高层建筑剖面设计与结构构思

姚文丹

摘要:高层建筑凭借着其震撼人心的视觉冲击力，已成为一个城市的形象标志。众多设计师对高层建筑造型手法与结构概念思维的结合进行了研究，本文在此基础上，重点对高层建筑的剖面设计问题进行了探讨。

关键词:高层建筑；形象标志；剖面设计

0引言

高层建筑创作中的剖面设计不仅与建筑的形体、空间的艺术表达形式紧密相连，它也是建筑师将建筑的结构骨架以剖面形式展现出来，清晰表达关于建筑空间、结构形式及传力直接等设计构思的有效途径之一。近年来一些明星建筑师的高层建筑创作作品中，越来越强调剖面设计在高层建筑设计中的重要性和有效性。

1 高层建筑剖面设计要反映结构的传力脉络

高层建筑的空间形态是由结构传力体系支撑的，传力体系的剖面形式直接反映结构沿竖直方向传递荷载的路径,也可以示意出高层建筑内部空间的转换分布，尤其是高层建筑常常运用的中庭空间等。首先高层建筑的剖面形式应该保证结构功能的正常发挥，即从高层建筑的受力合理性讲,应注意以下几点。

应注意控制建筑的高宽比，这已在前文中详细论述过了，此处不在详细阐述。

高层建筑的剖面设计可以清楚的将建筑内部自上而下的结构支撑情况展现出来，由此建筑师可以通过分析结构布置在竖向上的连续性与逐步递减的关系，从而合理的安排不同使用功能空间的竖向组合，并保证高层建筑具有足够的抗侧移结构刚度，避免结构刚度由基础向顶部过渡的时候发生竖向刚度的突变。

由于使用上的要求造成刚度变化特别大,或结构布置发生变化时,则必须设置结构转换层。

高层建筑必须有相应的锚固深度,此锚固深度可结合布置设备用房和地下停车库的需要,作为一层或多层地下空间,这对降低高层建筑的重心有利,可提高建筑抗震能力及抗倾覆能力。

2 高层建筑剖面设计要结合结构转换层的设计

现代高层建筑向着多功能、综合用途发展。在同一幢建筑中,可能上部楼层布置住宅、旅馆,中部楼层作办公用房,下部楼层往往是商场、餐饮、文化娱乐设施。不同功能用途的楼层对结构形式提出了不同的要求。上部需要的是多墙体的小开间;中部则需小的和中等大小的空间;而下部则要求是尽可能大的、能自由灵活分隔的大空间,柱网要大,墙要尽可能少。然而,高层建筑下部楼层受力大,要求刚度大,则应是墙多柱密；而上部楼层受力逐渐变小,则可减少墙柱,这就形成了结构的合理性与建筑功能需要正相反的趋势。要满足建筑功能要求,结构就必须和常规方式相反进行布置，因此必须设计结构转换层来解决上述矛盾。

高层建筑的剖面设计结合结构转换层的设计表达，就是要将这种结构的理性思维与建筑的艺术表现手法综合在建筑设计构思的过程中，不仅可以利用结构转换层在建筑内部形成不同尺度的空间形式，丰富人们的视觉感受和建筑体验，而且结构转换层本身所具有的结构形式特征也可以适当的作为建筑的造型手段。最直接的方法就是利用结构转换层在高层建筑底部形成较大尺度的入口形式。当高层建筑采用外框筒时，经常通过转换层使下层柱的柱距扩大，用以形成大柱网，从而形成较大的入口和少柱的对外空间关系。可以采用多种形式的转换结构，如大梁转换式、墙梁转换式、桁架转换式、拱式轉换式、间接拱转换式、合柱转换式等。而每一种不同的结构转换方式有不同的力学受力性能，结构的形式特征也随之表现不同，结构转换层对应在建筑外立面的表现形式也带有各自独特的个性特征，建筑师可以巧妙的利用这一点来创造出不同使用需求与各具特色的入口空间形式。

结构转换层可以适应高层建筑多功能和综合发展的要求，为建筑平面空间组合带来一定的灵活性，因此建筑师应当了解其布置原则和方法，遵循水平构件布置简单、受力明确、传力直接、复合结构形式等技术原则，运用正确的结构逻辑去指导建筑设计，并与结构工程师的通力合作去创造出真正具有技术美的高层建筑作品。

