開(kāi)始合作時(shí)，SGH 在結(jié)構(gòu)概念上做了很多研究，展示了結(jié)構(gòu)的多種可能性。但我們基本保留了競(jìng)賽時(shí)的原始結(jié)構(gòu)形態(tài)。SGH從結(jié)構(gòu)出發(fā)，而我們從建筑空間出發(fā)，這是兩種不同的思路。
就屋頂而言，建筑的概念原則一開(kāi)始就非常明晰。第一，我們對(duì)建筑師所做的形式—山水天際線和城市天際線放樣，基本沒(méi)有修改，或者說(shuō)最后總是回到這個(gè)形式作為出發(fā)點(diǎn)。其次，就是找尋適合的材料實(shí)現(xiàn)形式，使其在結(jié)構(gòu)上成立，為建筑找尋恰當(dāng)?shù)慕獯?。要找到主要的結(jié)構(gòu)策略或系統(tǒng)，其中比較難的是屋面的幾何形態(tài)。
我們基本上做了兩個(gè)工作。第一個(gè)是決定在重點(diǎn)梁和檁條處是否需要使用鋼結(jié)構(gòu)。這些特殊的鋼梁支撐著檁條，與之一起構(gòu)成一個(gè)三維體系。之后，我們有了“五桁架”的想法，隨即開(kāi)始研究桁架如何工作、是否可以用簡(jiǎn)單的斜撐來(lái)實(shí)現(xiàn)桁架并結(jié)合屋面的幾何形體。我們?cè)跈_條豎向疊加的位置看到了實(shí)現(xiàn)的可能性，做出了一榀桁架，或者說(shuō)一榀傾斜的桁架。又在LED裝置的位置，實(shí)現(xiàn)了不被打斷的大跨度結(jié)構(gòu)，不需要任何柱子，這也是兩榀主要桁架出現(xiàn)的位置。
通過(guò)這個(gè)三維的屋面形式，我們有機(jī)會(huì)引入實(shí)施五桁架策略的結(jié)構(gòu)體系，將其做成斜肋構(gòu)架的一種演進(jìn)。發(fā)展這五榀桁架是至關(guān)重要的，但是要實(shí)現(xiàn)這些傾斜的桁架，在工程設(shè)計(jì)上要處理一些水平受力。基本上，是將一個(gè)二維的系統(tǒng)應(yīng)用于網(wǎng)格化的結(jié)構(gòu)，然后將之落實(shí)到三維系統(tǒng)中。在這個(gè)網(wǎng)格系統(tǒng)中，沒(méi)有使用斜撐，而是使用了桁架和其他支撐構(gòu)件以及梁與檁條之間相對(duì)復(fù)雜的連接。我們?cè)诹硪黄恼轮袑⒅Q為“斜撐構(gòu)架的演進(jìn)”。
五桁架的結(jié)構(gòu)概念非常簡(jiǎn)潔，對(duì)空間的影響最小。后來(lái)的發(fā)展深化都基于這個(gè)概念。
早期概念草圖 SGH
SGH屋頂結(jié)構(gòu)分析
五榀桁架平面草圖
項(xiàng)目的概念很清晰，也很有說(shuō)服力，派生出了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何形。用木材來(lái)實(shí)現(xiàn)是正確的，因?yàn)槟静目梢詫?shí)現(xiàn)從一面有著90度夾角的剖面到另一側(cè)有著很寬曲率的剖面過(guò)渡。而這兩種完全不同的幾何形體和線之間的過(guò)渡，以及盡可能減少下方支撐構(gòu)件，是屋面結(jié)構(gòu)深化的所有復(fù)雜性的源頭。兩者的結(jié)合是屋面結(jié)構(gòu)概念的起源。
進(jìn)入設(shè)計(jì)深化階段時(shí)，我們需要檢查設(shè)計(jì)是否符合意大利的相關(guān)法律、規(guī)范等。結(jié)構(gòu)體系必須是可以建造的，必須用當(dāng)前可以找到的加工體系、技術(shù)體系生產(chǎn)。這個(gè)過(guò)程引發(fā)了所有合作方針對(duì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)體系的探討，但并不是真正的簡(jiǎn)化，而是尋找結(jié)構(gòu)體系之間的聯(lián)系來(lái)引入梁的不同尺寸，這樣大部分的梁可以用膠合木制造而不需要過(guò)多的鋼加固，否則在給定的時(shí)間內(nèi)完成會(huì)非常困難。