未来建筑师看钢结构：让建筑“飞起来”、“美起来”的型钢混凝土结构

●  型钢混凝土结构概述

▲  概述及发展历史

型钢混凝土结构是一种以型钢为钢骨并在型钢周围配置钢筋和浇筑混凝土的埋入式组合结构体系。这种结构主要用于构成建筑物的梁和柱，内含型钢有实腹式（图1）和空腹式（图2），实腹式型钢除采用轧制型钢外，还可用型钢和钢板焊接而成。

型钢混凝土结构在各国都有不同的发展历史和特色，在名称上也有较大区别：日本称之为钢骨混凝土结构（Steel Reinforced Concrete，简称SRC）；英美等西方国家称之为混凝土包钢结构（Steel Encased Concrete）；前苏联称之为劲性钢筋混凝土结构。

西方国家从20世纪初就开始研究这种结构，二战后这种结构在前苏联、日本等国都得到了迅速发展。因为我国钢铁产业发展较慢，且型钢混凝土结构用钢量大，所以在20世纪80年代才开始迎来比较广泛的应用研究。

▲  型钢混凝土的优点

简单概括，因为在钢筋混凝土中增加了型钢，型钢以其固有的强度和延性，以及型钢、钢筋（箍筋和纵筋）、混凝土三位一体地互补，使型钢钢筋混凝土结构具备了比传统的钢筋混凝土结构承载能力大、刚度大、抗震性能好的优点；同时与钢结构相比，具有防火性能好、结构局部和整体稳定性能好、节省钢材的优点。

除此之外，型钢混凝土还具有以下特点：

（1）受力合理，材料利用充分；

（2）型钢混凝土构件充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能，钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受力，因此型钢混凝土构件的承载力可以高出同样横截面的钢筋混凝土构件一倍以上，换句话说，同样承载力的构件，其截面尺寸可以减小，从而减小梁、柱的体积；

（3）稳定性好，抗风、抗震性能良好：外包混凝土对型钢有较强的约束作用，可防止型钢的局部屈曲，提高型钢骨架的整体刚度和抗扭能力，在设计时，型钢混凝土组合结构的阻尼比略低于钢筋混凝土结构，因而能使结构优化，此外较小的结构自重也，有利于高层建筑的减震与制振设计，通过设置消能机构减小地震反应以达到明显的抗风、抗震效果；

（4）综合经济效益好：与全钢结构相比，型钢混凝土结构可节约1／3左右的钢材，降低了造价，同时克服了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差，需经常性维护等缺点，与传统的钢筋混凝土结构相比，构件的截面尺寸小，结构自重轻，可以增加使用面积，便于建筑灵活布置，此外，梁截面尺寸的减小还可减少结构总高，从而降低整个建筑的造价；

（5）施工方便，施工周期较短：施工时，型钢骨架可作为临时支架承担上面若干层施工荷载，也可作为下面楼层浇筑混凝土的操作平台，以代替脚手架工程，因此，型钢混凝土结构不必等混凝土达到一定强度就可继续施工上层，所以施工周期比采用钢筋混凝土结构要短。

正是因为型钢混凝土以上诸多优点，所以，这种结构经常用于超高层建筑、地下建筑、桥梁等对建筑结构和造型的要求都很高的建筑结构上。

▲  型钢混凝土结构的缺点和施工难点

型钢混凝土结构的缺点和施工难点是对应的，以下予以简单介绍：

（1）型钢混凝土组合结构施工过程中应注意统一标高，注意混凝土梁和型钢混凝土柱的连接，注意钢筋孔周围的应力集中现象；

（2）型钢混凝土和钢结构相比结构自重较大，施工复杂程度高，对节点设计和构造都有更高的要求，对结构设计要求高，在选择设计者是更要注重经验；

（3）与钢筋混凝土相比，因为构件中同时存在钢筋和型钢，结构钢筋密度大，型钢预埋件多，设计模板难度大，所以浇筑混凝土比较困难；

（4）钢筋穿孔难度较大，工艺复杂，特定构件的连接需要专业的焊接设备和施工人员；

（5）对于型钢混凝土框架构件，由于内力有较大的差别故对其需要分段优化，尤其是节点的位置以及构造和受力性能。

●  型钢混凝土结构的结构类型

型钢混凝土组合结构分为全部结构构件采用型钢混凝土的结构，和部分结构构件采用型钢混凝土的结构，分别称为全型钢以及局部型钢，其中后者的应用更加普遍。在实际应用中，因为配钢形式的差异，可分为实腹式、空腹式两大类。此两类结构宜用于框架结构、框架-剪力墙结构、底部大空间剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构等结构体系。构件在各种体系中应用的一般方式为：

