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“结构的美在合理的近旁” --浅谈大跨钢结构建筑设计中的美学

2021-01-19 11:07:20 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读

      如今的建造界,学科间的整合实为大势所趋。钢结构具有强度高、自重轻、塑性强、刚度大等特点,对钢结构而言,这些特性最完美的展现手段之一即是被用于大跨建筑的建造。钢结构不只是大跨建筑得以成立的技术基础,其形态对建筑形式的高度控制使得钢结构本身成为了艺术审美的重要元素。然而受启蒙运动和科学学科分化的影响,建筑学界出现了分化,建筑师本身也被分解为方案设计师、结构工程师、设备工程师等角色。然而单方向的技术发展也带来了各个角色之间的配合的支离破碎。近年来层出不穷的造型浮夸、破坏文脉或是成本过高的大跨建筑就是设计与建造高度脱节的表现。为建造出理性与美学高度统一的建筑,建筑师需要端正对“美”的定义并将结构的设计与表现从方案诞生之初就纳入到整体的思考中来。


01

关于大跨钢结构建筑现状的反思


大跨建筑的结构和建筑的形态高度捆绑,因此远离结构角度的空间或是形态思考有极大可能会破坏结构的合理性与性价比。随着钢结构技术的高速发展和应用的普及,部分建筑师,甚至是建筑学界非常杰出的实践者,跨越“善用”这一尺度来实现自己所谓的建筑抱负,难免一不小心就陷入了形式主义的漩涡,造成了一些本可以规避的浪费与风险。

著名的法国建筑师安德鲁·戴高乐擅于大胆利用高难度结构来满足自己的设计对形态表现的诉求。他最为人所知的作品中,巴黎戴高乐机场和北京国家大剧院都引起了非常大的争议。

图1  巴黎戴高乐机场坍塌事故

2004年5月,巴黎戴高乐机场2E候机厅突发屋顶坍塌事故,造成包括两名中国公民在内的4人不幸遇难、3人受伤(图1)。调查委员会对事故原因的分析显示:倒塌部分结构的强度储备很低,而隐患在设计之初可能就已被埋下。大胆的结构设计没有匹配上足够严谨的安全审核,虽说那时的建筑存在时代的技术局限性,但这也印证了建筑实践的探索应该存在一个边界,一次侥幸的尝试造成的后果着实不可估量。


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图1  巴黎戴高乐机场坍塌事故

在北京国家大剧院中,为了塑造完整而巨大的体量(图2),戴高乐将结构的跨度和高度提升到了一个非常夸张的尺度,不仅结构营造出的空间使用效率极低,有些赘余空间还浪费掉了大量的能源和维护费用,还有一些设备层面上的夸张处理在此就毋庸再作一一赘述了。


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图2  北京国家大剧院

面对这样的建筑风向,新一代的建筑师需要冷静地反思结构和表现之间的关系,找到一个恰当的平衡点,乃至于寻找到切实有效的设计方法来统一理性与美学。正如日本结构大师坪井善胜先生所说:“结构的美在合理的近旁”,脱离合理的美学对于建筑来说,是不真实的,也是违背建造初衷的。


02

科学理性与美学表现的统一


建筑师在设计过程中,无非是需要通过塑造空间和建筑形象以完成某种功能需要,展示某种社会关系和建筑宣言。建筑师的设计观念往往由两个思路交织而成:一个是出于理性的思考, 另一个则强调对艺术的感性表达。从文艺复兴直到启蒙运动以来,西方建筑界始终崇拜一种能够自洽(Self-consistent,简单地说就是按照自身的逻辑推演的话,自己可以证明自己至少不是矛盾或者错误的)理性逻辑,希望能从无秩序的自然中获得人工秩序,希望将建筑统一在强有力的理性原则之中,减少暧昧、不确定的元素。这是现代建筑的基本原则。

但是人类社会的运作、历史的发展并不是纯粹理性的,人对空间的感受和体验受制于太多复杂的、超脱于逻辑之外的因素,所以在建筑学的逐渐发展过程中,理性主义与非理性主义始终相辅相成,共同营造合乎人各方面需求的空间。当代由于建筑对技术的过分依赖以及学科之间的脱节,导致了地域性和建筑内在活力的缺失,人们开始反思现代性,反思现代主义建筑对人本身的忽视。因此在大跨钢结构建筑中纯粹谈结构理性也是不可取的,一味地追求资本效率以及建筑的“秩序”反而会使建筑学陷入忽视人本的深渊。所以说“结构的美在合理的近旁”的表述本身就也有些暧昧,并不全在合理之中,而是在合理的“近旁”,也正是对人主观意志以及历史运作中超验(意为超出一切可能的经验之上,超越时间、空间等存在形式,不能用因果、属性、存在、不存在等范畴进行思考的)成分的回应。


