滑鐵盧國際列車站（Waterloo International Rail Terminal）設(shè)計(jì)于80年代末，于1994年11月14日建成開放，到2007年11月13日關(guān)閉為止，一直是歐洲之星（Eurostar）國際鐵路服務(wù)的倫敦終點(diǎn)站。在2017年8月部分站臺重新開放后不久又再度關(guān)閉進(jìn)行大范圍的改建擴(kuò)建，于去年年中完成改建擴(kuò)建工程并再度對外開放。對普通大眾來說，這只不過是一個大型火車站而已，似乎沒有什么過于特別的地方。但對于建筑和結(jié)構(gòu)工程從業(yè)人員來講，由建筑師Nicholas Grimshaw 和結(jié)構(gòu)工程師Tony Hunt為這座火車站所設(shè)計(jì)的TrainShed鋼結(jié)構(gòu)頂棚則在現(xiàn)代建筑和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域具有相當(dāng)突出的行業(yè)知名度和重要地位。今天我們就來領(lǐng)略一下它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制作及施工安裝的精妙之處。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑鐵盧國際列車站拱形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)頂棚設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)工程師Tony Hunt和建筑師Nicholas Grimshaw兩個團(tuán)隊(duì)之間密切合作的產(chǎn)物。正是因?yàn)榻ㄖ徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在從鋼結(jié)構(gòu)主體屋架體系到屋蓋及玻璃幕墻系統(tǒng)的連結(jié)構(gòu)造等建筑物的各個方面進(jìn)行了全面的協(xié)作，才創(chuàng)造出了這一在視覺上和技術(shù)上均性能優(yōu)秀的建筑。但在當(dāng)初的設(shè)計(jì)時(shí)，擺在建筑師和結(jié)構(gòu)工程師們面前的卻是一系列的挑戰(zhàn)和難題。

首先是場地幾何條件限制。場地幾何形狀的特殊性使得結(jié)構(gòu)和屋蓋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案非常復(fù)雜。從平面來看，如下圖所示，該頂棚屋架的跨度從北端約55m寬沿著鐵軌的走向沿著不規(guī)則曲線過渡到南端約35m的寬度逐漸減小。由北至南整個屋蓋的長度大約400m。而在此范圍內(nèi)，必須要容納5條鐵軌及其相關(guān)平臺，而鐵軌和候車平臺的布局是由火車運(yùn)行要求決定的，所以無法變動。

滑鐵盧國際列車站鳥瞰圖

而且，一個更為特殊的問題是，其中一條軌道位于非常靠近屋架系統(tǒng)的西側(cè)邊界位置。這使得拱形屋架的西側(cè)支座處拱的主體拱架必須要設(shè)計(jì)得更加”豎直”，以滿足火車在最西側(cè)鐵軌上運(yùn)行所需的最小凈高要求。

另外一個則是屋蓋的高度限制。屋蓋總高度被限制為15m (從支座樓面標(biāo)高算起)。之所以規(guī)定總高度限制為15 m，是因?yàn)橛F路局原來打算在頂棚部分的上方再建造一個僅有空間使用權(quán)（air-rights）的建筑，作為為該項(xiàng)目提供資金的收入來源。但這一限制對鋼結(jié)構(gòu)頂棚的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了重大的影響。因?yàn)閷λ泄靶武摻Y(jié)構(gòu)頂棚來說，矢跨比是決定拱體的結(jié)構(gòu)體系的最為重要的因素。[盡管英國鐵路局后來放棄了這個想法，但為改變火車站頂棚的設(shè)計(jì)而作出的決定為時(shí)已晚。]

滑鐵盧國際列車站剖面圖

第三個限制條件是頂棚屋架結(jié)構(gòu)的支座條件和沿鐵軌方向的長度。整個屋架系統(tǒng)沿著鐵軌方向由北向南分別支承于一系列不同高度和體系的已有建筑結(jié)構(gòu)上，同時(shí)部分榀拱的支座則支承于新建的鋼筋混凝土建筑上，如下圖所示。另外，下圖的2至17軸之間軌道結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成連續(xù)的，沒有任何伸縮縫，這對上方的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的約束。因此屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅需要考慮到在火車運(yùn)行時(shí)，由不同支座條件剛度所引起的空間三個維度的支座變形，同時(shí)還要考慮到由于2至17軸之間整體結(jié)構(gòu)由于其超長而引發(fā)的溫度應(yīng)力和變形。

