結構細節成就建築之美-淺談建築外露鋼結構

一、前言

鋼結構在鋼材開始成為重要建築材料以來，就在湧現出來不少經典外露鋼結構案例，包括建築、橋樑，最典型有埃菲爾鐵塔。而埃菲爾設計另一地標性項目紐約自由女神像，雖然也採用鋼結構，卻不是外露結構。70年代興起的建築「高技派」強調結構與建築的融合，以及對結構表達更多的關注，出現一批高技派建築大師及其代表作，例如倫佐‧皮亞諾（Renzo Piano）和英國的理查德‧羅傑斯（Richard Rogers）設計的喬治‧蓬皮杜國家藝術文化中心；有些高技建築代表作具有很強的結構美學外露特徵，如Santiago Calatrava設計。

 

©matteobenedetti

此外外立面幕牆、天幕等通透建築大量採用，一些新穎支撐體系也促進外露鋼結構發展。這些建築進一步探索和發揮鋼結構連接件作為細部裝飾美學要求。

二、什麼是建築外露鋼結構？

1、建築上暴露的結構鋼（AESS）是必須滿足兩個要求：

1）必須設計成在結構上足以滿足建築物，頂篷或輔助結構的主要需求，

2）同時又要暴露在外，構成了建築物建築語言的重要組成部分。

建築外露的結構鋼（AESS）將美學重點放在建築物的結構完整性上。 這些標誌性結構可能產生驚人的視覺衝擊，因為鋼的形狀，錐形形狀，曲線，顏色和表面處理幾乎是無限的。

當結構細節作為建築美學重要一環時，無論設計還是製造商都需要為之付出巨大的努力，可是很多時候，最終交付的產品事與願違。當掀起她的蓋頭來，為什麼會是這個效果：

© Photo courtesy of AISC

© Ron Blunt

 

很多情況下，我們可能會埋怨鋼構加工單位、安裝單位的不用心或者低價或者因為工期緊，其實不盡然! 今天這篇文章我們就談一談如何實現外露鋼結構的美學效果。           

三、協調、協調、協調——多專業協調是關鍵 

如果追根朔源，最主要的原因是建築師、結構工程師、製造商之間協調嚴重脫機，建築師對這些外露鋼結構美學意圖，在圖紙/合同上沒有明確要求！只要在建築師，工程師和製造商之間保持清晰的意圖溝通，交付一個成功的AESS結構並不困難。與常規結構鋼結構相比，AESS對節點形式、製造，安裝和塗層的形狀，配合和表面處理有更高的要求。在整個開發過程中必須考慮這些因素。因此，建築師在與工程師和製造商之間的相互溝通就變得至關重要，同時也影響了製作安裝的成本。這種溝通已經不是傳統由建築師—結構工程師—承包商線性漸進方式，而是必須採用交互式設計協調方式,也就是設計—建造一體化設計。

從線性協調到交互式設計—建造一體化設計協調

這些協調主要包括如下內容以及建築可接受外觀要求：

• 構件可見程度

• 可視距離

• 位置

• 燈光效果

• 塗料

• 風格

• 鄰接

上述考慮AESS協調的要點該從哪裡開始呢？從規範開始吧

四、規範和設計的要求

1、規範/設計標準

目前國內有關鋼結構設計、施工規範尚無具體建築外露鋼結構的具體規定，國際上美國、澳洲有相應的規定和技術要求。

美標AISC-303-2016 Codeof Standard Practice for Steel Buildings and Bridges第10章規範規定了外露建築鋼結構的一般規定、加工、材料的提交、安裝具體要求。

 

2、AESS分類

AESS通常根據視覺呈現距離以及對外觀效果的「苛刻」程度，分為如下5個級別：

• AESS 1: Basic Elements 基本要求。

• AESS 2: Feature Elements viewed at a distance greater than 20 ft (6 m)視覺呈現距離大於6m。要重點處理焊縫、連接等細節，合理處理間隙的容許偏差。

• AESS 3: Feature Elements viewed at a distance less than 20ft (6m) 視覺呈現距離小於6m。設計師願意讓公眾看到這些金屬藝術品，因此要求焊縫表面平整光滑，但適量打磨的痕跡也是允許的。

• AESS 4: Showcase elements with special surface and edge treatment beyond fabrication具有特殊表面和邊緣處理的展示元素。

• AESS C: Custom elements with characteristics described in the contract documents在合同文件中特別約定的視覺效果。所有的焊縫經打磨、填充等處理後，必須非常光滑平整，讓公眾感覺焊縫本身就是鋼結構構件整體的一部分，所有表面要用手摸起來感到非常的平滑。因此容許偏差值將更加苛刻和嚴格（通常容許誤差為常規標準公差的一半甚至更為嚴苛）。

• AISC 303-2016 表10.1對AESS進行詳細的分類

  

3、不同AESS級別典型效果示意

從左到右，顯示常規鋼結構到AESS4外露鋼結構不同效果。

下面示意圖進一步解釋常規鋼結構和建築外露鋼結構的對比

焊縫未打磨的實際效果

@AISC

4、節點設計要求

1）建築師的美學要求

節點細緻的美學是AESS展示的重點，為達到AESS的美學展示效果，建築師對節點做法要求，已經不僅僅是滿足結構受力、傳力，還會包括螺栓的型式、位置、排布等美學展示的要求。例如下圖Richard Rogers設計希思羅T5航站樓，採用一系列AESS類別。上圖Arup創新設計的銷軸式鑄鋼節點則採用AESS C級，而支撐腿則採用AESS 4.

即使是最簡單的鉸接做法，Richard Rogers也更多的引入是建築美學考慮，比如採用5種不同顏色的飾面用於突出不同結構系統的節點，下右圖節點由於受力較大，但為採用相同的銷釘以保持一致的外觀，結構特意設置四個連接節點，從而增加藍色梁與灰色連接器之間抗剪承載力。若沒有建築師外露鋼結構美學要求，想必這個節點一定做的很笨拙。

 

2) 深化設計和工藝設計：

• 相關界面設計協調更為緊密，如與機電、幕牆、裝飾專業的設計協調更為重要，避免後期發生在AESS構件上補焊等現象。

• 優化焊縫設計，在滿足結構受力前提下，儘量減少外露的焊縫，如採用剖口焊縫代替角焊縫等。

• 優化構件和節點形式，使用圓形、錐形曲線邊緣軟化元素的邊緣：尤其是在連接處或連接處。

• 節點採用工業化機械加工的形式，充分發揮機加工精度和效率優勢。例如下圖中採用鑄造節點通常過於粗糙，為滿足AESS要求，通常需要進一步打磨，而右圖中採用的整體切割，發揮機加工的精度，外觀相對更加滿足AESS要求。

  

  鑄鋼工藝製造的節點

  銲接工藝製造的節點

 

5、材料和加工：

1)鋼材原材料質控更為嚴格，尤其是平整度和公差要求更高。

2)採用等離子或激光切割，提高切割精度和切割面平整度。

3)精密銑床銑邊處理，提高構件加工外形尺寸精度。

4)採用專業工裝胎架，提高零部件組裝精度、控制銲接。

5)焊縫打磨。

 

6、AESS對造價與工期影響