奥雅纳副董事、总工程师林海：设计具有持久生命力的结构 | 有方讲座68场实录

编辑：马睿（实习）、彭紫琦 | 2022.06.22 17:05

结构如何介入设计，才能令建筑作品得到对立的统一，并呈现持久的生命力？

5月31日晚，奥雅纳副董事、总工程师林海于有方带来讲座，分享他对结构边界的思考，以及多年工作实践的感悟。

这场直播人气逾两万的线上讲座，带我们重新理解了诸多地标背后的实现逻辑。演讲过程中，林海深入剖析了结构的概念与其理解方式，并从实践和美学角度，深入探讨了如何调和建筑设计意图与结构建造的对立。以下为本场讲座的视频回顾与讲座全文，推荐收藏，也希望能对你有所启发。

△ 讲座视频 ©有方

如何认识结构

讲座开始，林海首先对结构给出了一个明确的定义：从广义上讲，结构即事物构成的形式。不论是实际存在的物质，还是某种意识形态中的物质，它们的存在形式都可以通过结构来呈现。而在建筑领域中认识结构，不仅仅指它存在的形式，还包括它的组织建构方法，及其可以达到的一个趋于稳定的状态。

林海认为“结构就是力游走于建筑体量所留下的痕迹”，而对于它的形式或语言，则可以从三个层面来分解：

在结构的几何（体系）层面，结构工程师需要审视结构是否实现设计的意图和效果，建筑与结构是否达到了从对立到统一，是否可以在深刻理解设计意图的基础上为设计团队带来更好的解决方案。

在构件及其尺度（受力）层面，“构件”即力学上“联系”的强弱，因此结构工程要思考设计是否使材料达到了最高的使用效能，是否可以通过进一步的标准梳理来推进设计达到某种纯粹与极限。

在节点（构造）层面，由于人可以近距离接触节点，它把握着建筑结构的节奏，是转折、连接和设计精神的最佳体现。结构工程师不仅需要从既往的设计中汲取经验，也要结合实际情况来创造即时的精神体验。

结构如何生成

究竟是力追随形式？还是形式追随受力？这些问题都会影响着结构工程师和建筑师的创作逻辑。我们在探讨想要呈现何种形式的时候，也需要讨论如何实现它们。对此，林海给出了三种生成形式主要使用的方式：人工、计算机，或者人工结合计算机。

- 人工：依赖于经验以及自身的主观能动性来寻找形体和结构。

- 计算机： 通过拓扑学等数学模型来找型的方法。

- 人机结合：既有人工的控制，又有计算机来优化的方式。

当前，人机结合的方式是最为常见以及实用的方法。一方面，结构工程师可以手动操纵结果，以达到某种空间特质以及美学感受；另一方面，由于计算机生成的形式严格遵循输入的限制条件，并受到设定的“边界”的约束，它将同时满足结构与美学上的需求。举例来说，一个树形柱的设计，柱子的位置、分叉的方式、柱子支点的位置，都需要人工的干预以及计算机的辅助生成，以达到最高效、直观的结果。

而在深化设计的过程中，结构工程师还将从多个角度以及不同的尺度来优化设计。例如在内容和意图上要达到怎样的最终效果、在结构布置和施工上要如何达到最佳效率、如何与其他专业团队紧密地配合等。

何为结构意识

在解释了如何认识结构和如何生成结构的基础上，林海归纳了他所认为的结构意识：

结构设计是建筑设计工作中不可或缺的一部分。业主、建筑设计师、以及结构工程师自身，都不应该轻视它设计的过程和存在的价值。对于一名优秀的结构工程师来说，不仅要不断研究和解决新的挑战和问题、努力去追寻结构设计的最优解，还要尝试从不同的角度，例如建筑师、甲方、以及社会的角度来思考问题的本质。

结构设计要力求打造准确、美丽、具有生命力的建筑。它追寻的不应该只是力学上的稳定，还要能关注潜在用户对于空间的体验和感受，拥有超越时间意义上的持久性，并允许不同时代的人们对它不同的解读。

结构设计的“边界”

边界，是指常规设计之外的领域，在实践中我们会遇到很多需要突破边界思维的情况。在这里，林海将以高层建筑的立面配合设计为例，来讨论其在实践中关于结构“边界”问题的思考和设计。