Plan layout showing different suppo

最后一個主要限制條件就是屋蓋所設(shè)計(jì)承受的荷載條件。除普通的風(fēng)，雪等荷載外，這里需要特別指出的就是由建筑屋面系統(tǒng)所確定的附加荷載。當(dāng)時(shí)建筑師在設(shè)計(jì)這個頂棚屋蓋時(shí)所設(shè)想的一個主要原則就是這個屋蓋既可以將建筑物的內(nèi)部空間圍合實(shí)現(xiàn)其遮風(fēng)擋雨的建筑實(shí)用功能，又希望屋蓋系統(tǒng)能夠具有充足的自然采光，尤其是西側(cè)對著倫敦倫市中心和泰晤士河方向的一側(cè)，建筑師希望將這一側(cè)的屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)成輕盈透明的玻璃幕墻系統(tǒng)。這樣西側(cè)的屋蓋則實(shí)現(xiàn)著采光觀景的建筑美學(xué)功能；而頂部及東側(cè)的大部分屋蓋即主要為較重的不透光保溫的屋蓋系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)建筑的實(shí)用功能并盡可能地節(jié)能。這樣一來整個屋蓋體系就受到了不對稱的恒載作用，定性的如下所示：

相應(yīng)的在附加恒載作用下的彎矩圖則如下圖所示。圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)槿q拱下受拉區(qū)域，而紅色區(qū)域則為三鉸拱面以上受拉區(qū)域：

所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要滿足以上所列的一系列的限制條件及原則。首先，基本的結(jié)構(gòu)布置必須要盡可能規(guī)則（施工簡單），屋蓋主要的承重結(jié)構(gòu)元素必須要在寬度方向上橫跨整個需覆蓋的火車軌道及站臺區(qū)域，并用于支承上覆屋面系統(tǒng)（東側(cè)的普通屋金屬保溫屋面系統(tǒng)和西側(cè)的玻璃采光頂系統(tǒng)）。因此Tony Hunt在設(shè)計(jì)屋蓋主承重結(jié)構(gòu)元素時(shí)，采用了不對稱的單跨跨越建筑物整個寬度的三鉸拱結(jié)構(gòu)體系，在構(gòu)建三鉸拱兩拱肢的空間形態(tài)時(shí)，考慮到拱架受荷特征，按照結(jié)構(gòu)在主要荷載載作用下沿主屋架所受的彎矩分布特征，創(chuàng)造性地提出了三角形漸變梭形桿件截面的三鉸拱體系。東側(cè)的受拉桿置于主弦桿的下側(cè)，而西側(cè)的受拉桿置于主弦桿的上側(cè)。以使得三鉸拱具有最符合力學(xué)受力特征的幾何形態(tài)（張弦拉桿設(shè)置的位置同體系在荷載作用下的彎矩圖基本一致！）。

滑鐵盧國際列車站三鉸拱主桁架南立面視

這樣的結(jié)構(gòu)體系本身在空間視覺感官上相當(dāng)引人注目并且為建筑提供了具有特殊力學(xué)美感的結(jié)構(gòu)空間，因此為建筑師所接受。同時(shí)，這種形態(tài)的屋架體系還意味著屋蓋結(jié)構(gòu)的任何部分都不會對其所覆蓋區(qū)域內(nèi)部空間的使用造成任何影響，因此完美地解決了屋蓋西側(cè)邊緣的鐵路軌和屋蓋之間空間狹小所需的凈高問題。因?yàn)檫@一屋蓋體系在最西側(cè)軌道上方幾乎沒有占用任何室內(nèi)空間（張拉弦桿設(shè)置在主弦的上方）。

同時(shí)三鉸拱體系可以最小化支座不均勻位移及沉降對屋蓋主承重構(gòu)件的影響，因?yàn)槔碚撋现ё淖冃螌θq拱體系并不會帶來任何次生應(yīng)力的影響。

滑鐵盧國際列車站三鉸拱主桁架3D模型視

對于屋蓋次結(jié)構(gòu)而言，由于鋼屋蓋的總長度由南至北約400m，其長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了屋蓋次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所能允許的范圍。因此沿屋蓋南北長度方向每隔50-60m即設(shè)置一道變形縫(Expansion Joint)，如下圖所示。變形縫的設(shè)置可以有效地減少在屋蓋次結(jié)構(gòu)中由于溫度變化而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對屋蓋次結(jié)構(gòu)的不利影響。同時(shí)變形縫還能有效地協(xié)調(diào)由于支座變形，結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形以及施工誤差導(dǎo)致的各變形段之間的空間位置差異。變形縫同歸簡單的套筒構(gòu)造得以實(shí)現(xiàn)（即大鋼管插一個小鋼管的構(gòu)造）

