黄昱铭，曹 雨，杨子涵，赵方晓，杨雨鑫，杨 定，刘金员，徐宗伟
（1.天津大学建筑学院，天津 300072；
2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072）
随着经济与技术的发展以及城市用地的减少，人类不能只在水平方向上进行拓宽，更需要在垂直方向中求取发展空间。因此，高层建筑的发展是一种必然，同时高层建筑的结构设计也是建筑师关注的热点之一。在结构发展与创新的过程中，可以将TRIZ理论应用于其中，以便指导结构发展的方向与解决发展过程中产生的矛盾。本文首先介绍了TRIZ理论与高层建筑结构的发展现状，并运用TRIZ理论对现有的部分高层建筑结构的改进创新进行分析，得出了相关结论与评价，最终又通过TRIZ理论对高层建筑的转换层结构进行创新设计，希望以此能够解决现有转换层结构中的矛盾。
TRIZ理论从产生到发展至今，共经历了3个阶段：①创立阶段。苏联发明家阿奇舒勒通过对世界各国250多万件专利的分析研究，创造了40个发明原理与39个通用工程参数等可遵循的科学理论。②传播阶段。苏联解体后，大量的科学家移民到了美国、欧洲、亚洲，创办了一系列的公司，开发基于TRIZ理论的软件系统，并为一些公司提供咨询服务。③应用阶段。从2005年开始更多世界知名大公司开始引入TRIZ理论，并开始在内部推广，经过几十年的发展，TRIZ已进入成熟期。
TRIZ理论具有很强的实践性，可广泛地应用于各个领域，用TRIZ解决问题，首先要把问题转换为问题的模型，然后从TRIZ解决问题的工具中找到解决问题的有效方法。TRIZ理论在解决技术矛盾时主要使用矛盾矩阵工具。
TRIZ研究的冲突是工程矛盾中的技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾一般表现为以下3种：①在一个子系统中引入了某种有用功能导致某种有害功能的产生或增强；
②某种有害功能削弱了另一子系统的有用功能；
③有用功能的增强或有害功能的削弱导致另一子系统或系统变得复杂。将矛盾双方的性能用39个通用工程参数表示后，运用矛盾矩阵找到对应的发明原理可以解决技术矛盾。
物理矛盾是对同一个对象的某个特性提出了互斥的要求[1]。对此，物理矛盾一般是通过分离原理获得解决方案。分离原理有11种，现代TRIZ将其总结为4种分离方法：空间分离、时间分离、条件分离和系统级别上的分离。
TRIZ有助于思考方案，寻找和创建能够满足既定需要的系统。在这过程中，遇到的一切技术矛盾与物理矛盾都可以从40个发明原理中找到答案。发明原理构成了一个简单的清单，从中可以得到基于不同情形和时间的解决方案，帮助创建所需要的系统，这个系统也可以运用于指导建筑结构的创新。
中国高层建筑结构的出现时间远早于现代高层建筑。例如，堪称世界木结构奇迹的木塔，位于山西应县，建造于公元1056年。该建筑采用木结构，67 m，9层[2]。当然，这个时期的中国高层建筑并不是被世界所承认的。对于现代高层建筑结构而言，其经历了从框架结构→剪力墙结构→框架-剪力墙结构→筒体结构的发展过程。目前，高层建筑有“轻、转、强、超、巨、异”6个发展方向。
受人们对建筑功能需求的影响，现代高层建筑倾向于功能多样化、用途综合化。在同一座建筑中，上部楼层往往布置成小开间旅馆、住宅；
中部楼层需中等大小空间作为办公用房；
下部楼层需尽可能大的室内空间来作商店、餐馆和文化娱乐设施。这种不同用途的楼层需要大小不同的结构形式，上部常采用较多墙体的剪力墙结构，中部采用部分柱、部分剪力墙结构，而下部常采用大柱网结构[3]。这种布置使建筑上部刚度大、下部刚度小，并不符合高层建筑结构的合理布置。
3.1 建筑功能需求引起的第一个技术矛盾的产生
在满足高层建筑功能需求的同时，需要保证建筑的稳定性，即保证上部小开间、下部大空间的建筑结构布置，这样就产生了技术矛盾。将矛盾双方的性能转化为通用工程参数，即改善参数为11应力或压力（结构转换处的受力），恶化参数为13结构的稳定性。查询矛盾矩阵得到4个发明原理：35物理或化学参数改变原理、33同质性原理、02抽取原理、40复合材料原理。
基于TRIZ理论生成的解决该技术矛盾的流程设计图如图1所示，它包含了运用矛盾矩阵工具和结合发明原理的分析过程。
图1 解决技术矛盾I流程设计图
对于02抽取原理，即从物体中抽出必要的或产生负面影响（即干扰）的部分或属性，分析后可以得出解决方法：抽取必要的承重属性，在高层建筑结构转换、刚度突变的楼层设置转换层。转换层结构的受力模型示意图如图2所示。
图2 高层建筑转换层结构受力模型图
