本文被授权进行转载，转载的来源是公众号胡正宇结构视点，其公众号 ID 为 AlexHU2020。
胡正宇是英国皇家结构工程师学会的资深会士，他还是加拿大安省分会的主席，目前持有英国皇家注册结构工程师资质，以及加拿大 ON/AB/BC 省注册工程师（P.Eng.）资质、BC 省特别指定结构工程师（Struct.Eng.）资质和中国一级注册结构工程师资质等诸多国家和地区的顶级结构工程设计从业资质。胡正宇先生目前为美国土木工程师协会正式会员（M.ASCE）。同时，他还兼任英国皇家结构工程师学会皇家注册结构工程师考试的阅卷考官，负责对 IStructE 特许会员考试进行阅卷工作。胡先生具备超过二十年的国际工程设计经验。他对各种结构类型的设计及项目管理都很精通，涵盖从超高层到超大型跨度等。如今，他是加拿大国家钢结构设计规范(CSA-S16)技术委员会的委员，同时也是中国现行构筑物抗震规范 GB50191-2012 的主要起草人之一。
在前几周的公众号文章里，我们介绍了一些兼具建筑美学与结构合理性的经典结构案例，像……以及……。本周我们接着介绍一个在这方面表现优秀的结构设计案例，即伦敦的滑铁卢火车站顶棚钢结构设计。需特别说明的是，文中所涉及的所有项目相关资料及图片，除部分是我们自己的外，其余均从互联网收集整理而来，版权归原作者所有。本文不是学术性论文，只是供各位读者在茶余饭后阅读消遣的一般综述性文章。如果有错误遗漏之处，希望各位能够谅解。
滑铁卢国际列车站在 80 年代末开始设计，1994 年 11 月 14 日建成并开放，一直使用到 2007 年 11 月 13 日关闭，在此期间，它一直是欧洲之星国际铁路服务的伦敦终点站。2017 年 8 月部分站台重新开放后不久便再度关闭，随后开始进行大范围的改建扩建。去年年中，改建扩建工程完成，该火车站再度对外开放。对普通大众而言，它只是一个大型火车站，没有特别之处。对于建筑和结构工程从业人员而言，这座火车站的 TrainShed 钢结构顶棚是由建筑师 Nicholas Grimshaw 和结构工程师 Tony Hunt 设计的。它在现代建筑和结构工程领域有着非常突出的行业知名度，也占据着重要地位。如今，我们来领略一下它在结构设计、制作以及施工安装方面的精妙之处。
结构设计
滑铁卢国际列车站拱形屋盖钢结构顶棚设计是由结构工程师 Tony Hunt 团队和建筑师 Nicholas Grimshaw 团队密切合作产生的。建筑和结构设计团队在多个方面进行了协作，包括钢结构主体屋架体系，以及屋盖和玻璃幕墙系统的连结构造等。正是因为这些全面的协作，才创造出了这一在视觉和技术上性能都优秀的建筑。在当初进行设计的时候，一系列的挑战和难题摆在了建筑师和结构工程师们的面前。
场地受到几何条件的限制。其几何形状较为特殊，这导致结构和屋盖系统的设计方案变得极为复杂。从平面角度看，如下面的图所展示的那样，该顶棚屋架的跨度从北端约 55 米宽，顺着铁轨的走向，沿着不规则曲线逐渐过渡到南端约 35 米宽，宽度逐渐减小。从北到南，整个屋盖的长度大约为 400 米。在此范围内，需要容纳 5 条铁轨以及其相关的平台。火车运行要求决定了铁轨和候车平台的布局，因此它们无法变动。
滑铁卢国际列车站鸟瞰图(图片来自网络，版权归原作者所有)
滑铁卢国际列车站鸟瞰图(图片来自网络，版权归原作者所有)