同樣重要的是，將每一個(gè)部件的尺寸合理化，使結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的裝配建造不需要很多支撐。所以對(duì)每一根梁、每一根檁條、每一個(gè)部件的尺寸都仔細(xì)研究過(guò)，使其能自承重，因此減少了下方支撐結(jié)構(gòu)，也減免了搭建腳手架、違背施工管理進(jìn)程的問(wèn)題。每一根梁的形狀都不相同，裝配過(guò)程，借鑒了工業(yè)化建造技術(shù)，每一段梁都標(biāo)了號(hào)，按順序裝上卡車，到現(xiàn)場(chǎng)吊車直接依次吊裝。現(xiàn)場(chǎng)在同一時(shí)間、同一部位可以有兩項(xiàng)或更多的工作一起進(jìn)行。
除此之外，我們還確定了一套鋼的主要網(wǎng)架。建議將一些梁和檁條做成全鋼的結(jié)構(gòu)部件，并且綜合到屋面的網(wǎng)格體系中，這讓施工也有了優(yōu)先次序。先樹(shù)立鋼結(jié)構(gòu)，然后是木梁—這樣一來(lái)，在木梁施工階段也不需要在屋面下方支起龐大的腳手架。施工的方法很大程度上受到結(jié)構(gòu)施工方與面層施工方之間的交叉影響。而中國(guó)館項(xiàng)目時(shí)間緊張，所以結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也要考慮這樣的需要。
材料選擇：LVL vs 膠合木
在探討過(guò)許多材料后，最終集中研究了兩種，LVL和膠合木。問(wèn)題主要集中在異形梁上—基本上每一根梁的形狀都不一樣。如果用LVL制造，就可以用數(shù)字化的生產(chǎn)方式，用CNC數(shù)控機(jī)床切割，然后拼裝部件即可。同時(shí)，在工程方面我們也在考慮是否需要用膠合木，主要原因是材料的強(qiáng)度。為使屋頂看起來(lái)比較合理，需要縮減結(jié)構(gòu)部件的尺寸。而且膠合木這種材料有不同的強(qiáng)度等級(jí)，比LVL的強(qiáng)度高很多。然而選擇膠合木，會(huì)犧牲快速的數(shù)字化生產(chǎn)拼裝。所以，在工程設(shè)計(jì)完成之后，如何才能快速生產(chǎn)出這些不同形狀的膠合木異形梁是真正的問(wèn)題。從建筑的角度，我們從不同方面反復(fù)討論了屋頂?shù)淖龇?。但是，?duì)梁以及有關(guān)梁的控制層面，我們有很清晰的共識(shí)作為判斷依據(jù)。
我們很難找到位于歐洲的LVL制造商。
當(dāng)我們向世博組織方匯報(bào)屋面設(shè)計(jì)時(shí)，仍保留了兩種材料選擇。最主要的LVL廠家之一位于芬蘭，而且在那時(shí)我們做出了LVL技術(shù)參數(shù)的表單。但是根據(jù)設(shè)計(jì)，這種材料的強(qiáng)度確實(shí)不夠。同樣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的梁的尺寸比膠合木的大出許多。雖然我們最后能夠找到LVL廠家，但是多次反復(fù)研究后，它并不適合。所以最后我們向世博會(huì)提交的最終選擇是膠合木。當(dāng)時(shí)，一些參選施工方也說(shuō)他們不具備LVL的知識(shí)，無(wú)法使用LVL，因此不會(huì)參與LVL的結(jié)構(gòu)投標(biāo)。
中國(guó)館非常好的一點(diǎn)是，不僅用木材創(chuàng)造出了非常好的空間，而且在空間體驗(yàn)過(guò)程中，人們可以確實(shí)地讀到結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)。相較而言，LVL是一種更新的材料。而膠合木在歐洲的發(fā)展已經(jīng)歷了上百年，是一種在歐洲有著歷史根源的建造技術(shù)。這也是為什么大家對(duì)LVL的使用有一些遲疑。歐洲許多制造商剛開(kāi)始時(shí)并不是制造商而是鋸木廠，隨著獲取木原料越來(lái)越難，逐漸成為了制造商。膠合木確實(shí)在北美和歐洲更常見(jiàn)。