（1）型钢混凝土纯框架或支撑框架结构；

（2）型钢混凝土框架(框筒)-型钢或钢筋混凝土剪力墙(核心筒)结构；

（3）地下室或底部若干层采用型钢混凝土，上部采用钢结构；

（4）地下室或底部若干层采用型钢混凝土，上部采用钢筋混凝土结构；

（5）框架柱采用型钢混凝土，梁采用钢或钢筋混凝土；

（6）在一般剪力墙和简体-剪力墙中采用型钢混凝土剪力墙。

●  型钢混凝土结构在建筑工程中的应用——以纽约世贸中心交通枢纽为例

纽约世贸中心交通枢纽（图3）是一个独立的结构体，位于南侧“光之楔”（Wedge of Light）广场同一轴线上。基地在北侧、西侧和东侧分别被Fulton，Greenwich和Church三条街道包围，而南侧是世贸场地三号塔楼。而纽约世贸中心交通枢纽则成为了连接绿地、城市空间、公园、教堂广场及世贸中心纪念地公园的关键点所在。

图3  纽约世贸中心交通枢纽俯瞰图

纽约世贸中心交通枢纽重建在因“9·11”事件而倒塌的世贸大楼遗址之上，连接了纽约市11条地铁线路以及纽约至新泽西的铁路，集换乘车站、购物中心和人行通道等多功能为一体。该项目历经12年的建设，在2016年才正式建成开放，不仅比预计时间推迟了七年，更是斥资40亿美元（约合人民币288亿元）才修建而成的，是原先预算的两倍多。这座建筑也因此而备受争议。它因其突出的造型，获评CNN的2016年九大新地标之一。

纽约世贸中心交通枢纽是卡拉特拉瓦较晚期的设计，可以看作是集他设计思想之大成的一个作品，同时因为选址的特殊性也让这个建筑有了更多的象征意义。在满足使用的同时，由钢与玻璃交织而成的极具雕塑感和张力的地上部分建筑，如同展翅欲飞的和平鸽，有着象征对和平的向往，体现了卡拉特拉瓦一贯的设计手法。由肋拱支撑的玻璃屋顶将于每年9月11日开启以悼念恐怖袭击中的死难者。升起的两翼高达150ft.（45.72m），自然光线可倾泻至位于街道水平面以下60ft.（18.29m）的轨道平台上。卡拉特拉瓦期待这座建筑能成为下曼哈顿区的一盏希望明灯。

▲  以纽约世贸中心交通枢纽为例分析卡式结构

（1）结构造型分析

飞翼一般的造型灵感来源于一幅儿童放飞鸟类的画作，卡拉特拉瓦从中看见了曲线的动态美、向往自由的梦想以及孩子放飞鸟儿时所寄托的希望。由于这座交通枢纽建于“911事件”后的重建区，因此，这洁白、纯净的羽翼又象征着白鸽， 代表着希望与和平（图4）。

图4  纽约世贸中心交通枢纽造型灵感

除了洁白飞翼一般的造型之外，该设计的另一个亮点是交通枢纽站中间没有一根柱支撑，两边独立的钢结构骨架支撑起整个巨高和大跨度的空间，两端玻璃和钢架翼使自然光自由穿过，营造出了通透而又纯粹的大尺度公共空间。内部从355ft.（108.20m）长的“眼”中伸展开来，可以看到纽约的一线天空。建筑采用白色钢管和玻璃打造而成，将自然光线引入中心内部。建筑深度达60ft.（18.29m），连接了外面的街道和Path车站内部。建筑雕塑感的形式通过钢结构肋条的模块化重复构成，最终形成复杂的形体。肋条间的玻璃可以引入自然光线照亮整个建筑，成为了希望和活力的象征。

纽约世贸中心交通枢纽整体采用了型钢混凝土结构，混凝土立柱里包裹型钢，充分利用了钢结构的强度优势，以及混凝土在增加刚度、防火、造型、质感以及曲线连续性方面的优势。整座建筑将材料、结构和艺术巧妙地结合起来，达到了非同凡响的效果。

（2）结构材料分析

就这座建筑的造型和尺度而言，单钢筋混凝土结构或钢结构都比较难以实现目标。柱的高度达60m多，如果采用钢筋混凝土结构断面会很大，不可能做得如此纤细、轻盈，造型也不可能如此随意、自如；如果采用钢结构型钢断面小，刚度不够，容易变形，构件表面不易做到顺滑、流畅，质感无法做到如此柔和，防火构造也不易实现；如果为了提高构件刚度把异形型钢的断面加大那么成本会增加很多。因此，采用型钢混凝土结构是一个非常巧妙的选择，充分利用了两种材料的优势。

与此同时，钢和混凝土也是卡拉特拉瓦长久以来都非常喜欢使用的两种材料。“我对发展高科技混凝土的概念极感兴趣。混凝土这种材料，目前已逐渐被取代。换句话说，它是一种不时髦的材料，但对于我而言，它或许是最高贵的建筑材料。就某种意义上来说，它可以完全符合任何需要。以我对未来的预测，我确信它与钢材并用，将会变成21世纪的伟大材料。”卡拉特拉瓦认为虽然混凝土现在已经不是新材料，但对于他本人来讲，却仍然是一种高贵的材料，并相信如果混凝土与钢材组合，就会成为21世纪中最具可造性的材料。他很难接受用一种材料去掩盖、遮蔽另一种材料在形式上的缺憾，更乐意用材料直接表达力的传递，做一名力流传递的指挥者。

