建筑创作中的结构表现

摘 要：建筑之美贵在真实.以真实的结构塑造真实的内部空间和外部形象,这是我们建筑创作的神圣职责.历史的发展使得建筑与结构逐渐分化为两个不同的专业.但是,从古至今,真正优秀的建筑都是实现了建筑与结构的和谐统一.本文通过对历史和现实中建筑与结构关系的简要分析,强调了结构形态设计方法的重要性与可行性,为建筑创作指明了一个富于生命力的发展方向.

关 键 词：建筑创作结构形态

中图分类号：Tu209文献标识码：A文章编号：1004-8537（2002）07-0028-06

Abstract:Theaestheticsofabuildingisitsrationalexpression.Creatingtherealinternalspaceandouterformwithrationalstructure,whichisourholydutytothearchitecturalcreation.Withthedevelopmentofhistory,architectureandstructureheseparatedfromeachother,andbecametwodifferentsubjects.Uptonow,therealperfectbuildingshouldherealizedconcordandunificationofarchitectureandstructure.Inthispaper,therelationshipbetweenarchitectureandstructureinhistoryandnowadaysisbrieflyanalyzed,theessentialityandfeasibilityofstructuralmorphologicaldesignmethodareemphasized,andthelivingdirectionofarchitecturalcreationisillustrated.

Keywords:architecturalcreation,structuralmorphology

前言

建筑与结构本来是一体的,不分彼此.从以巢穴为居的原始祖先,到构筑屋宇的古代先人,都没有那种专司建筑的形式或功能,而把实现它的技术思考留给他人去做的职业.古罗马的维特鲁威也好,文艺复兴时期的米开朗基罗也好,他们都是集艺术家与工匠、建筑师与工程师于一身的全才.不过,随着社会的进步,建筑从功能、形式、环境到怎么写作对象等各方面都变得前所未有的复杂,综合性大为增强.同时,结构的怎么写作对象更遍及人类活动的各个方面,不仅仅是建筑,专业分工成为客观的需要,而近代工业革命则是导致建筑与结构明确分工的直接原因.

自从百余年前建筑与结构两大专业分工开始,二者在各自领域内都产生了极大的飞跃,从理论到实践,都充分说明了这一分工的优越性.不过,随之而来的问题便是如何处理好二者的关系.举目四望,有那么多的建筑,外在形式与其结构实质相去甚远,建筑师与结构工程师在合作中的不协调时有发生.与之对比的是,也有一些建筑与结构和谐统一的优秀作品令人瞩目.因此,我们希望有更多表里如一、真实合理的建筑出现,这就是本文的写作初衷.

传统的回顾

传统建筑以土木砖石为基本材料,其中石材又以坚硬、耐久和易于获取而广为使用,加之以石材为主要建筑材料的西方建筑自近代以来逐渐占据了世界建筑的主导地位,石材建筑自然地被看作了传统建筑的主要形式.中国古典木构建筑则成为东亚地区传统建筑的代表.

在传统大跨建筑中,拱的形式始终占据主导地位.拱结构的内力分布状态以压力为主,恰好能够充分发挥砖石砌体只能受压而不能受拉的材料性能,而且可以实现很大跨度.古罗马建筑技术的最大成就,就是发展和完善了拱的结构体系.随着古罗马建筑成为古典建筑的典范,拱也自然成为古典建筑的代表形式.由此发展而成的相关结构形式更多,如尖拱、帆拱、洋葱顶等.

历史的发展

19世纪英国园艺师帕克斯顿(JosephPaxton)设计的伦敦水晶宫和法国工程师埃菲尔(G.Eiffel)设计的巴黎世铁塔开辟了近现代建筑的先河.这些作品中,少了些传统建筑中常见的柱式和线脚,多了些建筑功能与结构要求的一致性,在形态比例上又不失传统建筑的美感.它的产生,既是社会发展的要求,也有赖于当时成熟的铸铁工艺.随后,钢铁工业的繁荣和波特兰水泥的发明为建筑的发展提供更为广阔的空间.钢筋混凝土结构的出现,是建筑发展史上的一个重大飞跃.它把抗拉与抗压两种材料结合起来,共同发挥作用,而且经济、耐久、易于施工,以此确立了它在现代建筑发展中的举足轻重的地位.