大跨钢结构建筑中力的表现


01

力流引入设计


前文提到“合理”是不可缺少的要素,为此我们需要从结构作用方式本身出发,利用物理逻辑来进行思考。力流是工程学中的一个概念,是一种描述和分析力在构件中传递行为的结构设计方法。它把力的传递视如水的流动,用力线表示力流的路径,力线的疏密代表力流的密度,亦即应力的大小。在进行建筑方案的结构设计时,建筑师更喜欢从形态出发考虑结构方案,而结构工程师则专注于构型的调度——两个方向对建筑的改动都会显著影响建筑中的力流状态,所以将力流的变化与设计整合起来考虑非常重要。否则结构将可能在力学逻辑上沦为失效。而力流在三维空间中清晰地表达了力的状态,故结合力流进行形态上的设计能更好地保证建造的真实性。

①  力与结构之间的相互作用

力是矢量,具有大小和方向,所以力流在三维空间中的基本状态是决定建筑结构形态的条件,形态成为承载力流的物质基础。同时结构形态对力流具有反作用,形态的组织和变化可以在一定程度上引导和改变力流,在满足空间营造诉求的同时也存在优化力流与物质关系的可能性。结构在不同情况下,力流也存在不同的状态,将形态构成与图形化的内力图整合考虑,便可获得真实理性的结构状态,这便是所谓“形是力的图解”在设计中的应用。

②  力流语言的艺术表现

人类对美的认知与从自然界获得的感知是密不可分的,对于自然景观的欣赏,我们欣赏的就是形象对于其塑造成因——自然力的反映。而对于大跨钢结构建筑来说,从整体形象到具体节点设计,都可以运用这个规律,将结构语言本身塑造成审美对象。在符合力流规律的基础上对构件和节点进行恰当的艺术处理,结构本身的美学表现力其实很容易被人感知。大跨建筑因为技术需要和经济效率的诉求,常常会利用具有规律性的、有秩序的重复形态,这便给塑造力流语言艺术提供了机会。

形态对力的体现也是能轻易被人感知的,例如构件的微小弯曲能让我们感知到潜在弯矩以及导致其出现的作用力,建筑师可以利用这些感知,将并非作用于使用者身上的力转化为实实在在的压迫感、平衡感、不协调感或是轻重感。

所以,建筑师其实完全可以从结构最基本的作用“力”出发,主动挖掘蕴藏在力流动中的美学价值,用于建筑形态和空间的表达,而不是被动地让结构成为应付建筑形态和空间表达的工具。




02

力作为矢量在结构中的表达


①  力流的流向

力的方向是力作为矢量的一个重要属性,也就是力流的流向,流向几乎直接决定了整个形态的基本样貌和空间的气质。

图4  韩国釜山体育场(力的流向:水平向外)

竖向的力是大跨钢结构建筑中最为重要的力。同时在绝大多数大跨建筑中,都存在无法忽略的水平推力,这些推力在整个力流体系里面需要被妥善组织,同时反映到结构的设计上。

大跨钢结构中,有一些结构特性可以在自身的内力作用中达成水平方向上的平衡,所以无需另加结构以补充水平力,例如辐射式悬索结构(图3)、平面桁架等。

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图3  辐射式悬索结构示意图

而有些结构的力的流向有一个水平向外的趋势(图4),这些结构需要布置水平向外倾斜的结构来承担水平推力,这些倾斜的支撑体的显著特点就是总是相对出现,需要有对面的支撑体存在,互相抵抗水平力,如拱、穹顶等便是这类建筑的结构原型。这类建筑支撑体的倾斜方式十分具有张力和韵律感,均匀且对称的布置使建筑获得秩序感和纪念价值,是挖掘结构美学的常用方式。

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图4  韩国釜山体育场(力的流向:水平向外)