首先，高层的立面设计从平面角度看，它的外框柱可疏可密，由此产生了两个相斥的维度。从垂直的角度看，外框柱也是可以变化的，它的造型、体量、体型都可以自由变换。因此，结构设计可以归纳为三种“边界”：最密集、最疏远、以及最大形变。然而，上述的“边界”只是在特殊情况下的讨论，当高层的结构为常规结构时，结构工程师依然可以有所创新和突破常规，而这也可以是立面设计的第四个“边界”。

超密集外框柱设计

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以中国华润大厦为例，这栋建筑采用了经典的外框密柱结构。这种结构自发明以来的几十年间，因其高效而被世界上多个地区的项目采用，也因其柱的密集遮挡视线而并不普遍。然而，该项目却更有挑战和争议。比如圆形平面的效率问题，以及密柱对于深圳湾美丽风光的潜在视线影响等。因此，如何在成熟的外框密柱体系中，做出这栋建筑的独具特色和突破传统经验赋予它的边界，尤为重要。

首先，设计团队将所有的柱子尽可能地最小化，然后推出到楼板的外面，并且与幕墙外伸的竖向楞条整合在一起，从而实现了建筑效果、结构和幕墙的一体化设计，达到了无柱的室内高效空间，以及景观面的释放。

其次，传统的框筒结构，因其结构的粗大而被形容为“肥梁胖柱”；而中国华润大厦的几何形式虽然也采用了框筒结构，但它的力学本质并非是框筒结构体系，因此它的外环梁可以非常小，梁高仅在500—700毫米之间。由此，它是建立在传统的密柱结构上的一次创新与突破。

在实际工作中，在一栋接近400米的超高层建筑里，把柱子完全的偏移出楼板的范围，需要很多的背后工作，要解决的问题包括：力如何传递、刚度怎样变化、极限情况下呈现怎样的损伤状态等。这些难题都在结构工程师的工作中不断地被探讨、分析和试验，以达到对传统结构的重新认知。

当在建设工地凝视这座400米的超高层建筑时，就连结构工程师自身也会为纤细的柱身感到叹为观止。然而，从工程的角度来说，这些竖柱还并非是整个施工的难点，比它们更具有技术难度的是分布于高低区域的斜交式网格。比如在底部区域，由于网格区域的下方是两根柱子，而上方是三根柱子，外加上较小的施工空间，因此，连接处节点的设计是非常纤细并且小巧的。

此外，为了让这种梯形的柱子满足沿着一个圆形的体量去布置的需求，有很多地方的部件是需要扭转的。所以，当设计团队在做方案深化的时候，针对如何扭转、扭转的位置、如何拼缝、以及如何与幕墙结合，做了很多个剖面来确保幕墙可以在不同的位置都包裹住这些钢结构的柱子。所以，结构设计的图纸都是需要非常精确的。

由此可见，结构工程师要有前瞻性，需要为后面可能出现的一系列问题提前做出预警和解决方案。对设计团队而言，想要实现一个非常极致和突破常规的密柱结构，从设计到施工都需要经过大胆创新和小心求证，通过挖掘设计的价值，用更好的设计和可落地的实施性才能获得批准和建设。

另一个相关案例是深圳华润万象天地写字楼。从图中不难看出，这栋楼在施工的过程中就已经暗示出了最终想要实现的外观效果。

相比于以钢结构为主的中国华润大厦，万象天地的写字楼的主要结构依然是钢筋混凝土。传统的钢筋混凝土的做法是将柱子隐藏在外立面的后面（右图）；而华润万象天地写字楼的结构设计，其创新在于将东西立面的遮阳板与立柱结合在一起的设计（左图）。这种做法既提升了内部空间的使用体验，又通过将立柱展示在外而表达了建筑结构的真实性。

在此过程中，结构设计需要解决的的问题是，外立面的两条巨大缝隙的结构外框不连续设计，以及混凝土柱子偏心布置于外环梁，并且与外面幕墙整合的这种异形柱的细部设计和实施。作为结构工程师，需要非常清晰理解我们要设计的建筑，包括它的空间品质和立面形象，用技术解决设计问题。