进入20世纪后,结构对建筑发展的促进更是有目共睹.钢结构使摩天大楼成为现实,钢筋混凝土薄壳结构一度成为大跨建筑的主要结构形式.同时也涌现了一批杰出的建筑师和工程师.奈尔维(P.L.Nervi)在推进建筑的艺术与技术和谐统一方面所做的贡献是举世公认的.他熟练运用可塑性强的钢筋混凝土材料,把力与美有机地统一在了建筑实体中,创造了近乎完美的建筑形象.如迦蒂羊毛厂厂房和罗马小体育宫,其内部混凝土网格既是结构的必然,又给建筑带来了美的表现.与他同一时代的许多著名的建筑师,在利用钢筋混凝土结构创造建筑美方面都同样值得称道.北欧建筑师阿尔托(AlvarAalto)设计的芬兰工业大学阶梯讲演厅,对钢筋混凝土框架做了大幅度的形态变化,以适应内部空间的使用要求.采光天窗配以反射曲面,在突出结构形态表现的同时,也不忘建筑细部的处理.在阿尔托的作品中,处处能感受到对人的关怀.他在建筑形式上的上佳表现并未削弱他对结构形态的正确理解,他不愧为一位技术全面的建筑大师.美国建筑师小沙里宁(EeroSaarinen)在建筑表现与结构形态的结合方面堪称典范.他设计的位于纽约肯尼迪国际机场的环球航空公司航站楼,内外形态的有机变化,赋予了建筑以强烈的雕塑感.同时,其结构空间关系清楚,细部表达准确,不失合理性.在华盛顿杜勒斯国际机场航站楼的设计中,他以两侧向外倾斜的混凝土柱支撑单曲悬索屋面.外伸的柱子与内收的悬索在承力趋势上达到了平衡,形态符合人的心理感受,具有美观舒展的视觉效果.该建筑在细部处理方面同样别具匠心.

不过,混凝土毕竟较为厚重,加之制模工艺复杂,从20世纪后期开始,在大跨建筑中更多的是被钢网架、悬索等结构形式所取代.

美国工程师富勒(B.Fuller)在前人研究和实践的基础上,积极探索球形网壳的形态构成,并广泛应用于工程实践,在大跨建筑界有着深远的影响.德国建筑师奥托(FreiOtto)曾致力于悬挂结构的研究,他在对双曲面张拉索网的形态和受力关系进行分析的基础上,设计了多个张拉索结构建筑,最著名的是1967年蒙特利尔世西德馆和1972年的慕尼黑奥林匹克体育场.

现实的选择

高技术是现代建筑创作手法中极具生命力的表现手段.透过建筑形式的表象,我们能够看出,其本质特征仍在于以结构形态构筑建筑的美.从近几十年的建筑实践来看,许多知名的国际建筑大师,即使其创作观念和设计风格有诸多差异,都无不把结构技术的表现作为创作手段的首选.新材料、新技术和新结构为建筑师的表现拓展了前所未有的展示空间.归纳起来,有以下几个特点值得我们注意：

首先,建筑形态的创作注重结构形态的合理性.大到建筑体系的构成,小到构件和节点的处理,都考虑到结构受力的需要.如伦敦滑铁卢火车站是由一系列平面三铰拱结构经纵向联系而成的.由于设计者有意打破了对称形式,使得两跨跨度相差悬殊,从而导致了长跨以受弯为主,短跨则以压弯为主.结构采用索桁架形式,对于长跨,将索布置于屋架下弦；对于短跨,则将索布置在受拉的外侧,与内力分布形态完全一致.各榀结构的跨度和走向随路轨的交叉和蜿蜒而逐渐变化,部分屋面覆以玻璃.由于从整体结构到细部构造都做了细致的考虑,结构形象简洁明快,使整个建筑极富表现力.又如大阪关西国际机场航站楼(建筑设计：RenzoPiano),除了整体造型的独特之外,结构构件和节点的设计也十分讲究.大厅内的支撑斜杆制成梭形,既有利于压杆稳定,又体现了单向受力形态.梭形支撑斜杆的端部表面做出几个凹陷,形态上刻意强调了截面的减小,铰支座的表达也准确无误.

其次,索、膜等柔性抗拉材料得到广泛应用.它们减轻了结构自重,增加了建筑跨度,也使得建筑显得更加轻盈.索桁架是以索来代替桁架的受拉杆件.如法国查尔斯戴高乐机场扩建工程鲁瓦西二号航空港(建筑设计：PaulAndreu),候机厅屋面结构采用的是平面索桁架体系,纵向中轴线布置倒三角形截面桁架构成纵向联系.张拉索的运用,一改常见的桁架、网架下弦杆件所带来的粗重感.更为巧妙的是屋面与两端支撑结构的一体化设计,并且完全采用了索――拱机制,将放射状索的径向张力转化为环向的支撑压力,以视觉上的悬念感,突出了建筑中的技术成就表现.膜结构的使用也是渐趋广泛,独特的材质极具视觉吸引力.不论是大型公共建筑,还是街头建筑小品,都能找到它的身影.张拉索与膜组成的索膜体系使得建筑实现了前所未有的大跨度.位于伦敦格林尼治半岛的千年穹顶(建筑设计：RichardRogers)是迄今为止,规模最大的空间结构.该穹顶直径达320m,周长超过1km.12根格构式梭形钢桅杆高达100m,通过斜拉索与辐向、环向索组成稳定的张拉球形结构,上覆双层膜,以利隔音、隔热.净跨度最大的建筑当数1996年亚特兰大奥运会的佐治亚体育馆,跨度达到了空前的235m×186m.