而当需要抵抗屋盖的弯矩时,顺应屋盖的受力情况,支承结构水平向内的情况也会出现(图5),需要相对的向外扬起的支撑结构以平衡屋盖弯矩带来的向内的水平力,这样的建筑往往具有强烈的漂浮感和视觉冲击力,给予使用者不寻常的空间体验。

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图5  杜勒斯机场航站楼(力的流向:水平向内)

②  力流的流量

大多数大跨钢结构建筑都由多种构件组合而成,出于对钢材性能的考虑,结构常使用线性钢构件组合成格构结构或树状结构,其中的力是清晰的向量组合关系。力流在结构中传递、分流、聚集,会根据构件的组合方式而变化,那么在控制走向的基础上,力的汇聚、分流也带来了构件中力的大小的变化,这是受到建筑师的设计所影响的。

而出于经济性与受力合理性的考虑,构件的形态会和力流的流量呈现一个鲜明的关系,这也是易于被人所感知的。建筑师利用力流汇聚、分流的合理设计,采用较少的材料和简洁的形式,获得稳定且具有审美趣味的结构。

最鲜明的例子就是树状支承结构(图6),其形态犹如树木,树根生出树干,不断分叉,形成繁密的树枝伸向上空。而在力流的角度上,屋盖将力从树枝末梢逐级传递给分叉点,不断汇聚,最终全部集中在树干上,整体传递到基础中,结构的美学和力流的理性以非常巧妙的方式统一在一个非常简洁、干净的结构之中。

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图6  树状支承结构对力流的呈现

理性与表现的对立统一

01

结构体系的表现力

在大跨钢结构建筑中,结构构件并非单一工作的,而是以组合的方式出现,整体结构类型控制了构件的布置和组合方式。在长久的建筑实践中,建筑师们已经获得了许多成熟的大跨钢结构体系类型,这些结构体系的各种属性带来了不同的审美体验,塑造了不一样类型的氛围,也提供了多样的空间操作的可能性。

①  不同结构类型的意象

桁架(图7)的结构特点是杆件组合单元的规律性重复,所以桁架的韵律感非常的强,视觉上也会产生一定的冲击力。桁架杆件的组合方式是塑造结构最重要的命题,其粗细、密度、组合角度不仅与结构合理与否密切相关,而且对桁架结构的形式塑造的影响非常重要。对桁架杆件的设计和处理可以让桁架拥有轻盈、通透或是沉重、粗犷等不同的美学观感。

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图7  桁架结构

网架结构(图8)有着优秀的力学特性,具有非常自由的建筑造型能力,不论是平面、体块还是自由曲面都可以轻松实现。与桁架类似,网架结构利用杆件的重复使得结构体系呈现极强的韵律感,有着精巧、均匀、轻盈的特性,给予建筑师的创作空间非常充分。对于如何解决理性与表现之间对立统一的关系,面临着与桁架相似的问题。

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图8  网架结构

拱结构(图9)是一种历史悠久的结构,古罗马人运用拱结构创造了无数伟大的作品,因此拱结构本身带有古典色彩,这是文化赋予结构的属性。拱结构由于其流畅的造型和鲜明的受力体系,在视觉张力上非常出色,让拱底之人能感受到结构体系中强大的力流。

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图9  拱结构

张弦梁结构(图10)是始终介于刚性结构和柔性结构之间的半刚性结构,其中的刚性构件根据需要可自由地选择形态并且不会改变结构的受力特性。因此张弦梁结构建筑的外观造型和结构布置能够非常出色地结合起来,为建筑形式的塑造提供了非常大的自由度。

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图10  张弦梁结构

还有许多其他的结构以及衍生出的组合结构类型,这些结构类型都具有塑造大跨空间的能力,但其美学性质多样而鲜明,这就需要建筑师在其中找到一个恰当的解决方案,让结构体系的意象与设计的概念完美地融合成为一体。

②  结构尺度对表现的影响

不同的结构类型决定了支承结构的落地方式,不同的落地方式带来不同的尺度感和空间感。例如分散布置、均布支承等。其中分散布置可总结为二点支承、三点支承及四点支承(图11)。这种支承方式让建筑形态大开大合、简洁强势,建筑的个性强烈。同时许多大跨建筑也会采用均布支承的落地方式(图12),这种形式的建筑更为普遍且较为低调,具有更亲人的建筑尺度及出色的韵律感。