接下来的这个案例，是一个拥有马赛克风格外立面的超高层公寓建筑。在团队深化结构方案的过程中，结构工程师大胆提出了用外立面的马赛克外墙来替代传统的梁柱结构。因此，在这个项目中，已经找不到肉眼可辨识的传统梁柱结构。

少柱或无柱的立面设计

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从这里开始，林海将展开另一个维度的探讨，即如何用最少甚至没有柱子的方式来做超高层设计。这里讨论了两部分内容：建筑模数化，以及尺度效应。

建筑模数化，一方面是基于人体尺度的模数化，例如层高、净高、开间等；另一方面，则是基于施工技术和建筑构建的模数化，例如图中这些建筑，如果全部按照人的尺度来设计，它们就会变得非常均质化。

然而实际的建筑设计中，有时为了拥有更强烈的个性化表达，会把一些空间和构件放大到人体的尺度之外，例如巨型支撑或放大节点，让人强烈地感受到其结构的存在，以提升安全和稳定感。

这样的设计使巨型框架的横梁（桁架）间距达到50—100米之间，这种“梁与柱”的尺度距离就会超出人体的尺度。通常来讲，当遇到这种没有柱子或者柱子很少的情况的时候，设计还需要结合人体的尺度做一些体现重力的正常尺度的次级梁柱，来形成主次分明的结构形式。当然随着科技的进一步发展，这些重力的次要结构都可以被进一步地简化，形成更巨大的、灵活开放的空间。

拿案例来说，前海弘毅中心的核心筒被放在建筑单侧，沿着景观面的一侧在结构上只布置了四根柱子，梁的跨度达到了19.3米，形成非常灵活和开放的空间。

整个设计并没有增添其他次要的重力结构，还实现了3米的净高，这也归功于机电师和结构设计之间默契的配合。

另一个项目是与RSHP事务所合作设计的建滔总部大厦，它属于高技派建筑，并拥有很好的结构逻辑。这个项目的核心筒完全偏移在建筑平面的外侧，因而正常的办公区拥有一套完整的独立于核心筒之外的竖向传递系统。

这套相对独立的系统由4根柱子以及中间的大桁架结构为主要的支撑，而在电梯井与巨大的框架结构之间则由楼板连接。由此，虽然整栋建筑只有4.2米的层高，但是仍然达到了3.03米的净高。在这个项目中，最大的梁的跨度达到了22.5米。

最后的项目是大疆全球总部大楼。由于其外框柱并不落地，所以给人一种没有柱子支撑的视觉感受。事实上，项目立面上所有的结构，包括柱子、支撑构件等，是完全展示给人们看的，可以观察到的其实都是它的结构传力构件。因为设计和消防的需要将一些吊柱展现在外，而在室内设置外包分隔部件，从而在室内空间也并不存在传统意义上的柱子。

由此可见，无柱或者少柱的结构设计，也是激励结构工程师创新和不断突破边界的一个重要的领域。

自由形态下的立面设计

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计算机辅助找形设计

上述案例都是从平面的角度去分析的时候，结构工程师可以创新的维度。从立面的纵向角度去探索，会有很多解构主义风格的自由曲线的形态，而这种形态会偏向于使用3D数字化的技术来解决。

以前工程师处理复杂造型变化的建筑，一般是采用数学的方法，将建筑造型和曲线转换为数学的公式，从而确定结构在空间的逻辑和位置，比如广州电视塔、悉尼歌剧院等。因此，找形是设计自由形态建筑非常重要的一个工作。

而当今自由曲线的建筑和结构设计，随着计算机技术的发展已经变得普及化，这使得建筑设计变得更加自由，以至于出现了像下图中这种彻底模糊掉传统的梁、柱、墙体等结构的设计。

Zeitz MOCAA 建筑设计：Heatherwick Studio 摄影：Tessa Brunette/Arup

比如深圳湾文化广场项目，结构工程师在拿到建筑模型的第一时间是要去做一个抽样，以此来理解这个建筑的曲面生成逻辑。然而，当建筑师的逻辑和结构工程师的逻辑有冲突的时候，结构的几何逻辑就需要重新去构建，然后找到结构几何的控制条件和参数，以此来寻找到一个具有结构意义上的曲面。