此外,传统材料的运用也有新的特色.混凝土、砖、石和木材的表现力有时是其他材料无法取代的.如德国的维特拉工厂消防站(建筑设计：Z.Hadid),其入口雨棚采用钢筋混凝土板,支撑于一组钢管之上.独特的形态特征与材料的质感使人过目不忘.里昂机场铁路客运站(建筑设计：Calatra)的候车大厅与月台分别采用了钢结构与钢筋混凝土结构.造型的新颖别致、材料的组合对比,以及构件截面的合理变化都为建筑增添了无尽的魅力.

最后,新型结构的不断涌现赋予了建筑新的内涵.最显著的要数开闭结构,它使得建筑的屋面可以根据天气变化和人们的需要而开启和闭合,非常适合体育、休闲建筑.从改善建筑的内部环境和更加亲近自然来讲,它无疑体现了人们对建筑的更高要求.日本对开闭结构格外热衷,开发了多种形式的活动屋面,主要用于风雨操场和室内游泳场.规模较大的如宫崎海洋世界.

未来的挑战

随着建筑市场的日益开放,越来越多的国际知名建筑师看好中国的发展.他们有着崭新的观念、成熟的技术、良好的机制和雄厚的经济实力.对于中国建筑师来讲,除了对自己的历史、地域和文化比较了解之外,我们所具有的优势并不多.用何种手段来发挥和展示我们的优势,使我们能够立于不败之地,这是中国建筑师必须思考的问题.

面对国外新颖的结构、精美的技术、独特的造型,我们国内有些人也想拿来一试.一时间,在各种设计竞赛和方案投标中,都充斥着技术表现的内容,在校学生同样趋之若鹜,纷纷效仿.这中间,大多是把结构当成一种装饰语言来使用,忽视甚至根本不了解结构的工作机理,时常弄得张冠李戴,贻笑大方.这种“符号化”的创作方法贻害无穷.此外,抄袭之风日盛,有的甚至渗透到了重要的建筑工程项目之中.建筑形象似曾相识,结构选型全盘照搬,看了令人痛心.

我认为,我们应该回归问题的本质,踏踏实实地把建筑与技术结合起来,特别是把建筑与结构有机地统一起来,合理地运用新技术、新材料,以此来创造新形象.结构形态的创新是实现建筑与结构和谐统一的关键所在,而结构形态的创新需要有一定的探索、研究和积累,不可能一蹴而就.此外,也需要我们在建筑创作的实践中进行不懈地追求.对于运用结构形态设计方法进行建筑创作,笔者近年来结合教学和工程实际,也做了一些尝试.

结构形态设计方法的关键在于实现建筑形态与结构形态的和谐一致.在南京奥林匹克体育馆和游泳跳水馆的方案设计中(建筑设计：魏敦山,姚亚雄,徐璐),我们把三个馆组合为一个既相互联系、又彼此独立的综合体.从建筑造型来看,一个完整而又富于变化的屋面是设计的关键.这里,屋面的高低起伏与三馆内部空间的需要完全吻合,平面的裁切更符合功能分布的要求与总体环境的意向.在结构形态方面,将平面的张弦梁交叉组合为全新的空间结构体系,既实现了内部空间的简洁,又真实地表达了外部形象,从而达到了建筑与结构和谐统一目的.尽管该方案最终未能被采纳,但通过我们的亲身体验,表明这种设计方法是行之有效的,对我们今后的创作无疑会有极大的帮助.

旧建筑的改造技术在发达国家已十分成熟,许多老建筑通过应用新的结构技术,既维持了原有的风貌,又在新旧对比中达到焕然一新的效果.上海宝钢医院的改扩建项目(建筑设计：魏敦山,姚亚雄),其中一个重要内容是将原有建筑围合的内院改建为有顶的中庭.为了不给原有建筑增加荷载,我们设计了新型的树状结构作为中庭的结构主体.德国著名建筑师奥托曾对树状结构研究多年,目前,国外已有多项大型公共建筑运用了这一结构形式,非常成功.我们借鉴了国外经验,并根据我国现有的技术条件,对树状结构进行了简化和再创作.淡绿色的结构与通透的玻璃屋顶相结合,在多变的天光的映衬下格外引人注目.这里,“生命之树”的立意与新颖别致的结构形态融为一体,既实现了设计初衷,也得到了业主的充分肯定.

建筑之美贵在真实.以真实的结构塑造真实的内部空间和外部形象,这是我们建筑创作的神圣职责.当我们把历史、文化、环境、功能、技术等等诸多因素融入建筑创作的时候,我们也应果断地摒弃那些虚检测的、不合理的、甚至是错误的东西,使我们的作品和我们的设计思想真正达到完美的境界.

最后,非常感谢北京工业大学的张毅刚教授和北京市建筑设计研究院的李金芳高工.他们的热情支持给了我极大的鼓舞.