Plan layout showing location of expa

事后看來，這種鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)似乎顯得非常簡單，符合邏輯且水到渠成。但是在沒有給出答案并沒有任何先例作參考的情況下，第一個提出的最簡單最符合力學(xué)規(guī)律的方案即為真正的創(chuàng)新。盡管事后看來似乎也不難理解。通過這種合理的三鉸拱設(shè)計(jì)，拱架所有的主要/次要受力構(gòu)件均得到了最為合理高效的布置，并實(shí)現(xiàn)了其截面尺寸最優(yōu)化，同時(shí)也滿足了針對于此特定建筑物的各種要求。

需要說明的是，如果沒有15m矢高的空間限制，三鉸拱的設(shè)計(jì)還會更加優(yōu)化。現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所呈現(xiàn)出來的相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的細(xì)節(jié)空間造型（如下圖所示）正是基于這一矢高限制下所得的最合理的且最接近理論最優(yōu)的解決方案。另外。要將這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在沿軌道曲線漸變的不規(guī)則的狹長的場地上真正經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又滿足建筑師的設(shè)計(jì)構(gòu)想，同樣需要有很高的創(chuàng)造力和執(zhí)行力。在這一過程中，建筑師Nicholas Grimshaw 和結(jié)構(gòu)工程師Tony Hunt的團(tuán)隊(duì)通過充分的合作，再一次展現(xiàn)了處理實(shí)際問題無與倫比的技能和效率。

屋蓋三鉸拱主桁架空間節(jié)點(diǎn)構(gòu)成

鋼結(jié)構(gòu)制作

與三鉸拱桁架的制造相關(guān)的一個重要問題是：需要設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)的方法來應(yīng)對主受力桁架由北至南沿著軌道曲線方向跨度逐漸變小而引起的尺寸和高度的變化。否則每一榀拱架各不相同，則制作施工均極為不便且造價(jià)高昂。對此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對三鉸拱主拱架的幾何尺寸的漸變已經(jīng)作了考慮，所有桿件的空間位置都是按照成比例的縮放來實(shí)現(xiàn)的，如下所示：

由上圖可見，主桁架的跨度從48.5 m逐步減小到32.7 m，并且屋頂?shù)目偢叨纫约拌旒艿纳疃群蛯挾扰c跨度的減小成比例地縮小。通過保持所有三鉸拱桁架的某些關(guān)鍵控制尺寸不變（例如，基礎(chǔ)鉸鏈之間的高度差）并按比例縮小所有其他桁架的尺寸，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)處的幾何形狀對于所有桁架都是相同的-僅與其連結(jié)的桿件長度有所不同。同時(shí)在桁架縮放的過程中，對三鉸拱桁架各次桿件直徑的變化限制為兩個，這意味著每個節(jié)點(diǎn)連接僅需要兩個不同的模式。因此實(shí)現(xiàn)了顯著的標(biāo)準(zhǔn)化程度，這使得制造成本可以控制在可接受的范圍內(nèi)。這也意味著所有桁架的外觀都非常相似，并且掩蓋了桁架尺寸的變化是逐步發(fā)生的事實(shí)。實(shí)際施工完成的結(jié)構(gòu)給人的視覺感受似乎在不斷漸漸地縮小，而不是不連續(xù)地突變，這也是建筑設(shè)計(jì)想要通過該建筑傳遞給人們的視覺感官質(zhì)量的一個非常重要的元素。

三鉸拱桁架空間排列視覺感受

三鉸拱桁架空間排列視覺感受

基于上述原則，三鉸拱桁架各桿件與桿件間的空間匯交節(jié)點(diǎn)的桿件連結(jié)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造對不同跨度的拱架都是一致的。這給鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)制作帶來了極大的方便。因?yàn)檫@種標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可以以使鋼結(jié)構(gòu)的制作變得大大簡化和標(biāo)準(zhǔn)化，也極大地降低了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作成本。但盡管如此，由于主拱架各匯交桿件的節(jié)點(diǎn)的幾何形狀還是比較復(fù)雜。因此，實(shí)現(xiàn)在視覺上令人滿意的復(fù)雜的空間三維節(jié)點(diǎn)問題的關(guān)鍵是使用可焊接鑄鋼節(jié)點(diǎn)（如下圖所示）。

三鉸拱桁架頂部鉸鑄鋼節(jié)點(diǎn)