每一個(gè)地區(qū)都有其側(cè)重的材料。比如，有一些地區(qū)有使用鋼材建造的傳統(tǒng)，因此不會(huì)去發(fā)展針對(duì)混凝土的技術(shù)或藝術(shù)。而瑞士則對(duì)混凝土非常精通，所有的建筑都用混凝土建造，有（我們?cè)诿绹?guó)夢(mèng)想的）專門(mén)針對(duì)不同門(mén)類的混凝土的建筑博覽會(huì)。對(duì)膠合木和實(shí)木部件的運(yùn)用也要考慮當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)技術(shù)的發(fā)展。對(duì)很多國(guó)家來(lái)說(shuō)，膠合木生產(chǎn)太貴了，也不適合進(jìn)口，對(duì)他們來(lái)說(shuō)確實(shí)沒(méi)道理這樣做。
我們也嘗試在歐洲以外的地區(qū)使用膠合木，或?qū)⒛z合木的生產(chǎn)技術(shù)出口。但是在中國(guó)使用膠合木在法規(guī)方面有許多困難。膠合木有一套自己的生產(chǎn)技術(shù)。粘合、認(rèn)證評(píng)定、檢測(cè)及生產(chǎn)需要的機(jī)器（盡管很簡(jiǎn)單），還是需要工廠來(lái)生產(chǎn)。一些客戶對(duì)此十分感興趣，但同時(shí)他們需要對(duì)此材料有足夠的自信來(lái)開(kāi)始試點(diǎn)工程。這是一種高性價(jià)比的材料，而且是可持續(xù)的，完全可以重新利用，而且有很好的質(zhì)量，可以和混凝土、鋼這樣的材料競(jìng)爭(zhēng)。關(guān)于使用壽命，已經(jīng)有很多很好的建筑實(shí)例存在了許多年，沒(méi)有任何損壞的跡象。（圖：13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、24、25、28）
SGH結(jié)構(gòu)分析
各品梁根據(jù)受力和撓度確定截面
Stratex與Link-arc進(jìn)行的膠合木疊合厚度分析
鋼屋面斜撐位置
Link-Arc斜撐節(jié)點(diǎn)提議草圖
三維模型的應(yīng)用：數(shù)字化生產(chǎn)及施工
我們深入?yún)⑴c了解決方法的探究，使施工方能在給定時(shí)間內(nèi)根據(jù)給定的方案建造并安裝。我們一開(kāi)始收到Link-Arc 的渲染圖和結(jié)構(gòu)研究的時(shí)候，對(duì)屋面的幾何形式感到十分意外。幾何形式非常復(fù)雜，每一根梁都是與眾不同的，而檁條又在空間中扭轉(zhuǎn)。然后我們開(kāi)始三維建模，并將我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體系與SGH 的作比較。轉(zhuǎn)折點(diǎn)是當(dāng)我們都認(rèn)識(shí)到與我們面談的木結(jié)構(gòu)施工方（從Albertani 到Stratex），都在用一個(gè)直接與梁和檁條的數(shù)控加工機(jī)器CAD/CAM 對(duì)接的三維建模軟件，而這個(gè)軟件正好與Link-Arc 用的三維模型軟件兼容。
于是，就有了建筑師的制作、檢查和工程師的工程設(shè)計(jì)之間的直接對(duì)接，這些三維模型直接傳輸?shù)焦S的機(jī)器上。軟件能夠互相解讀，從建筑師的三維模型生產(chǎn)出實(shí)際的結(jié)構(gòu)部件。這點(diǎn)對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)展具有積極的推動(dòng)意義。之前我們并不確定在不更換結(jié)構(gòu)體系或控制三維模型軟件的情況下，是否能夠嚴(yán)密控制幾何形體，當(dāng)Link-Arc 建筑師團(tuán)隊(duì)因?yàn)閷徝馈宀脑O(shè)置、防水、幕墻等原因作出一些變化時(shí)，也不確定是否能嚴(yán)密管理。這種技術(shù)確實(shí)很好，不過(guò)也需要模型非常準(zhǔn)確。在Stratex 的要求下，我們將每一根梁原來(lái)的自由曲線都用弧形和直線重新畫(huà)出，再做出三維模型發(fā)給Stratex。這跟他們自己的CAD/CAM 軟件的特性有關(guān)。有理化后的梁立面并沒(méi)有跟原來(lái)的自由形體產(chǎn)生太大出入，偏差在4 毫米左右。