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图11  分散支承

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图12  均布支承

虽然钢结构的网格尺度往往因为经济性而被控制在一定范围内,然而,有时建筑师为了回应文脉和场所感等特殊诉求,也会对呈现建筑外在形式的网格尺度作特殊处理。德国冯·格康,玛格及合伙人建筑师事务所为2014年巴西足球世界杯主场馆——巴西国家体育场(图13)做了改建项目。GMP公司主要对体育场周围的支承结构及双层悬索屋盖进行深入设计,力图强调“支撑的森林”般的形象特点,通过体育场四周三层布置的支承结构的表现让观众置身其中犹如进入茂密森林一般。

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图13  巴西国家体育场

与巴西国家体育场形成鲜明对照的就是我们所熟知的中国国家体育场——鸟巢,一直因为建筑形象与经济性而饱受争议。鸟巢在支承结构的处理上运用了与巴西国家体育场相似的策略:其建筑结构由巨大的门式钢架组成,为全钢结构,但是在炫目的编织形体中,真正的建筑结构构件只有24根,结构体系是简单的平行刚架结构,其他所有的编织体仅是满足形式诉求的围护结构。围护结构按照与结构体所用尺寸完全相同的方形钢,全部弯曲的方形钢具有非常高的建造难度,这种既难以施工,又耗费巨大财力的做法,或许未必是在理性和表现之间找到了一个恰当的平衡点。



02

美与力的相辅相成


优秀的建筑往往是美与力的完美统一,建筑的形式、空间与建造技术之间有着密切的关系。正如前文所提到的,在力的理性流动之中,本身就可以挖掘出丰富的审美趣味,给予建筑师创作的灵感。然而在纯粹的理性之上,建筑师依旧能以建筑学在设计上的基本问题为主导控制设计,为具有新的美学价值的结构的诞生创造条件,两者相辅相成,最终才能达到美妙的统一点。

①  在力的理性流动中挖掘感性之美

人们在早期的生产实践中创造了众多合理的结构形式,如帐篷、木塔、拱桥以及悬索等结构。这些结构原型都是美与力的巧妙结合,至今仍然在建筑界发挥着不可替代的作用。

在数学和力学等基础科学发展缓慢的时代,人们利用经验与试错去探索结构与空间之间的恰当关系。而随着力学体系的慢慢发展,探寻力流动方式的方法开始逐渐发展,人们开始利用物理模型实验来探寻新的结构原型。早期探索大跨建筑的建造方式时,人们尝试利用物理模型获得高效、合理的受力形态,其中,非常有名的试验即是逆吊试验法(图14),该试验利用了柔性结构在特定荷载下只受拉力的特点,确定出结构形状,从而获得在重力荷载作用下的纯压结构,作为零弯矩结构的设计依据。而随着信息技术的飞速发展,更丰富、更复杂的力学模拟成为现实,人们开始利用信息技术手段获得了以前无法想象的结构形式,建筑语言库被大大丰富。例如1993年被提出的渐进结构优化法(ESO),其核心思想是将结构中抵抗荷载效率低的材料逐步消除,使最终结构具有较高的抵抗荷载效率值,从而节省材料。

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图14  高迪设计的逆吊实验模型

这些探索为美与力的相互作用创造了更广阔的空间,但本质上和远古时期模仿树木用木棍撑起屋盖的人们没有区别,建造者们一直试图在力的理性流动的制约下发现美的存在。

②  结构的美在合理的近旁

感性表现与理性策略并重的观念是大跨度钢结构建筑创作的正确态度。“结构的美在合理的近旁”,超越了理性至上的僵化的现代思想,暗示我们真正的美需要建筑师结合对建筑诉求的深入判断,像古典时期的建筑师那样尝试整合各个领域,包括结构、场地、文脉、心理,甚至是社会经济条件,去找到一个“美”的恰当状态。纯粹结构理性的世界也许是冷冰冰的,但因为人的介入,结构也能多彩且富有诗意。



结  语


在大跨度钢结构建筑中,建筑师与结构工程师虽然术业有专攻,但各自的工作并非简单的“设计-结构实现”的流水线关系。新时代的需求迫切需要二者之间根据建筑的特点发挥长处、相互交融,逐渐发展出“结构建筑学”,找到高效的合作方法,乃至于找到建筑师和结构工程师在默契培养的过程中进行交叉学习的合适方案,以完成学科的再度整合。





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