卡拉特拉瓦也善于利用钢材的特性，充分利用铰接方式，发挥钢结构的钢材间连接方式灵活的优势，拼接出特有的建筑结构语素，在高大空间和大跨项目中营造轻盈、细腻、空灵的氛围。钢材非常适合反映卡拉特拉瓦建筑语言的三个特性：连续性、可动性、有机性。因此在卡拉特拉瓦的建筑中，尤其是桥梁作品中大量使用了钢材，而且钢材直接作为建筑形态的主要表现手段使用。就纽约世贸中心交通枢纽为例，这座建筑采用了装配式建造工艺，全部构件仅610个，工程用钢量达1.25万t，平均每个构件的钢材重量高达20多t，加上外裹混凝土的重量，重达100t以上。采用装配式的好处在于60m多高的构件不必竖着焊接和浇筑，可以“躺平”制作，这对于焊接、浇筑和表面处理来说都十分便利。

混凝土和钢材是纽约世贸中心交通枢纽里最重要的两种材料，虽然该建筑也采用了大面积的玻璃材料来营造通透、明亮的效果，但是也只是为混凝土和钢材服务罢了，利用玻璃的通透感对比凸现混凝土的厚重感。对于卡拉特拉瓦来说，玻璃是为了创造流动的空间形式，这就意味着要创造比消除建筑内外空间的视觉障碍更加通透的效果，将玻璃与钢材、混凝土巧妙而不显生硬地配合使用。

（3）结构构件分析

室内大厅两端的大悬挑楼梯加观景台（图5）是这座建筑的一大亮点， 体现了型钢混凝土结构的优势。楼梯加观景台悬挑长达20m多，端部是游客观景、拍照的地方，悬挑较长，负弯矩较大，卡拉特拉瓦充分利用型钢混凝土的优势，采用清晰的结构逻辑设计造型，给人以很强的心理安全感，既不显得厚重，也不显得呆板，看上去造型流畅、比例得体、舒展自如。

图5  大悬挑楼梯加观景台

这座建筑里最主要的构件是细长、轻盈的变截面曲线柱（图6）。从室外看，是折线形，越来越细，达到和平鸽展翅的效果，最长构件长达200ft.（60m多）；从室内看，两侧柱构成未闭合的人字形，屋脊处是透明天窗，别有韵味。柱地面以上部分是单根悬臂，地面以下部分也就是交通枢纽室内大厅两侧是曲线形框架，非常优美，框架底端连接到基础上。在绝大多数其他建筑中柱是竖向荷载的主要承担者，但是其形态几乎都是令人乏味的长方体或者圆柱体，即使有所改变也只限于在柱的截面形状上发生变化，不会改变人们潜意识里柱的形态。而在卡拉特拉瓦的作品中，柱一反过去呆板的形态，变成了活跃室内空间和完善建筑形态的重要组成部分。卡拉特拉瓦利用柱的重复排列形成有韵律的、复杂的结构空间，成为卡拉特拉瓦特有的结构表现风格建筑中不可或缺的重要组成部分。卡拉特拉瓦十分重视建筑结构构件的形态设计，他设计的柱不但承担着结构的竖向荷载，也强化了室内和室外效果。

图6  变截面曲线柱

如此密集排列的变截面曲线柱也反映出了卡拉特拉瓦建筑结构设计的另一个特点——卡拉特拉瓦设计的结构常常会带有一定的装饰性，更强调受力视觉表现。他有时会为了满足视觉需求而有意夸张某些构件，或者刻意增加构件的重复次数，形成令人满意的韵律感。换句话说，卡拉特拉瓦对结构的态度是：虽然建筑形态的本质是结构，但是也可以牺牲结构的功能来满足建筑造型的需要，而且这种结构表现的趋势越来越明显。他认为，受力表现的本质是“具有力感的形态”而非对真实的力的表现。换句话说，这些排列的曲线柱作为一种结构构件并非是纯粹的结构，而是经过美学修饰的结构构件，是他通过连续、标准的结构构件阵列，形成完整连续的建筑空间的一种手法。

（4）总结和启发

通过对纽约世贸中心交通枢纽的案例解读，我们能够更加清楚地了解到型钢混凝土结构的优势和潜力。混凝土造型的随意性和流畅性，可以因为内埋型钢的隐形支撑而表现得更加自如、美妙。而用混凝土包裹细长钢结构构件，可以获得更好的刚度以避免变形，成本和加大钢结构构件断面尺寸来比要小很多。由此为建筑艺术造型的个性化、新颖化提供了坚实支撑，特别是在追求纤细、轻盈效果的同时会令建筑设计更加得心应手。

纽约世贸中心交通枢纽展现出，或者可以说是被卡拉特拉瓦挖掘出了型钢混凝土的艺术张力，使混凝土的艺术语言更为丰富了，应用范围更加宽广了。现代主义建筑的美学理念与钢材、混凝土以及玻璃所带来的创造的可能性之间有着千丝万缕的联系。也正是这些现代材料和结构才赋予了现代建筑更多的可能，让建筑能够摆脱地心引力的束缚，飞起来。