而且，有一个更特殊的问题，其中一条轨道处于非常靠近屋架系统西侧边界的位置。这就使得拱形屋架西侧支座处的拱的主体拱架必须设计得更“竖直”些，这样才能满足火车在最西侧铁轨上运行所需要的最小净高要求。
另外一个限制是屋盖的高度。屋盖的总高度被限定为 15 米，是从支座楼面标高开始计算的。英国铁路局原本打算在顶棚部分上方建造一个仅有空间使用权的建筑，以此作为该项目的资金来源，所以规定总高度限制为 15 米。而这一限制给钢结构顶棚的设计带来了重大影响。所有拱形钢结构顶棚中，矢跨比是决定拱体结构体系的重要因素。英国铁路局后来放弃了相关想法，然而为改变火车站顶棚设计而作出的决定已经太晚了。
滑铁卢国际列车站剖面图(图片来自网络，版权归原作者所有)
第三个限制条件涉及顶棚屋架结构的支座条件以及沿铁轨方向的长度。整个屋架系统在沿铁轨方向上，从北往南依次支承在一系列具有不同高度和体系的已有建筑结构上。并且，部分榀拱的支座是支承在新建的钢筋混凝土建筑上的，如下所示。另外，2 至 17 轴之间的轨道结构在下图中被设计为连续的，不存在任何伸缩缝。这对上方的钢结构屋盖结构会产生一定的约束。所以，屋盖结构的设计既要考虑到火车运行时，因不同支座条件刚度而引起的空间三个维度的支座变形，又要考虑到 2 至 17 轴之间的整体结构因超长而引发的温度应力和变形。
图片展示了不同的支撑结构，此图片来自网络，版权归原作者所有。
最后一个主要限制条件是屋盖所设计承受的荷载条件。普通的风、雪等荷载属于常见的荷载类型。这里需要特别指出的是，除了这些普通荷载之外，还有由建筑屋面系统所确定的附加荷载。当时建筑师设计这个顶棚屋盖时，有一个主要原则。这个原则是，屋盖既要能围合建筑物的内部空间，实现遮风挡雨的建筑实用功能，又希望屋盖系统具备充足的自然采光。尤其是西侧对着伦敦市中心和泰晤士河方向的那一侧，建筑师希望将这一侧的屋面系统设计为轻盈透明的玻璃幕墙系统。西侧的屋盖实现了采光观景的建筑美学功能；顶部及东侧的大部分屋盖主要是较重的不透光保温的屋盖系统，用于实现建筑的实用功能并尽可能节能。整个屋盖体系受到了不对称的恒载作用，具体情况如下：
相应的钢结构屋面图集，在附加恒载作用下的弯矩图如下所示。此图中，蓝色区域是三铰拱下的受拉区域，红色区域是三铰拱面以上的受拉区域。
结构设计需要满足上述一系列限制条件及原则。其一，基本的结构布置要尽量规则，这样施工会更简单。其二，屋盖主要的承重结构元素需在宽度方向上横跨整个需覆盖的火车轨道及站台区域，以支承上覆屋面系统，包括东侧的普通屋金属保温屋面系统和西侧的玻璃采光顶系统。Tony Hunt 在设计屋盖主承重结构元素时，采用了单跨跨越建筑物整个宽度的三铰拱结构体系，且该体系不对称。在构建三铰拱两拱肢的空间形态过程中，由于考虑到拱架受荷特征，按照结构在主要荷载作用下沿主屋架所受的弯矩分布特征，他创造性地提出了三角形渐变梭形杆件截面的三铰拱体系。东侧的受拉杆在主弦杆的下侧，西侧的受拉杆在主弦杆的上侧。这样能让三铰拱具备最符合力学受力特征的几何形态，因为张弦拉杆设置的位置与体系在荷载作用下的弯矩图基本一致。
滑铁卢国际列车站的三铰拱主桁架南立面视图，此视图来自网络，其版权归原作者所有。
