在上一篇《结构工程师视角下的建筑结构一体化设计（上）》中，我们收集了不少建筑结构一体化的经典项目，希望能给大家带来一些设计的灵感和技巧，同时也给大家对未来设计的一些期待和目标。
但建筑师与结构工程师的密切合作并不像人们想象的那么普遍，这其中既有主观因素，也有客观因素。在工程实践中，建筑师是主导设计师，在设计前期没有明确的方向，往往很难从结构协调入手，一般根据个人理解提供两三种结构方案，结果具有随机性。
如果结构工程师在规划阶段无法有效参与，那么在建筑计划实施的后期阶段就需要投入更多的财力，甚至可能需要牺牲部分建筑效果才能达到预期效果，矛盾被推迟，难以解决，只能将就一下。
建筑结构一体化设计的障碍之一是结构工程师是否能充分理解建筑师在复杂问题中的创造力和想象力，并将合适的结构运用到设计中。
本文以“虹桥国际机场T1航站楼改造及交通中心项目”为例，就一个外观平直方正、内部有结构细部的项目的设计过程，探讨一下建筑结构一体化设计的一些粗浅的认识和经验。
项目概况
上海虹桥T1航站楼改造包括航站楼和交通中心两部分。航站楼于1960年、1980年、1990年等多次扩建改造，分为A楼和B楼，总建筑面积12.73万平方米，改造面积7.45万平方米，新建建筑面积5.27万平方米。
▲改造前航站楼示意图
除了工艺改造外，其他突出问题还包括与原有立面不协调、售票大厅内部空间低等。
▲改造前的报到大厅
▲改造前立面
“整合”的概念
A栋立面改造是设计的亮点，包括：原有15.8m混凝土平屋顶抬高至24.0m；雨棚宽度由原来的5m左右增加到12m多。抬高屋顶增加空间舒适度，加宽雨棚覆盖车道边遮挡雨水，同时不希望雨棚影响原有的高架结构。
结构高度和宽度增加，规范要求较原设计更高，不会对高架结构造成影响，且雨棚需要较大的悬臂，因此更适合采用轻钢结构。
我们以往遇到的大跨度结构，屋面、幕墙、雨棚往往是相互独立的。在概念设计初期，我们还是将三者独立考虑，但这个方案并未得到总建筑师郭建祥的认可。直到有一天，郭先生用手在空中画了一条折线，带出了“一体化”的概念。
或许是建筑师的直觉，需要在狭小的空间内尽可能减少构件数量和层数，于是尝试了屋顶、幕墙、雨棚一体化设计。“一体化”的概念以一张名为“平衡”的弯矩图的形式闪现在结构工程师的脑海中。悬挑雨棚的弯矩和屋顶的弯矩内外平衡，可以尽可能地减少支撑柱的弯矩。
▲横截面：受力图
之所以得到这个点，或许是因为入口处支撑屋顶的柱距需要保持在22.5m，而柱子的配筋受限于下部结构的条件，这迫使结构工程师不得不另辟蹊径。屋顶、立面、雨棚形成一个整体结构，弱化与下部的联系，或许可以实现建筑师希望的由稳定的混凝土基础支撑的轻型屋顶带来的漂浮感。
摘要：概念方案实现一体化设计的关键因素是对建筑要求的深刻理解、对设计约束条件的理解与压力、对结构基本原理与合理性的敏锐认知。
“分叉柱”解决方案
“一体化”方案确定后，结构工程师与建筑师分开考虑。24.5m的屋面跨度、12m的悬挑雨棚，可以用实体梁结构解决，但出发大厅建筑规模不大，梁柱体系无法带来轻盈结构，无法达到建筑师所希望的、钢构件裸露、轻盈精致的视觉效果。
对于结构，我首先想到的方案是使用钢索，我觉得这个想法不错，但和建筑师陆成讨论的时候，他客气地说，钢索方案不错，还有其他方案吗？
▲解决方案1.0：电缆
索方案暗含一个逻辑，就是梁的格构结构。将实心梁格构成弯矩较小的轴向受力构件。顺着这个逻辑，结合当时刚刚完成的“建筑结构协调”总院结构业务施工成果，希思罗机场T5的分叉结构在我的脑海里闪过。在纸上画了草图后，结构工程师和建筑师几乎同时想到了柱格构架的“分叉柱”方案。
▲希思罗机场5号航站楼
▲方案2.0：叉柱
当然，格构柱的另一种逻辑是单元化，我们在浦东机场T2航站楼的设计中就运用了单元化。柱距22.5米，柱间水平折弯连接构件截面较大，玻璃幕墙及天窗无法接受大截面水平构件。单元化后，每个标准单元宽11.25米，两个标准单元之间采用框架梁连接，立面框架梁同时也是幕墙梁。
▲结构截面：分叉柱单元化
▲结构立面图：分叉柱单元化
两个团队一拍即合，立即对建筑进行建模，同时进行结构分析计算，一气呵成，顺利完成了规划阶段的建筑结构一体化设计。
▲某建筑单元
▲结构计算模型
总结：此阶段一体化设计的关键因素是建筑结构对共同设计目标的追求、对优秀设计案例的理解与创新、结构变化的运用，有时候也需要一点灵感钢结构工程师是做什么的，或者说运气。
过程中的调整