3 高层建筑剖面设计要结合结构加强层的设计

高层建筑中，当筒体稀柱框架结构高宽比较大（＞6）、筒体高宽比较大时（＞12），如果靠增大截面尺寸或增设抗侧力构件,必然影响到建筑的使用，常在设备层、避难层设置整层的刚度较大的从核心筒体外伸的斜腹杆桁架、直腹杆桁架、实体梁等，简称刚臂。

在高层建筑中,结构加强层的设计可结合设备层一起考虑。由于设备层对采光要求较低,可以不开或少开窗,并可在不妨碍设备布置的前提下增设内部支撑,或沿其周边局部加固,因此设备层可以成为刚度很大的加强层。加强层通常在高层建筑的立面表现中充当了一定的角色。建筑师可以选择将整个楼层高度的结构加强层构件完全暴露于建筑的立面之上，结合高层建筑的整体造型进行设计构思。暴露在外的结构强而有力的形式特征不但可以向人们传递其本身的结构功用的信息，增加建筑的力度表现，而且与其他标准层不同的立面表现也将高层建筑细长的楼身划分为几个层次，如果结合适当的视觉比例关系和透视关系，竖向上楼身的分段也可以形成饶有趣味的韵律与节奏。

4 高层建筑剖面设计要与其造型手法创新结合

当代高层建筑造型设计手法的一个重要内容就是关于中庭的设计，中庭可以看作是楼层与楼层之间的透明性的叠加。通过中庭原理，可以实现自然采光与自然通风，创造出通透的视觉感受。现今所提倡和流行的生态摩天楼的创作理念，就合理的将中庭元素纳入到设计的手段之中，建筑师可以通过将高层建筑的核心筒分散和分离，摆脱传统的核心筒布置于高层建筑平面中央的手法，改变高层建筑的空间构成模式，在高层办公建筑内部插入一个或在不同区域插入多个封闭或开敞的中庭空间，以达到建筑内部自然通风以及具有良好的景观视野的建筑目的。

除此之外，高层建筑也越来越多地在立面上或内部空间中运用凹凸、旋转、错动的造型手法，如生态摩天楼建筑师杨经文，将建筑立面上开口、凹槽作为高层建筑引入自然风的“通道”，或者切削、挖除一部分建筑体量，在建筑立面上再挑出富有韵律的阳台、露台，形成既能遮荫避阳又富有韵律节奏的建筑立面，而所有这些手法的运用通过建筑师对建筑进行剖面设计的构思而得以深入和完善，并且剖面设计也清楚的让建筑师明白，应该在怎样的部位以及采用怎样的结构形式来形成这些挑出、挖空、错动，当然悬挑结构等运用是再平常不过的。

“建筑立面剖面化”也出现在 OMA 和 MVRDV 所设计的现代高层建筑创作中，在这些建筑作品中，楼板或是被卷起、隆起甚至是叠摞起来，或者是将不同的空间作为单元结构插入到竖向支撑的结构体系中，比如，库哈斯的法国国家图书馆方案，就可以形象地比喻为一块“切开的什锦奶酪”。这个方案中，库哈斯通过功能分析，认为图书馆的书库部分作为储藏空间，可以适应任意的形状，而供人们活动使用的其它功能空间如阅览大厅、视听室等则需要特定的空间形状。根据这个特点，库哈斯在一个方盒子的形体里面镶嵌了十字形、螺旋形、卵形等一些特色突出的形体，而这些形体之间的剩余空间则满布匀质的书库。这样，建筑的整体结构就相当于一个什锦奶酪。建筑师对于空间形态的创造与建筑形式的造型都可以在剖面设计中显露出来，通过对建筑支撑结构的剖面分析，建筑师可以选择利用现代主义的经典语言--悬挑结构，结合混凝土的良好可塑性，充分发挥结构的力学性能来创造出给人新奇体验的高层建筑。

结论

总之，通过高层建筑的剖面设计而了解各种结构体系在空式及其所能形成的内部空间,对建筑创作来说是非常重要的。它可以使我们在头脑里形成这样一个总的概念:既要选择的传力体系和方式,对建筑的使用功能、内部空间、外观造型会带来什么样的影响,现阶段结构方案会在各方面如设计、施工上遇到什么困难、经济性如何等,所有这些,建筑师都应该首先充分认识到,从而提供最佳的决策方案,以便在建筑创作构思过程中,综合处理好功能、技术、艺术、经济等方面的矛盾。

参考文献

[1]雷春浓,高层建筑设计手册,中国建筑工业出版社,2002

[2]刘建荣,高层建筑设计与技术,中国建筑工业出版社，2005

[3]杨春宇，高层建筑型体设计探讨，重庆建筑大学学报，2000