每個三鉸拱桁架的兩個基座鉸節(jié)點(diǎn)和頂部鉸節(jié)點(diǎn)是三鉸拱的主連結(jié)傳力節(jié)點(diǎn)，所以這三個節(jié)點(diǎn)的尺寸被設(shè)計(jì)得很大，并在造型上被設(shè)計(jì)為既顯得精致優(yōu)雅又能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的形式。而構(gòu)造最復(fù)雜的鑄鋼節(jié)點(diǎn)發(fā)生在主桁架的受拉側(cè)，如前圖所示，每個節(jié)點(diǎn)上最多有五個桿件單元和與穩(wěn)定結(jié)構(gòu)相關(guān)的另外三個拉桿與之相連。因此使用鑄鋼節(jié)點(diǎn)可以大大簡化節(jié)點(diǎn)的形式，這是傳統(tǒng)的焊接節(jié)點(diǎn)和/或螺栓連接所無法實(shí)現(xiàn)的。

另外，結(jié)構(gòu)的受壓側(cè)和受拉側(cè)的大小不同也帶來了進(jìn)一步的困難。三鉸拱桁架主弦桿由中跨位置處直徑為355 mm的圓形空心截面鋼管，尺寸減小到兩端的直徑為219 mm。桿件截面尺寸的變化通過端板連接。張弦桿為直徑75 mm的實(shí)心圓鋼桿。為了使結(jié)構(gòu)的張弦側(cè)上的復(fù)雜連接的尺寸最小化，則必須要使構(gòu)件的尺寸保持盡可能小。這意味著連結(jié)三鉸拱主壓弦桿和張弦拉桿的撐桿必須要是錐形的，這樣它們才能與一端與大直徑主壓弦桿連結(jié)，另一端與小直徑的張弦拉桿連結(jié)，并且兩端的連結(jié)接頭形成令人滿意的節(jié)點(diǎn)。

而這種一端粗一端細(xì)的錐形元件是利用YRM Anthony Hunt Associates先前開發(fā)的技術(shù)制成的：即利用大型制動卷板機(jī)將梯形板彎曲以形成半錐體，再將其焊接在一起以形成圓錐形的錐形尺寸。這項(xiàng)當(dāng)時(shí)用于在熱軋鋼中生產(chǎn)錐形元件的新穎技術(shù)是結(jié)構(gòu)工程師Hunt的team為追求這項(xiàng)“優(yōu)雅”的三鉸拱鋼桁架而進(jìn)行的進(jìn)一步創(chuàng)新。三鉸拱主桁架中所有連接節(jié)點(diǎn)的最終形式是通過CAD技術(shù)并與建筑師Nicholas Grimshaw and Partners協(xié)商后開發(fā)和完善的。其標(biāo)準(zhǔn)即為不管是從結(jié)構(gòu)和美學(xué)的角度來看，這些形式都具有良好的性能。

三鉸拱桁架基座鉸鑄鋼節(jié)點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)工廠預(yù)拼裝

由于每個桁架是在空間上是立體的，因此設(shè)計(jì)時(shí)對構(gòu)件的運(yùn)輸也進(jìn)行了仔細(xì)考慮。當(dāng)時(shí)的建議是將每個三鉸拱短邊一側(cè)的拱桁架作為一個整體進(jìn)行制造和運(yùn)輸，但是必須長邊一側(cè)的主拱桁架拆分為三個單元，然后使用HSFG螺栓接頭現(xiàn)場組裝。屋頂?shù)膸缀涡螤钜髧?yán)格控制制造公差，以確保拱桁架和屋面板之間的協(xié)調(diào)。在制造的每個階段都使用電子測距設(shè)備對所有尺寸進(jìn)行了全面檢查。主要桁架在車間內(nèi)組裝，并確定整體尺寸，然后再派往油漆車間和現(xiàn)場。

在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作完成后，為了確保施工安裝的順利進(jìn)行，對制作好的鋼結(jié)構(gòu)還進(jìn)行了工廠的模擬預(yù)拼裝。當(dāng)時(shí)選擇了軸線15和16之間的單元進(jìn)行了預(yù)拼裝。如下圖所示。之所以選擇軸線15和16之間的單元是因?yàn)樗哂械湫托裕⒖梢源碚麄€結(jié)構(gòu)的平均復(fù)雜度。

鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工安裝

待所有的準(zhǔn)備工作就緒，預(yù)拼裝也成功實(shí)施后，開始現(xiàn)場安裝。現(xiàn)場安裝從火車站北端（即三鉸拱桁架跨度最大的一端開始）每個部分都從一個完整的鋼制臨時(shí)支撐托架開始，一次向南延伸一個托架。

具體做法是：第一步先根據(jù)在工廠車間測量所得的每個桁架的實(shí)際尺寸，將三鉸拱桁架的兩個基座鑄鋼節(jié)點(diǎn)構(gòu)件安裝在軌道支撐結(jié)構(gòu)上。然后將三鉸拱長肢側(cè)桁架分三部分運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，并在現(xiàn)場地面進(jìn)行水平安裝成整體后再吊裝至臨時(shí)支架上以就位。然后將由工廠已經(jīng)完成組裝的三鉸拱短肢側(cè)小桁架吊裝至相應(yīng)的位置，將其低端就位至基座鑄鋼節(jié)點(diǎn)鑄件上，并將其按設(shè)計(jì)鉸接固定在鑄鋼支座。最后采用單獨(dú)的移動式起重機(jī)將三鉸拱桁架的長肢和短肢的內(nèi)端分別吊起至設(shè)計(jì)就位點(diǎn)，使其叉形連接相互嚙合的節(jié)點(diǎn)在就位點(diǎn)合攏，最后安裝中心銷。至此一榀三鉸拱桁架安裝完成。

臨時(shí)棧橋繼續(xù)提供橫向約束，同時(shí)繼續(xù)吊裝下一榀三鉸拱桁架，依次類推，直至吊裝完成。因此，整個施工安裝過程完全依據(jù)事先工廠中預(yù)拼裝所實(shí)施的方案進(jìn)行，故鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝過程非常順利且高效。

結(jié)論及啟示

滑鐵盧國際列車站的TRAINSHED鋼結(jié)構(gòu)頂棚是自19世紀(jì)以來英國大型火車站中建造的第一個同時(shí)具有金屬壓型鋼板屋面和玻璃采光頂火車站頂棚結(jié)構(gòu)。它的建成得益于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的創(chuàng)新體系設(shè)計(jì) – 即基于結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力模型所設(shè)計(jì)的與結(jié)構(gòu)受力特征相匹配的結(jié)構(gòu)受力體系，從而在極大地實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)合理性和材料利用的高效性的同時(shí)也為建筑提供了具有特殊力學(xué)美感的結(jié)構(gòu)空間。另外，其設(shè)計(jì)施工安裝也得益于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用以及焊接，鑄造，尤其是可焊接鑄鋼節(jié)點(diǎn)的使用。

滑鐵盧國際火車站的TRAINSHED鋼結(jié)構(gòu)頂棚也從側(cè)面向人們展示了在當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)施工建設(shè)的年代，新技術(shù)是如何被迅速應(yīng)用到建筑鋼結(jié)結(jié)構(gòu)的制作和安裝中。可靠的鑄鋼技術(shù)在整個20世紀(jì)的大部分時(shí)間里都可以實(shí)現(xiàn)，但是直到1970年代才將其重新引入結(jié)構(gòu)工程中。在滑鐵盧國際火車站的TRAINSHED鋼結(jié)構(gòu)頂棚設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用并成功實(shí)施完工后，它幾乎已成為應(yīng)用于現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以處理復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)手段之一，由此可見，任何先進(jìn)技術(shù)的推廣離不開設(shè)計(jì)先行，而先進(jìn)技術(shù)的成功應(yīng)用又反過來推動設(shè)計(jì)的創(chuàng)新以應(yīng)對更復(fù)雜更具挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目要求。我想這正是滑鐵盧國際火車站的TRAINSHED鋼結(jié)構(gòu)頂棚設(shè)計(jì)的成功給我們帶來的一點(diǎn)啟示吧。

而從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來說，滑鐵盧火車站鋼結(jié)構(gòu)頂棚設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)創(chuàng)新方面的成功應(yīng)用，直接催生了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個有意思的流派 – Adaptive Structural Design。盡管非主流，而且很多相關(guān)的創(chuàng)新大多是基于具體項(xiàng)目的要求和特點(diǎn)而量身定制，不具有很強(qiáng)的推廣普及性和可復(fù)制性，但從眾多結(jié)構(gòu)工程師，建筑師以及學(xué)者在這方面的結(jié)構(gòu)探索中，我們不難看到結(jié)構(gòu)概念創(chuàng)新的星星之火所發(fā)出的璀璨之光，這其中也許正孕育著下一個劃時(shí)代的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，誰知道呢？