在此过程中，基于计算机优化的算法起到了平衡设计形态和力学性能的作用。而与建筑师的不断沟通也是必不可少的环节，比如，建筑师是否可以接受结构优化后的建筑形态，如果有任何异议的话，造型与结构逻辑需要做怎样的调整。

依赖于设计师经验的找形设计

当然，对一些建筑师而言，他们的设计会有自己的结构逻辑，比如日本广岛丝带教堂。它背后的原理是当飘带结构受到重力产生向下落的倾向的时候，这些曲线会变得膨胀，所以在水平方向约束一下形变的程度就可以整体的提高竖向的结构刚度。

然而，对于达到这个体量的建筑来说，这种基础的力学概念还不够使结构达到趋于稳定的状态，所以，结构设计还结合了一些竖向的幕墙杆件来分担一部分的重力。在面对这样一座建筑的时候，我们会发自内心地欣赏设计中蕴含着的人的主观能动性。因此，这种依赖于人自身对结构形式的探索也不能停止。

受此启发，在工作中，我们探索了一种新的双螺旋结构的楼梯。由于楼梯的体量非常的大，整个轮廓可以超过十米。因此，为了保持人走在楼梯上的舒适性，我们引入了一些竖向的杆件在中间，而与飘带教堂不一样的地方是这些杆件是不落地的。这种不落地的设计使得建筑自身拥有了更大的自由度，因为这些杆件的位置和密度都可以再调整。

这种自由主造型解构主义的作品还有一个重要的技术，就是需要考虑从设计到建造，即曲面的嵌板或模数化设计。

比如这个由空气联盟建筑事务所搭建的云剧场，整个安装的过程是由建筑设计师自己和他的团队在现场施工的。这个施工的过程是赋予这个建筑意义的关键所在，如果整个造型是通过数控技术和专业的施工团队来完成的话，那它是一个普通的金属曲面，很难具备探讨设计与技术的价值。

诸如此类的设计是需要设计师深入地投入的。在这座建筑的建造过程中，图纸上留下了很多条不同的弯曲的线条，这是建筑师在不断地研究如何可以用最节省的方式搭建起这些铝板曲面所留下的数值优化设计的痕迹。此外，整个2米高的建筑，铝板只有3毫米厚，设计师在不断尝试基于低技术建造和极简材料的优化设计的过程中，还要力求满足力学的稳定性、结构的抗风性能，以及考虑出入其中人们的活动安全性。

项目的最终方案采用了2层1.5毫米铝板错缝粘结的方式建设，从而避免焊接、打磨等传统建构方法，一样达到干净平整的曲面效果。这看似简单的结构，因为对于建筑曲线的采用结合结构受力和施工建造分板的优化、极限的轻薄而干净、高级精心的设计却极易的实施等等，而具备了很好的美学和技艺价值。

普通框筒结构的创新

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然而，上述的“边界”，只是在特殊情况下的讨论和实践，当高层的结构为最普遍的框架核心筒结构形式时，结构工程师依然可以在常规中有所突破和创新。设计过程中，原有的建筑逻辑、空间逻辑以及结构逻辑要如何调整，以及是否要表达建筑结构的真实性等问题，均是值得思考的重点。

在前海世茂大厦中，整栋楼的设计采用了一个扭转的建筑造型，由此设计团队提出了多种预设的解决方案，例如做一个比较直接的结构然后由幕墙来表达扭转的概念，又或者通过外框结构随着造型一起扭转的方式来达到预期的形式。

最终，建筑结构的真实性、建筑室内外语言的统一性，以及空间效率的最大化，促使设计方案选择了螺旋形式的框架。最终呈现的效果是非常的惊艳，透过幕墙看到内部优雅倾斜的外框柱与建筑整体的形式达成完美的和谐与统一。

而要实现这一设计，背后结构设计的努力是不可或缺的。比如力在扭转的形体中的传递路径、扭转的形体所附加出的扭距、变形所带来的关于电梯位置的安装等等方面的问题，都需要精密的计算和采取对应的措施，才能确保它们的实现。

另一个案例是华润深圳湾瑞府。因为是居住类项目，所以设计在转角的地方去掉了斜梁，以达到更好的空间效果，使仅3.6米层高的情况下，转角房间/客厅实现了3米的净高。而且因为视线在这里不被遮挡，整体的空间效果也得到了升华。

