工程巡礼—劳力士学习中心
作者：顾乐明
瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）于2004年为其在瑞士沃州洛桑的新学习中心举办了一场建筑设计竞赛。最终日本建筑设计事务所SANAA，连同德国结构事务所Bollinger+Grohmann摘得竞赛桂冠。学习中心以赞助商劳力士命名，THE ROLEX LEARNING CENTER，并于2010年2月22日建成并向公众开放。
起伏的建筑
这是一栋一层建筑，投影为一个120.5mx162.5m的矩形。其波浪起伏的建筑造型不会在视觉上挡住校园内已有的景观，建筑与周围的环境相得益彰。建筑高低起伏，室内空间形成“山丘”和“山谷”的形态，自然划分成不同的功能区域，有报告厅、图书馆、办公室、学生服务中心、一个咖啡厅和一个食堂，没有使用传统的墙体楼板来分隔。
楼板、屋顶和中间的玻璃就像一个不断起伏的三明治，创造出一些流动的空间。同时若干天井错落地分布于各处，是学生和老师休闲的公共区域，主入口就设置在天井处。
地毯、吸声吊顶、与跨度相比较低的层高，都保证了较好的声音环境。小i在洛桑理工留学的朋友反映，虽然层高只有4m，但走在其中并不觉得压抑。
不完美地壳体
一眼看上去，劳力士学习中心与SANAA的另一个作品“丰岛美术馆”比较相似，但实际上两者的结构差异很大。对丰岛美术馆有兴趣的读者可以通过以下链接阅读“”。
B+G的工程师一开始设计的是桁架方案。拿到SANAA这个方案，相信很多结构工程师的第一个想法也是“万能的桁架”。将上下楼板作为桁架的上下翼缘，这样结构高度就可以做到4m高，完全可以轻松实现80m的跨越。
但是这样空间中就会有很大的结构构件，这不是建筑师想要的效果。建筑师脑海中很明确，她想要的是一个透明的玻璃建筑。像纸一样轻薄的屋顶（paper-thin）和像面条一样纤细的柱子（noodle-thin supports）——“摘自B+G作品集介绍”。显然，桁架的方案被否了。
▲左侧为较小壳体，右侧为大壳体
随后，壳体的方案被提了出来。壳体形态的基础模型是SANAA在竞赛中提交的模型。结合楼板的波浪起伏，楼板被工程师划分为一大一小两个壳体，其余楼板都是地下车库的顶板。较小的壳体最大跨度为40m，矢高4m，矢跨比1/10，几何造型非对称。较大的壳体跨度为85m，矢高4.85m，矢跨比为1/17.5，壳体非常扁平。
在计算分析了初步模型后，几何优化的过程随之开展。壳体的几何形态是结构受力性能、业主、建筑师要求之间的妥协。比如，业主要求壳体中的平面区域面积加大，留出更多易用的平整空间。
▲左图为曲率优化前，右图为曲率优化后
▲左图为拱形曲面优化，右图为对天井位置的优化
进行曲率分析，调整曲面的形态，使得曲面的曲率更加顺滑；调整天井的位置，使得拱的布置更加合理。
▲拱面的布置
由于天井的设置使得壳体很不完整，且壳体上应业主要求设置了很多比较平坦的区域，无法保证壳体中的力流是理想的轴力传递。所以，结构工程师用实际上是用拱来承受竖向力的。壳体被分为“拱面区”和“平面区”。荷载由“平面区”传递到“拱面区”，再由拱面通过轴力传递给楼板和地下室。
小壳体被三个天井分隔，建立4组承载拱面，在拱面之间的区域被称为“平面区”。大壳体仅可建立了7组拱面。平面区承受竖向力时以受弯为主。因此，需要在大壳体的南部增加三组承重构件，以保证壳体的承载力和刚度。
一是利用电梯增设混凝土筒；二是在南面拱面的西下方增设一片混凝土墙；三是在对角处最长跨度的拱面下方支撑一根柱子，改善其受力性能。这几个地方小i都没有找到照片，可能是官方为了宣传效果，拍照时尽量避开了这几个区域。
▲预应力筋的布置
由于拱非常扁平，水平推力很大，所以在拱面下方布置有预应力筋。
壳体的设计
在初期，B+G提过用钢结构，但因为建筑师希望下表面是暴露的混凝土面，所以钢结构很早就被排除了。
后来，B+G提了一个三明治方案。上下表面一定高度内采用高强混凝土，比如C50/C60，而中间采用低强度的轻质混凝土。
因为壳体不是完美地受压壳，竖向作用下很大一部分是受弯作用。所以中间用轻质混凝土填充不会降低截面模量，但可以减轻自重，同时可以用于走机电管线。但是，因为浇筑难度太大施工困难被否掉了。
小i估计是施工单位嫌分三次浇筑太麻烦，而且交界面比较难处理。