这样的结构体系本身在空间视觉感官方面相当引人注目，还为建筑提供了具有特殊力学美感的结构空间，所以被建筑师所接受。同时，这种形态的屋架体系意味着屋盖结构的任何部分都不会对其所覆盖区域内部空间的使用产生任何影响，从而完美地解决了屋盖西侧边缘的铁路轨与屋盖之间空间狭小所需的净高问题。这一屋盖体系在最西侧轨道上方几乎未占用室内空间，因为张拉弦杆是设置在主弦的上方。
(图片来自网络，版权归原作者所有)
三铰拱体系能够最小化支座不均匀位移及沉降对屋盖主承重构件的影响。因为从理论上来说，支座的变形不会给三铰拱体系带来任何次生应力的影响。
滑铁卢国际列车站的三铰拱主桁架的 3D 模型视图，此视图来自网络，其版权归原作者所有。
钢屋盖总长度从南至北约 400m，对于屋盖次结构来说，其长度超出了屋盖次结构系统所能允许的范围。所以沿屋盖南北长度方向，每隔 50 - 60m 就设置一道变形缝(Expansion Joint)，如下面的图所示。变形缝的设置能够有效地降低在屋盖次结构中因温度变化而产生的温度应力对屋盖次结构带来的不利影响。同时，变形缝能够有效地对以下情况进行协调：一是由于支座变形所导致的情况；二是结构在荷载作用下产生变形所导致的情况；三是施工误差致使各变形段之间出现空间位置差异的情况。变形缝通过简单的套筒构造得以实现，这种构造就是大钢管插入一个小钢管的构造。
图片展示了膨胀节的位置，此图片来自网络，版权归原作者所有。
事后看，这种钢结构体系的设计显得简单，符合逻辑且自然。但在未给出答案且无先例参考时，第一个提出的最简单且符合力学规律的方案就是真正的创新。尽管事后理解起来似乎也不难。这种合理的三铰拱设计使得拱架的所有主要受力构件和次要受力构件都得到了最为合理高效的布置。它实现了截面尺寸的最优化，并且满足了针对此特定建筑物的各种要求。需要说明的是，若没有 15m 矢高的空间限制，三铰拱的设计会更加优化。现有的结构设计呈现出的细节空间造型相当复杂，其结构构件如下图所示。这一细节空间造型正是基于矢高限制所得到的最合理且最接近理论最优的解决方案。另外，要在沿轨道曲线渐变的狭长场地上经济地实现这一结构设计，同时满足建筑师的设计构想，需要具备很高的创造力和执行力。建筑师 Nicholas Grimshaw 的团队与结构工程师 Tony Hunt 的团队在这一过程中进行了充分合作，他们再次展现出了处理实际问题的技能，这种技能是无与伦比的，同时也展现出了处理实际问题的效率，这种效率也是无与伦比的。
屋盖的三铰拱主桁架存在空间节点，这些空间节点的构成情况可参考图片（图片来自网络，版权归原作者所有）。
钢结构制作
与三铰拱桁架制造相关的一个重要问题在于：要设计出一种经济的办法，以应对主受力桁架从北至南沿着轨道曲线方向跨度逐渐变小所导致的尺寸和高度的变化。若每一榀拱架都不相同，那么制作施工就会极为不便，并且造价也会很高昂。对此，结构设计已考虑三铰拱主拱架几何尺寸的渐变。所有杆件的空间位置是通过成比例缩放来实现的，具体如下：
展示用于初级结构的缩放因子（图片来源于网络，其版权归原作者所有）
上图显示，主桁架的跨度逐渐从 48.5m 减小到 32.7m。同时，屋顶的总高度、桁架的深度以及宽度都随着跨度的减小而按比例缩小。保持所有三铰拱桁架的某些关键控制尺寸不变，比如基础铰链之间的高度差，同时按比例缩小其他桁架的尺寸，这样在大多数节点处，几何形状对于所有桁架是相同的，只是与连结的杆件长度有所差异。并且在桁架缩放过程中，将三铰拱桁架各次杆件直径的变化限制为两个，这就意味着每个节点连接只需两个不同的模式。因此标准化程度显著提升，这能让制造成本控制在可接受范围。这意味着所有桁架外观相似，且掩盖了桁架尺寸逐步变化的事实。实际施工完成的结构给人的视觉感受是在渐渐缩小，而非不连续突变，这是建筑设计想通过该建筑传递给人们的重要视觉感官质量元素。