下拉式垂直斜撑（下图红点标示）在正常情况下受力很小，但在纵、横地震作用下均有作用，有拉、压两种要求，设计时考虑为预应力拉杆。由于结构整体刚度较小，斜撑垂直角度较大，施加预应力保持下部拉杆受拉效果不佳，只能另寻解决办法。
▲标准单元在垂直荷载作用下的变形及轴力图
▲标准单元在侧向水平荷载作用下的变形及轴力图
▲纵向水平荷载作用下标准单元变形及轴力图
使用拉杆虽然能产生良好的建筑效果，但结构的抗震冗余度会降低；如果不使用拉杆，过长的支撑长度会导致截面尺寸较大。为了使它变薄，又不至于在压力下屈曲，结构工程师们想出了屈曲约束支撑。
长度为11.8m，外径为180mm，通过对施工阶段杆件轴压力的详细分析和控制，承载力满足设计要求，最终呈现出非常好的整体效果。
结构工程师充分考虑了新结构的水平力传递问题：水平力由入口处的支撑柱和右侧的单跨框架结构共同承担。为控制入口混凝土支撑柱的截面，实现钢结构与混凝土的连接，在柱内设置了局部型钢截面。
▲ 加强入口处的支撑柱和单跨框架
▲ 单跨框架加固
二层以上单跨框架改造后仍作为小跨度房间使用，通过增加抗弯约束支撑增加其抗侧刚度，分担更多的水平力，从而减轻入口支撑柱的水平负担。刚架后部的短柱由于绿化自然通风的需要而被抬高，并通过预埋件与原结构采用弱连接方式连接，因此采用格构式弱钢框架对其进行加固，以保证构件尺度的统一性。
▲格构式“叉柱”机组安装现场
上述过程中的调整，看似是结构专业的事情，其实背后是结构工程师寻找优化方案、建筑师核对杆件尺度和布置方式的过程，是双方充分配合、相互理解的过程。
▲T1航站楼改造后投入使用
节点和细节
由于结构外露展示，节点是重要环节，设计师通过三维仿真及实体模型进行研究，所有撑杆两端均为细铰节点，表明仅需承受轴向力，采用销轴配合铸钢设计。
▲节点图及照片
节点的确定过程与体系的确定过程相同，都需要建筑与结构专业的密切配合。建筑师对美学的把控更好，但很难说清谁决定了谁，最终呈现出来的是双方讨论和研究的结果。
混凝土结构
接下来我简单介绍一下两个混凝土结构的设计，分别是A楼联检大厅混凝土结构天窗和交通中心露天地下车库结构，这也体现了建筑结构一体化设计的理念。
联检大厅混凝土屋顶因自然通风要求需开洞，建筑师选择在柱顶开洞，框架梁按常规方式穿过洞口。建筑师希望在柱顶采用伞状天窗，尤其是框架梁截面受空间限制需要局部减小。
结构工程师基于抗震理念，对框架梁柱一直心存敬畏。本次我们做了谨慎的尝试，从梁柱节点根部开始减小截面。从框架结构竖向荷载弯矩图出发，梁上有一个靠近拐点的区域需要较小的梁截面，使得建筑师的要求在逻辑上合理可行。再加上洞口四边的圈梁高度较大，可以形成箍筋发挥作用。最后采用钢混伞形梁柱，并对边梁进行加固，满足了建筑师的要求，效果令人满意。
▲A楼联检大厅混凝土结构天窗最终效果
交通中心采用开放式地下车库的策略，车库周边及内部设置多个下沉式庭院引入通风采光。周边进出道路系统复杂，场地狭小。地下室外墙周边的绿化边院只能采用竖向挡土墙的设计思路。若结构采用纯悬挑式挡土墙，建筑效果最佳，但近10米高的悬挑墙辅以扶壁抵抗水土压力，结构效率低，顶部变形大，造价昂贵。
▲ 交通中心车库剖面图
▲ 不同支撑下外墙弯矩图
因此设计综合考虑结构受力效率与建筑空间效应，尽可能减少车库外墙与竖向挡土墙之间的支撑杆件，以达到更好的透气效果，最终因地制宜采取多种解决方案。
有的区域仅在地下一层设置水平支撑，其上方的挡土墙在支撑间采用暗梁悬挑；有的区域地下一层水平支撑间距较密集的9米，一层支撑间距增大到18米；有的区域在地下二层仅设置局部小三角支撑。
结论
最后，让我以一位外国建筑师对“工程师与建筑师的对话”的描述作为结束。“我们的工程同事对好的建筑设计感兴趣，就像我们对好的工程结构感兴趣一样……我们一起设计了很多项目钢结构工程师是做什么的，不是讨论谁负责哪一部分，而是思考多个人才聚集在一起会产生什么。自然，我们的合作集中在具有特殊形式的建筑和那些形状必须由承重结构决定的建筑上……”
由此，我们可以解读出建筑师与结构工程师、建筑与结构之间的一些关系：
建筑师与结构工程师有着共同的利益，那就是完成好的工程项目。在实现各自利益目标的驱动下，他们能够相互理解，这是合作的前提。
大跨度空间结构的特殊形态，离不开建筑造型与承重结构的关系，这为建筑结构一体化设计提供了很多机会，建筑师与结构工程师从方案开始的密切配合、一体化设计，可以达到1+1>>2的效果。
参考：
建筑学报，《多目标性能优化下的结构建筑实践——虹桥国际机场1号航站楼改造设计》郭建祥、周建、张耀康、吕成
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