最后，采取的是直接浇筑实心的壳体。在拱面区、天井周边、竖向支撑构件周围，壳体厚度达80cm，而在其他受力较小的地方，厚度可以是60cm、50cm，最小的地方是40cm。这些混凝土板的差值之间是可以穿机电管线的，所以整个建筑的机电管线全都在楼板中走完。
这难度是相当大的，当时每根管线都建了三维模型，哪些地方是可以通过的，哪些地方是要绕开的，都是建筑、结构、机电共同决定的。
最终呈现的效果就是高度统一的壳体和屋顶。
由于拱面的受力太大，钢筋布置实在太密。所以B+G又提出一种方案，在壳体立面放置结构受力钢管，以期代替钢筋。但后来因为钢材比钢筋贵，又多了现场焊接的工序，而且其截面模量太小。所以，这个方案也被否掉了。最终，采用了50mm直径的钢筋，以保证浇筑混凝土所需要的空隙。
壳体的力学性能
因为壳体在竖向荷载下弯矩比较大，所以壳体的承载力是分了N个截面去验算的。小i认为应该是先看了壳体上下表面的应力，根据应力判断哪些地方是受力比较大的，逐个进行验算。
▲截面的验算
裂缝和变形也进行了验算。计算下来跨度最大的拱竖向变形为220mm，绝对值比较大，但实际上不到1/300。因为混凝土暴露在外面，而且超长，季节温差非常大。所以加了很多温度筋，钢筋就更密了。
▲竖向荷载下的挠度
壳体的稳定没有问题。对于最大跨度的拱，极限荷载是2.8（恒+活）。但恒载是22.5 Kn/m2，活载是5Kn/m2，恒载占比非常大。所以，认为极限荷载达到2.8就满足要求了。
▲荷载位移曲线
因为业主和建筑师对壳体的形状提了很多要求，从结构上来说壳体本身就是“有缺陷的”，所以，壳体对施工缺陷和半跨荷载都不敏感，影响不超过10%。
屋面
这个项目混凝土太惊艳了，但屋面也要说一下。首先明确一点，屋顶是钢结构。虽然建筑师把它包成了与下部混凝土一样的面。柱网为9mx9m，屋面框架梁为400高的钢梁，次梁为木梁。
一开始以为是框架，但小i发现了一根支撑，查阅资料发现，原来是有支撑的。支撑间距约70m，均布置在天井的周围，一般人不会注意。这也解释了为什么柱子可以做的这么纤细。
施工
▲各点的混凝土厚度
首先曲面的各个控制点的标高在图上都标注出来了。各个点的混凝土厚度也都标识出来了，对于斜面，竖直厚度都是大于800mm的。精度相当高。
▲模板
▲模板的上表面（小i感觉应该还没有浇吧）
模板系统的搭建也很复杂，先是用搭成锯齿状的曲面，再用木模板做成曲面。木模板是采用的是三维切割。
▲钢筋的连接
因为含钢量太大了，为保证浇筑混凝土所需要的空隙，钢筋直径最大用到50mm。采用的是机械+焊接连接方式。
基本上复杂位置的钢筋放样都是在平面图纸加三维中放样的。
▲拆模时的混凝土底面
造价
看到一个评论，“这是一栋包裹着混凝土的钢结构”，为什么这么说呢。因为它的钢材用量达到了470kg/m3，共计2000t。这是一般房屋用钢量的4~5倍。耗资1.1亿瑞士法郎（按今年的汇率约合7.6亿人民币），总面积约1.7万平米，总造价合4.47万/m2。小i不得不说这是一栋土豪的建筑。
小结
劳力士学习中心是B+G从方案到施工图的项目，正好文章也写的比较详细，给我的感觉就特真实。会因为业主和建筑师的要求，有做一个不那么力学完美的壳体；在隐蔽的地方加一些支撑，和建筑达成妥协；会因为施工困难，放弃壳体的夹心层截面。
小i作一个假设，这是在国内的项目，外方建筑方案和初设都是SANAA，结构方案是B+G，但结构的初步设计和施工图是国内设计院完成，这会是一个什么样的结果？
一方面：设计院的结构愿不愿意做这么多的思考和分析？来达到建筑师想要的效果。
另一方面：B+G会提过来一个什么样的方案，会是一个完美的壳吗？会是一个夹心层的混凝土截面吗？当国内设计院希望在那三个地方做一些支撑最大跨度的拱时，外方建筑师愿不愿意妥协？不签字不盖章的顾问会不会提出来说，用钢量太大了？
仅供大家讨论。
参考文献：
1.结构与建造实现——劳力士学习中心 混凝土技术
2.Form finding of shell structures of the ROLEX LEARNING CENTER in Lausanne IASS 2009
3.ROLEX LEARNING CENTER in Lausanne: From Conceptual design to execution IASS 2009
4. DETAIL engineering 3 Bollinger+Grohmann
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