三铰拱桁架的空间排列给人带来的视觉感受，此图片来自网络，其版权归原作者所有。
三铰拱桁架各杆件之间的空间汇交节点的杆件连结节点构造，对于不同跨度的拱架是相同的。这给钢结构的节点制作带来了很大的便利。因为这种标准化的节点设计能够让钢结构的制作大大简化且标准化，同时也极大地降低了钢结构构件的制作成本。然而，尽管如此，主拱架各汇交杆件的节点的几何形状依然较为复杂。因此，要实现视觉上令人满意的复杂空间三维节点问题，关键在于使用可焊接铸钢节点。（如下图所示）
三铰拱桁架顶部铰铸钢节点(图片来自网络，版权归原作者所有)
每个三铰拱桁架都有两个基座铰节点和一个顶部铰节点，这两个基座铰节点和顶部铰节点是三铰拱的主连结传力节点。因此，这三个节点的尺寸被设计得很大，并且在造型上被设计成既精致优雅又能实现结构功能的形式。构造最复杂的铸钢节点出现在主桁架的受拉侧，如前图所示，每个节点上最多有五个杆件单元，同时还有与稳定结构相关的另外三个拉杆与之相连。使用铸钢节点能够让节点的形式得到很大程度的简化，而传统的焊接节点以及/或者螺栓连接无法做到这一点。
另外，结构的受压侧与受拉侧的大小存在差异，这给工程带来了进一步的难题。三铰拱桁架的主弦杆，其中间跨位置处是直径为 355 毫米的圆形空心截面钢管，到两端时尺寸减小为直径 219 毫米。杆件截面尺寸的改变是通过端板连接来实现的。张弦杆则是直径 75 毫米的实心圆钢杆。为使结构张弦侧复杂连接的尺寸最小化，需让构件尺寸尽量小。这表明连结三铰拱主压弦杆和张弦拉杆的撑杆得是锥形的，如此它们能一端与大直径主压弦杆连结，另一端与小直径张弦拉杆连结，且两端的连结接头能形成令人满意的节点。这种锥形元件一端粗一端细。它是利用 YRM Anthony Hunt Associates 先前开发的技术制成的。具体是利用大型制动卷板机把梯形板弯曲，从而形成半锥体。接着将这些半锥体焊接在一起，就形成了圆锥形的锥形尺寸。结构工程师 Hunt 的团队当时研发了一项新颖技术，用于在热轧钢中生产锥形元件。他们这样做是为了追求“优雅”的三铰拱钢桁架。三铰拱主桁架中所有连接节点的最终形式，是通过 CAD 技术并与建筑师 Nicholas Grimshaw and Partners 协商后开发和完善的。从结构角度来看，这些形式具有良好的性能；从美学角度来看，这些形式也具有良好的性能。其标准就是如此。
三铰拱桁架基座铰铸钢节点(图片来自网络，版权归原作者所有)
钢结构工厂预拼装
每个桁架在空间上是立体的。所以在设计时对构件的运输进行了仔细考虑。当时建议把每个三铰拱短边一侧的拱桁架当作一个整体来制造和运输。但长边一侧的主拱桁架必须拆分成三个单元，接着用 HSFG 螺栓接头在现场进行组装。屋顶的几何形状要求严格控制制造公差，目的是确保拱桁架和屋面板之间的协调。在制造的各个阶段，都使用电子测距设备对所有的尺寸进行了全方位的检查。主要桁架先是在车间内进行组装，接着确定了整体的尺寸，之后才被派往油漆车间和现场。