林海表示，这种设计方式在过去是很难实现的，但他认为结构的意义，便在于努力去使一些看起来“不切实际”的设想，一步步转化为现实。

类似的案例还有中国深圳国信证券大厦，这个项目的设计方案希望去除在南北立面开槽中的梁柱。通过结构工程师的不断概念分析和计算认证，最终实现了一种突破性的理念，采用“空腔框架”实现了南北立面柱子不落地的结构设计。这座200多米的建筑，只有内部的核心筒以及东西向的柱子起到了落地的支撑作用。

工作感悟

在这个部分，林海将结合前面的实践经验，和我们分享了他对结构工程师工作的体会和理解。

“两个专业（建筑和结构）的人员应该从项目开始，就通过不断地沟通来达成某些共识，以此来决定要用什么样的语言叙述我们一起的设计。”

横跨东西方的建筑历史，任何经得起时间考验的设计作品，都离不开建筑与结构的融合，就如我们的古文书中所讲（欣赏和研究建筑时）：“于是详察其栋宇，观其结构......”（汉·王延寿《鲁灵光殿赋》）。

建筑是兼具功能与艺术性的共同体，当我们想要透彻地理解一栋建筑的时候，我们无法回避结构，因为这涉及到这个建筑是怎么做出来的问题。不论何时，围绕建筑的话题讨论从未有过停止，而要创造一个经得起时间考验的作品，建筑与结构相辅相成的关系一定要非常完美。

在建筑实践中，不论是讨论内部空间的感受，还是外部空间的造型语言，建筑和结构专业都是拥有共同的目标的。因此，建筑和结构的统一性至关重要。对于建筑与结构的统一性的表达，借卡拉特拉瓦的话来说，我们应该“超越现实并勇敢的怀着一颗真诚的心来表达自己的感受”。

建筑物的形态和它的结构之间要存在统一性，无论今天所讲到的外框柱是疏是密，或者形态是多么复杂，如果它欠缺了统一性，它存在的意义都会显得很微不足道。事实上，欠缺统一性或者说一体化设计的建筑，更多只是实现了功能，难以充分发挥设计对于空间和表现的价值和气质。

“准确性是结构工程师所追求的首要目标。”

要为大众提供有足够品质和美感的设计，这不仅要试着去满足甲方的要求以及建筑师的需求，还要从物理的力学的角度分析设计存在的可能性并努力满足建筑设计的规范（全面的技术）。

同时，好的设计的落地，还需要深入地了解地下的岩土特性、拥有良好的项目与施工管理团队的紧密配合（优秀的项目管理）、对当地气候的研究、以及良好的风险控制（基于实施的设计考虑）。

例如在中国华润大厦的设计过程中，结构工程师不仅仅要考虑如何设计节点来高效的搭建起构件，还要考虑高处风速对项目施工带来的风险。因此，要完成一个高品质的设计，结构工程师是需要在一个建筑项目周期里，从多个角度和方向不断地论证和探索，才能达到预期的结果。

严谨的设计逻辑也必不可少。它不仅仅是要求多维度和全生命过程的考虑，比如一栋建筑会如何受到损伤、如何抵御地震、甚至会如何倒塌，也同时体现了在结构工程师对结构优化的能力，以此来使得结构的刚度、质量、静力和动力都可以达到最佳的状态。

“我们不仅要在当下更加珍惜彼此之间的团结协作，还要对自己的生活与理想抱有乐观与积极的态度。”

面对疫情的影响，似乎整个建筑行业都十分低迷，但我们曾经一起渡过了2008年的金融危机、2016年的地产调控......面对这些此起彼伏的危机，林海引用了奥雅纳创始人Ove Arup爵士的一段话来勉励，要一直坚持做正确的事，坚持正确地做事，去追求卓越的品质，用设计来创造快乐与幸福：“有两种方式来看待工作与生活。一是认为工作只是一种谋生的手段，真正的生活是工作之外的‘空闲’时光。另一个是让你的工作有趣而且有价值，喜欢你的工作和你的空闲时间。我们毫不妥协地选择了第二条道路。”