和作：“强”结构的“弱”找形，南京园博园丽笙酒店结构设计

编辑：原源 | 2022.12.01 17:33

△ 项目东北向鸟瞰：酒店与崖壁和景阳楼的空间关系

摄影：王可

设计单位 同济大学建筑与城市规划学院 / 上海创盟国际建筑设计有限公司

结构顾问 和作结构建筑研究所

建筑面积 3.46 万㎡

地点江苏南京

竣工 2021年

南京园博园项目是配套省园艺博览会建造的园林主题公园，坐落于南京汤山原废弃矿区。丽笙酒店作为园区重要的支持配套建筑设施，于2021年建造完成。

建筑最突出的是其自由曲线的异形屋盖。建筑设计将场地的几何要素进行参数化转译，根据空间几何算法的逻辑线索和在地信息融合，形成一个半自主形式的“答案”。

△ 屋顶鸟瞰摄影：王可

通过几何拓扑的连续变化，酒店入口雨棚顺势延展至室内屋面，再自然过渡到标志性的中庭“开花柱”。屋面采用大面积的胶合木肋梁，结构兼顾装饰及受力。

如何以木椽子的尺度感、韵律感来实现“开花柱”及入口雨棚，成为结构设计的重点。

△ 主入口摄影：王可

△ 酒店大堂，ETFE气枕式膜结构与“开花柱”

摄影：是然建筑摄影

受力找形作为一种结构优化手段已不鲜见，特别是对于空间异形结构，结构找形是方案阶段几乎必经的技术路线。建筑方案的几何拓扑中隐含了和场地形式的模糊关系，也隐含着力的流动，对应到结构找形中力与形的呼应关系，需要尝试一种较为暧昧的解决方案。

在Frei Otto进行的膜研究中，就已经出现与本项目形态上有类似之处的C形柱；这一概念较早出现在斯图加特火车站项目，后续在扎哈的大兴机场项目中也有出现类似的结构形态。

△ 斯图加特火车站项目中的混凝土C柱

图源：Ingenhoven Architects官网

△ 大兴机场C形柱图源网络

本次设计尝试在前人项目的基础上有所发展，建筑设计将C形柱改进成两侧敞开的“开花柱”。这种结构的力学逻辑与Otto的C形柱同源，基于膜概念演变而来。因此设计过程的起点也是极小曲面问题，找形工具从Otto时期的肥皂泡物理模型演变成数字化模型。

开花柱的上口曲线为建筑给定，内口曲线及面内等代索网的力密度值为结构找形的主要控制变量。通过参数调整，协调建筑形态与结构受力间的平衡，确定边缘形态。在边缘形态确定后，通过调制曲面上反重力矢量的大小，来控制曲面的最终形态。同时曲面下口为结合建筑形态的需要，添加了水平向的附加拉结。

△ 找形动画 ©和作

建筑对于开花柱的设想效果是基于木结构的建构关系，由大量椽子排布而成；而椽子为单向受力构件，这与初步找型对应的面内双向传力假定有所区别，需要将面进一步离散化为杆件（椽子+系杆）。

△ 面内的主应力流 ©和作

离散化遵循将线性构件的轴线方向与所在位置膜内的最大最小主应力方向尽量保持一致的原则。在这种离散原则下，离散后的面内附加剪切变形相对较小。虽然考虑美观及加工便利性（单曲构件及曲率半径控制）等因素后，构件无法与主应力流完全吻合，但只要适当加大收边构件的刚度，也能代偿离散化中损失的面内抗剪能力。

△ 离散后构件走向模型 ©和作

最初的设想是仅在开花柱的内边口采用钢构件，但受到防火规范上的一些限制，部分椽子最终也采用了钢包木的方式。

△ 膜、全木构件、部分钢构+木构 ©和作

△ 模型拆分（上部为木构件、下部为钢构件） ©和作

△ 大堂的“独柱开花”：弧形梁与柱一体化设计

摄影：是然建筑摄影

对于大堂入口的悬垂雨棚，建筑师希望在维持木材建构逻辑的同时表达出更多的差异性，挑战与传统木构尺度差异很大的轻薄状态与超常规的出挑距离（约13米）；另一方面，由于雨棚融入在屋面的整体曲线造型中，具有很大的结构设计挑战。