钢结构构件制作完成后，为保证施工安装顺利进行，对制作好的钢结构进行了工厂模拟预拼装。其中选择了轴线 15 和 16 之间的单元进行预拼装。从图中可以看出。选择轴线 15 和 16 之间的单元是因其具有典型性，且能代表整个结构的平均复杂度。此图为当年的工厂预拼装照片。
钢结构现场施工安装
待各项准备工作完成且预拼装成功实施后钢结构屋面图集，便开始进行现场安装。现场安装从火车站的北端（也就是三铰拱桁架跨度最大的那一端）开始，每个部分都以一个完整的钢制临时支撑托架为起点，依次向南延伸一个托架。具体如下：第一步，依据在工厂车间测量得到的每个桁架的实际尺寸，把三铰拱桁架的两个基座铸钢节点构件安装在轨道支撑结构上。首先将三铰拱长肢侧桁架分成三部分运输至现场，接着在现场地面把这三部分水平安装成一个整体，之后再将其吊装至临时支架上进行就位。随后把由工厂组装好的三铰拱短肢侧小桁架吊装到相应位置，把它的低端放置在基座铸钢节点铸件上，最后按照设计将其铰接固定在铸钢支座上。首先，使用单独的移动式起重机把三铰拱桁架的长肢内端吊起至设计就位点，接着把短肢内端也吊起至设计就位点，让其叉形连接相互啮合的节点在就位点合拢，然后安装中心销，这样一来一榀三铰拱桁架就安装完成了。临时栈桥持续提供横向约束，与此同时继续吊装下一榀三铰拱桁架，按照这样的顺序依次类推，一直到吊装工作全部完成。整个施工安装过程是依据事先在工厂中预拼装所实施的方案来进行的。所以，钢结构的施工安装过程既顺利又高效。
三铰拱桁架现场安装(图片来自网络，版权归原作者所有)
结论及启示
滑铁卢国际列车站的 TRAINSHE D 钢结构顶棚是自 19 世纪起英国大型火车站中建造的首个兼具金属压型钢板屋面和玻璃采光顶的火车站顶棚结构。它的建成得益于结构设计工程师的创新体系设计。这种创新体系设计是基于结构实际的受力模型来设计的，所设计的结构受力体系与结构受力特征相匹配。这样一来，既极大地实现了结构的合理性，又实现了材料利用的高效性，同时还为建筑提供了具有特殊力学美感的结构空间。另外，其设计、施工和安装都得益于计算机辅助设计技术的应用，同时也得益于焊接、铸造技术的应用，尤其是可焊接铸钢节点的使用。滑铁卢国际火车站的 TRAINSHED 钢结构顶棚从侧面展示了在当时设计、施工和建设的年代，新技术是怎样被迅速应用到建筑钢结构的制作和安装中的。在整个 20 世纪的大部分时间里都能够实现可靠的铸钢技术，然而直到 1970 年代才把它重新引入到结构工程中。滑铁卢国际火车站的 TRAINSHED 钢结构顶棚设计应用并完工后，它已成为现代钢结构设计处理复杂节点的标准技术手段之一。这表明任何先进技术的推广需设计先行，而先进技术的成功应用能推动设计创新以满足更复杂挑战的项目要求。我认为滑铁卢国际火车站的 TRAINSHED 钢结构顶棚设计的成功能给我们带来一些启示。
从结构设计的角度来看，滑铁卢火车站钢结构顶棚设计在结构体系设计创新方面取得了成功应用，这直接促使了现代结构设计中一个有趣流派的诞生，即 Adaptive Structural Design。非主流的情况存在，并且很多相关创新多是依据具体项目的要求与特点来量身定制的，不具备很强的推广普及性与可复制性。然而，从众多结构工程师、建筑师以及学者在这方面的结构探索中，我们能够轻易看到结构概念创新的星星之火所散发的璀璨光芒，或许这里正孕育着下一个具有划时代意义的结构设计创新，谁能知晓呢？
