建筑设计中的结构设计思维

摘 要：本文提倡的建筑设计中的结构设计思维是以结构设计来针对特定建筑设计问题并加以解决的方式.对所完成的建筑作品来说,无论从对应外部环境的策略、建筑功能的配置还是建筑结构本身都能够很好地保证其优良的性能,同时与建筑设计的紧密互动更推进了建筑设计的进程与创新.

关 键 词：建筑设计；结构设计；思维

我国的建筑学体系所沿袭的大部分是来自布扎体系的思想,习惯于从图像化乃至雕塑化的角度来思考建筑问题.对建筑空间的追求也是意向化的,甚至是图像化的.纵然有如赫曼赫茨伯格所谓的“交流空间”或雷姆库哈斯所谓的“窥视关系”.在建筑设计的方案中经常提及,其表现形式也多停留在一个剖面的分析、几个视点的连线上面.而建筑的结构设计在某些情况下则变为帮助完成这种符号化、意向化的建筑设计的工具.

1.结构设计与建筑设计的互动

反观瑞士与德国的建筑思想,工学的影响一直伴随着建筑设计的进程.不少建筑师在做方案设计时就非常注重结构设计的训练,将具体的结构操作当作解决建筑问题的方法.在实际案例中,如何将设计桥梁的结构方案引入建筑设计中去解决问题,这样的思路在Miller&Maranta设计的瑞士巴塞尔沃尔学校的承重墙拉索、Jüngling+Hagmann设计的瑞士库尔奥托广场大楼为制造底层大空间而埋藏在立面预制件中的斜拉索、北京“鸟巢”相互咬合的顶盖桁架结构中都有所体现,可说是以结构工程师的角度创造性地解决了建筑中的问题.

这种设计的产生一方面需要建筑设计与结构设计自始至终的紧密配合,另一方面也需要建筑师与结构工程师双方对工作内容足够的理解.建筑设计就如同科学研究一般由问题主导,以结构设计的不同概念带来不同的建筑设计结果.结构设计如何超越原本技术性、经济性等层面,建筑设计如何不沦为只关注表面象征性、美学特性的产物,这些都要求达到一种结构设计与建筑设计的综合互动.在这种情形下,作为设计主导的建筑师必须重新诠释建筑设计中的结构设计思维,将其纳入到建筑师的思考范畴,才能达到结构与建筑在设计上的良好融合.

2.建筑设计中的结构设计思维

2.1地理环境决定的结构策略

根据地理环境的不同而作出有针对性的设计策略,并不仅仅停留在结构设计的层面,这种方法广泛适用于建筑设计的每一个环节.而结构的选择与构件的设计作为建筑设计的重要部分,符合地域特征的考虑会大大提升建筑完成后的性能.

众所周知,瑞士北部位于西欧的阿尔卑斯山区两个基本的地域环境特征：一是山地与坡地地形；二是气候寒冷.如果让我们除开因天然石材丰富而流传下来的石墙建筑传统的因素,那么气候的原因便决定了建筑的结构类型.在瑞士库尔奥托广场大楼的案例中,建筑的外墙与走廊的隔墙成为建筑的承载结构,而这些墙体又都是厚重并且施加保温层的.当我们考虑到寒冷的气候时,便容易理解其中的道理,如果在这样的条件下设计一个杆系支撑结构的建筑,其围护结构在施加保温层以符合热工需求后,并不能保持轻盈的状态.而如果设计的概念希望诚实地表达结构特征的话,这并不会是一个理想的状态.

换一种地理环境,以普拉达旗舰店为例,设计师赫尔佐格与德梅隆的设计通过精妙的几何控制得到立面上的传递荷载的构件,形成了新颖时尚的立面造型.而密集的斜向构件也能提供良好的水平向抗侧力.众所周知日本是一个地震多发的国家,对建筑的抗震要求是相当高的.而普拉达旗舰店的菱形立面结构则在几何上提供了可传递竖向荷载的几何可变格构,使得建筑的主要结构能够通过变形来消解地震的水平与竖向震动而产生的多余荷载.同时建筑中的楼板与立面的连接方式也使得在产生地震时,楼板与竖向结构并不成为一个刚性的整体去强行抵抗地震力而造成破坏,而是会随地震而摆动.这样能够有效地消耗地震的能量,而保护楼板不受破坏.