15年前，還沒(méi)有數(shù)字化生產(chǎn)，這樣的幾何形體不可能實(shí)現(xiàn)，尤其是在這么短的時(shí)間內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)。
在工作流程方面，我們完全避免了制造圖的審核過(guò)程，而是通過(guò)檢查Stratex 的數(shù)字模型來(lái)檢查他們的工作。
這是一個(gè)行業(yè)發(fā)展的樣板，特別是各專業(yè)之間如何聯(lián)系。這樣的視角不是只專注于一個(gè)專業(yè)，工程、建筑或制造，而是多專業(yè)融合。這像是一種進(jìn)步的倒退，回到50 年前，施工的正是建筑師和工程師本人。
從膠合木制造的角度，中國(guó)館代表著我們的最高水平，因?yàn)椴](méi)有太多的案例將膠合木的半徑與曲率推到如此極致的地步，如此小的曲率半徑。這也意味著對(duì)制作膠合木梁用的薄板的厚度、切割、粘結(jié)和安裝方式的要求較高。對(duì)膠合木產(chǎn)業(yè)而言，這個(gè)項(xiàng)目中的每一個(gè)細(xì)部都是一種成就。一般來(lái)說(shuō)，制造的部件都有一定程度的重復(fù)。而在這個(gè)項(xiàng)目中，這種重復(fù)程度非常有限。
Stratex 的工作方式令人吃驚。我們有一次去參觀另一家制造商的工廠—他們有動(dòng)態(tài)模具能形成你想要的任何形狀。而最后選定的供應(yīng)商Stratex 并沒(méi)有這樣的模具，只是根據(jù)我們的立面用膠合木切割出鉆模，然后將模具焊接在地上來(lái)擬合鉆模的形狀，之后用CAD/CAM 數(shù)控加工梁，最后完成形狀。所以這個(gè)過(guò)程是舊的工藝結(jié)合了新的技術(shù)。
所有事情都由時(shí)間驅(qū)動(dòng)，也是要找到令甲方和我們都信服的制造商的因素。我認(rèn)為工廠必須要有動(dòng)態(tài)模具，但Stratex 在沒(méi)有動(dòng)態(tài)模具的情況下仍然能夠完成。這是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，使這個(gè)領(lǐng)域向更多的制造商開(kāi)放。
許多意大利供應(yīng)商有時(shí)真的能提出一些關(guān)于質(zhì)量和進(jìn)度的好想法。另一個(gè)值得闡述的細(xì)節(jié)，是所有梁與梁之間、梁與檁條之間的節(jié)點(diǎn)都是看不見(jiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)建筑的精準(zhǔn)傳達(dá)，所有的節(jié)點(diǎn)都隱藏在木結(jié)構(gòu)中。因?yàn)閹缀涡问胶軓?fù)雜，在許多部位的同一節(jié)點(diǎn)處有不同的受力值，導(dǎo)致鋼節(jié)點(diǎn)的尺寸不小。而這些鋼節(jié)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)觀察時(shí)，卻僅有非常小的一部分能被看見(jiàn)。這給制造過(guò)程帶來(lái)了困難，因?yàn)樗辛旱亩祟^都需要加工，為了保證非常精準(zhǔn)的形體和不同的設(shè)置—在每一個(gè)部件的傾斜度和位置上都有微小變化。盡管最后在現(xiàn)場(chǎng)有一些小麻煩，但總體來(lái)說(shuō)，數(shù)控制造帶來(lái)的控制對(duì)限定時(shí)間內(nèi)完成是至關(guān)重要的。
在意大利預(yù)制加工
臨時(shí)性設(shè)計(jì)思路：拆卸重建再利