△ 酒店入口鸟瞰摄影：王可

在建筑给出的造型中，雨棚存在明显的下凹，这直接触发了利用空间壳体受力的设想。但是屋面的椽子系统本是单向受力逻辑，如何“升维”成曲面受力的壳结构成为关注点。虽然木构屋面由OSB屋面板组成，可以承担面内剪力进而获取类似壳的传力路径，但是其长期维持较高应力时的受力性能与曲面施工时的搭接可靠性，都具有一定的不确定性。

△ 按折纸放样曲面与初始设想曲面对比 ©和作

为降低屋面板的受力重要性，考虑了类似开花柱的构件离散方案。离散过程关注到借由雨棚檐口的下凹曲线实现悬垂受力的可能，将雨棚拆解为靠近檐口区的悬索和搁置于悬索上的并列椽子，这样既维持了木构逻辑，又提高了受力效率，屋面板仅用于确保屋面整体性，回避了作为主要结构构件的各种不确定因素。

△ 檐口悬索与椽子关系 ©和作

悬链受力具有很高的力学效率，便于实现轻薄的视觉感受，但是对于形态的控制过于依赖力学找形的结果。直接找形获得的雨棚檐口曲线过于圆润，无法融入屋面的整体曲线中。建筑师尝试调整建筑周边的屋面轮廓与结构衔接，但是效果不甚理想。

与此同时，结构在关注悬垂雨棚受风时上掀荷载较大且局部风响应相对复杂的问题。一个同时解决风载和檐口造型的设想在此期间萌发：如果在檐口低点增加配重，则风荷载问题能够改善，同时悬索的自然下垂形态也变得更为硬朗、更贴近建筑的原初意向。由于配重大小可人为控制，因此悬垂线的形态一定程度上也可进行“设计”与“调制”。后续的计算分析验证了设想的有效性。

△ 左：均布荷载中：椽子传递的荷载右：增加底口集中荷载；不同荷载作用下悬垂曲线的对比 ©和作

增加底口配重后，虽然索曲线变得相对硬朗，但与檐口处的纯直线造型依旧存在少许差异。为此，建筑通过檩条端部上扬，局部形成微曲面衔接过渡，这个微翘曲除了檐口形态修正的作用外还利于组织排水，免除檐口天沟，将雨水全部汇集在底口处，下雨时此处呈现为一个小瀑布。

△ 配重后索曲线与边口曲线关系 ©和作

△ 主入口檐下空间摄影：王可

△ 挂索 ©创盟国际

△ 椽子定位，可见椽子上扬的端部造型 ©创盟国际

△ 卸载完成 ©创盟国际

△ 拉索节点，右图椽子间为压重钢块 ©和作

△ 檐下大进深空间 ©和作

由于雨棚采用了索承系统，檩条尺寸室内外趋于统一，屋面的内外连续性也得到了保证。

木椽子布置的流畅性关系到屋面的美观，也隐含着力学限制。建筑屋面轮廓均为空间异形曲线。屋面转角处内外边缘长度会有急剧变化，顺坡木椽排布方式虽然最为力学高效，但在连续转角区域却会发生碰撞，难以满足理想的结构布置。为此设计选择以广义的找形来看待布置椽子的问题。

这个“找”形过程中，屋面的轮廓曲线由建筑提供，椽子被看作流动的线丛（弹簧）。其两端的节点在规定的轮廓曲线上流动，相邻节点间存在引力或斥力，通过控制力的分布来调制出匀质且富有韵律感的椽子布置方式。

△ 左图红色为结构高效的椽子方向，右图为实际布置 ©和作

△ 动力找形过程演示 ©和作

这个设计过程并不把力学分析作为对应建筑最终受力模式的直接映射，而是将力学模型作为一种广义上的工具，把一个特定的设计需求转译成一个广义的受力形态问题。虽然这个问题映射方式与结构的最终力学模型不直接关联，但在问题转译及寻解过程中，顾忌了最终受力模式下的性能优劣。这种具有一定经验因素的顾忌，作为趋势上的判断指引着方向。