2.2城市设计引发的结构命题

结构设计与城市设计之间并不一定是直接的因果关系,更有可能是相互推导、相互促进的状态.在谈论城市设计前,将这个概念延伸到建筑与场地环境相关的层面.以瑞士格劳宾登第二峡谷步行桥为例,可将关注点放在这个设计的体系策略和输入参数上.作为桥梁主索两端的方向向量t与向量s及桥面的曲线形态向量x的集合都是通过对峡谷两边的分析而得出的结论.场地中的自然高差通常会是比较显而易见的影响因素,而这种因素则又会决定结构选型,例如在第二峡谷步行桥中选用了悬索作为最合理的解决方法；而高差的存在与使用者能够行走的坡度限制则会成为桥面曲线生成的依据.

同样是场地状况而产生的命题,还是看瑞士巴塞尔沃尔学校的案例,基地中一个已有的前储油罐坑成为左右建筑结构策略的主要因素.通过对这个坑的利用策略分析,建筑师和结构师合作共同得出了需要制造地下与底层大空间、而上层小空间的设计策略.这样才会出现悬挑的楼板和需要斜拉索的承重墙的体现结构思维的设计实践.

再以北京国家体育场“鸟巢”为例,考虑把城市活动引入到建筑设计中.作为为08年奥运会所开辟的奥运新园区,“鸟巢”的场地中并没有类似自然高差或者现存基地状况的参考.而对园区城市设计的考虑及对建筑主要功能达成后的持续性功能进行的探讨则体现在“鸟巢”的建筑与结构设计上.在进行城市研究后,设计师赫尔佐格与德梅隆提出一个区别于体育活动的公共场所的概念.根据这个概念：场馆的看台部分、看台与“鸟巢”的表皮之间被刻意塑造出了一系列可直接到达的半室外空间.而巨大的桁架柱与看台形成的“碗”结构的策略则是很好地将两个区域区分开,立面上的楼梯则为这些半室外空间提供了更丰富的使用与可达性.“鸟巢”结构系统的视觉结果为这个建筑带来了很强的标志性,因此“鸟巢”也能成为这个城市区域的“吸引子”,配合提供活动的场所而成为城区内一个重要的活动设施和场所.

2.3为使用者活动创造的结构构件

建筑最终目的是归于使用,因此建筑使用者的细心设计会很好地提高建筑设计的品质.如果将这种关照结合在结构设计上,更能提升建筑的使用效率.在ChristianKerez设计的瑞士霍尔德班克豪瑞能力中心的案例中,结构设计并没有直接提供使用者关怀的细节,而是跟随在空间操作的动作后,强化了空间的感受.建筑中梭形的立柱顺着中庭的开设方向斜向支撑,在符合承载要求的前提下,将自身的尺寸压缩,以提供一个连续无遮挡的室内视觉空间.同样在北京“鸟巢”的设计中,立面的楼梯不仅作为强化立面整体结构的稳定性的元素,也给城市介入的活动提供了更多的空间元素.这些楼梯可成为活动的额外看台,或者如同纽约大都会博物馆门前的大台阶,这些楼梯本身也可成为小规模活动的发生地.为停留此处者营造一个尺度适宜的场所感受.

3.结语

综上所述,影响结构设计的因素并非只针对结构与构件本身起作用,而是整个建筑设计的推进策略.在考虑建筑设计策略问题时,我们更应该分析建筑所在的条件、建筑的构筑体会遇到怎样的外部影响、我们设计的建筑会如何运作、建筑会创造怎样的场所、而建筑的使用者在建筑中又有怎样的感受,从而通过结构设计去解决建筑问题,其目的是追求“高效”的建筑设计成果,从而避免沦为意象、象征等这样流于形式的命题.