世博會(huì)的一個(gè)特點(diǎn)是臨時(shí)性，只持續(xù)６～８?jìng)€(gè)月左右。一般來(lái)說(shuō)建筑是臨時(shí)結(jié)構(gòu)，但同時(shí)，也承載來(lái)自功能的壓力。
世博會(huì)建筑與永久建筑有許多不同。從結(jié)構(gòu)的切入點(diǎn)說(shuō)，臨時(shí)結(jié)構(gòu)意味著有更多的機(jī)會(huì)去做一些嘗試。另外一方面，臨時(shí)結(jié)構(gòu)有完全不同的設(shè)計(jì)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，荷載不一樣，細(xì)部設(shè)計(jì)也不一樣。在為臨時(shí)結(jié)構(gòu)做細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)，往往要更多地暴露細(xì)部，使細(xì)部更有存在感。而且需要考慮建造和拆卸的過(guò)程，要能夠快速地建造，在現(xiàn)場(chǎng)快速組裝。同樣，如果建筑僅僅在那里６個(gè)月，而你做了一個(gè)需要６個(gè)月去拆卸的混凝土結(jié)構(gòu)，那你必須反思這是否恰當(dāng)。所以細(xì)部設(shè)計(jì)也是為了拆解。
在意大利有一些設(shè)計(jì)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，比如，降低的荷載：因?yàn)榻ㄖ氖褂脡勖?。另一個(gè)非常重要的方面是如何拆卸、移除和處理材料。重新裝飾、再利用與最小化使用混凝土是第一位的。而且，節(jié)點(diǎn)最好是用螺栓固定，這樣能很容易地連接或拆開(kāi)。這和甲方的預(yù)算有關(guān)。主辦方常常會(huì)低估拆卸、運(yùn)輸和重新組裝的費(fèi)用。部分材料可能在拆卸與運(yùn)輸過(guò)程中損壞，而且在世界其他地方重建的費(fèi)用可能會(huì)很高。
我們?cè)?jīng)參與過(guò)倫佐·皮亞諾設(shè)計(jì)的一個(gè)可以移動(dòng)重建的臨時(shí)劇院建筑，也是膠合木結(jié)構(gòu)。膠合木很輕，便于移動(dòng)，非常適合這種臨時(shí)性。我們也曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)一些可以重新使用的展示館，一般會(huì)使用鋼結(jié)構(gòu)和PVC膜作維護(hù)。這是我們用的最多的材料，更多的是出于經(jīng)濟(jì)考慮而非展示。另外一個(gè)臨時(shí)建筑是我們?yōu)槿鹗康氖直碇圃焐烫└窈姥抛龅囊粋€(gè)完全可以拆卸的展示館，鋼梁及維護(hù)結(jié)構(gòu)都可以裝進(jìn)集裝箱，用卡車運(yùn)到不同的城市，并能在很短的時(shí)間內(nèi)組裝。
AC《建筑創(chuàng)作》
2015年第5期總第186期
從時(shí)代圖景到建構(gòu)表達(dá)
2015米蘭世博會(huì)中國(guó)館建筑實(shí)錄
感謝
中國(guó)館的設(shè)計(jì)建造是業(yè)主中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)協(xié)會(huì)、清華大學(xué)和美術(shù)學(xué)院、北京清尚建筑設(shè)計(jì)研究院、意大利建造企業(yè)博蒂諾Bodino Engineering，工程公司F&M Ingegneria、ATLV以及EFC幕墻顧問(wèn)等多方努力合作的結(jié)果。與本刊編輯更為密切的是Link-Arc建筑師事務(wù)所的所有參與者以及Ivi Diamantopoulou，尤其是陸軼辰、蔡沁文、鄧一泓等，為此次專輯提供了大量設(shè)計(jì)素材和專業(yè)論文。最后要感謝以張維宸和楊寯為代表的AC外聘翻譯團(tuán)隊(duì)在有限的時(shí)間里給予的高質(zhì)量專業(yè)化中英文譯本。(本文來(lái)源： 2015-11-20 AC編輯部 AC建筑創(chuàng)作)