加设转换层，将楼层上下部结构形式进行转换，即可为底部提供大空间，形成一个很好的解决方案，此即高层建筑“转”的发展方向。如香港新鸿基中心，51层，总高度为178.6 m，筒中筒结构体系。1—4层为大空间商业用房，5层以上为办公楼。外框筒柱距为2.4 m，为解决底层大柱网入口处上、下不同结构柱网轴线的转换，采用截面尺寸为2.0 m×5.5 m的预应力混凝土大梁，进而将下层柱距扩大为16.8 m和12 m[4]。
3.2 加设转换层的大梁引起的第二个技术矛盾的产生
转换层常使用高而大的梁以保证转换层的强度和刚度足够。该梁截面尺寸大，影响该层的使用空间，而且自重大，耗费材料多，造价昂贵。在保证转换层强度的同时，需要减轻转换层大梁的自重，减小转换层大梁的体积，从而留出更多使用空间，由此产生了新的技术矛盾。
将矛盾双方的性能转化为通用工程参数，即改善参数为14强度，恶化参数为2静止物体的质量与8静止物体的体积。查询矛盾矩阵，由参数14和2找到TRIZ推荐的4个发明原理：40复合材料原理、26复制原理、27廉价替代品原理、01分割原理。查询矛盾矩阵，由参数14和8找到TRIZ推荐的4个发明原理：09预先反作用原理、14曲率增加原理、17空间维数变化原理、15动态特性原理。
基于TRIZ理论生成的解决该技术矛盾的流程设计图如图3所示，它包含了运用矛盾矩阵工具和结合发明原理的分析过程。
图3 解决技术矛盾II流程设计图
01分割原理在于把一个物体分割成相互独立的，或容易组装和拆卸的部分。17空间维数变化原理在于将一维线性运动的物体变为二维平面运动或三维空间运动，单层排列的物体变为多层排列，利用给定表面的反面，将物体倾斜或斜向放置。
基于上述发明原理分析，根据01分割原理，在构成上将转换层大梁分割为上下弦杆与腹杆等互相连接的直杆，在受力上将其分割为一个个坚固的三角形区格；
再依据17空间维数变化原理，将三角形区格集合成平面或空间结构单元，即桁架。由多个单层桁架（空腹桁架、混合空腹桁架等）迭合组成的结构称为“迭层桁架结构”[5]。由此将转换层大梁变为自重与体积更小的迭层桁架形式，形成一个很好的解决方案。此外，转换层可以采用桁架、箱型结构、空腹桁架、托梁、双向梁、厚梁厚板、传力墙、间接的拱作用、有交叉端的柱和传力拱等形式。如吴江农村商业银行泰州管理总部，采用跨越4～6层共2层层高的叠层桁架在建筑底部形成跨度25.2 m的转换构件[6]。上海裕年国际商务大厦在转换的楼层（层4、5）设置跨度为4.6 m、高度为（3.9 m＋3.9 m）的预应力混凝土叠层转换桁架[7]。
第三节所述的钢结构的桁架体系转换层尽管形成了一个很好的转换层结构方案，但仍存在耗钢多、未能材尽其用的问题，因此本文基于TRIZ理论提出了一种对于新型转换层结构的设计，以期解决问题。
将矛盾双方的性能转化为通用工程参数，即改善参数为2静止物体的质量，恶化参数为12形状与13结构稳定性。查询矛盾矩阵，由参数2和12找到TRIZ推荐的4个发明原理：13反向作用原理、10预先作用原理、29气动与液压结构原理、14曲率增加原理。由参数2和13又找到TRIZ推荐的4个发明原理：26复制原理、39惰性环境原理、01分割原理、40复合材料原理。
01分割原理在于把一个物体分割成相互独立的，或容易组装和拆卸的部分。14曲率增加原理在于由直线、平面向曲线、球面化方向或功能转变，实现充分利用提高效率。
基于上述发明原理分析，根据01分割原理，将桁架转换层分割成单个桁架梁，再将桁架梁重新分割成基本单元三角形区格；
根据14曲率增加原理，将直线型的桁架转化为以钢构件为基本单元分段组成的拱形钢桁架，将桁架转换层由平面转化为跨层的曲面网格状拱形桁架网，并与拱形桁架单体在楼板的截面处埋入连接钢管网以形成空间刚体，利于结构的稳定。
将转换层由桁架体系变为拱形桁架网，将向量作用结构体系改为形态作用结构体系，拱形桁架使得转换层梁上相当部分垂直荷载的传力方向发生改变，保证承受荷载，同时该形态又节省了钢材，故将其作为一种新型转换层结构的创新设计提出。该创新设计对应的示意图如图4和图5所示。
图4 转换层拱形桁架结构猜想的轴测示意图
图5 转换层拱形桁架结构猜想的剖透视示意图
本文基于TRIZ理论的有关内容对高层建筑结构已有的创新内容进行了分析与检验，通过对2项已有的结构创新成果的分析，验证了将TRIZ理论应用于指导高层建筑结构创新的可行性。在参照了国内各地相关建设案例过后，又基于TRIZ理论中的矛盾矩阵与发明原理的相关内容，针对现有转换层桁架结构的局限性提出了创新设计——尝试将路桥工程中的拱结构作为高层建筑一种新型的转换层结构来替代现有的一般转换层结构，从而减少建设用材。但该设计尚处于概念阶段，并未更进一步地从工程建设的层面论证其合理性和可行性，希望在未来能够对此问题进行进一步的探究，为中国建筑工程建设提供一种全新的解决思路。
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