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从建筑学角度谈钢结构—钢结构与建筑概念

摘要

在许多建筑案例中,建筑概念都是用钢结构支撑和表达的,结构和概念相辅相成。钢结构不仅是建筑概念的表达手段,更影响着建筑概念的生成。概念存在于脑海,钢结构落地于现实,建筑师正是承担着将想法转化为现实的工作的人。

关键词

建筑;钢结构;概念

1 前 言——钢结构与建筑的关系

在我们生存的世界中,结构俯拾皆是,小到原子分子,大到天体星系,无不有着复杂的结构支撑,小单元按照自然规律紧密结合,形成了大千世界。建筑物也是如此,由梁、柱、楼板、基础、楼梯、门窗等基本构件以一定逻辑连结构成。通常意义上,“建筑结构是在一个建筑空间中用各种基本结构构件组合建造成的有某种特征的机体,为建筑物的持久使用和美观需求服务,为人们的生命财产提供安全保障[1]。”结构就像是建筑的骨骼,支撑着建筑物,同时赋予建筑物以力的美感及特殊的空间感受。随着时代的发展、材料的推陈出新、技术的推进,钢结构从小众走向大众,在越来越多的公共和私人建筑中得到了全方位的应用。

“钢结构建筑是指由钢板、型钢、钢管、钢绳、钢束等钢构件,用焊、铆、螺栓等方式连接而成的建筑[2]。”

房屋的结构处于自然环境之中,需要承受自然的各种荷载,在别的设施出现之前,它就已经被建造出来。从建筑师的角度出发,它是提供安全保障的建筑技术基础,约束着也开拓着建筑的空间和造型,推动着新时代的建筑变革。建筑创作中的“结构表现主义”将结构技术和建筑艺术、内容以及形式完美结合,创造了新的美学价值和文化性格。“皮之不存,毛将焉附”,可以说,建筑结构是建筑存在的前提,并且对空间氛围有举足轻重的影响。其中的钢结构更是在时代发展的进程中渐渐成为主流,助力无数建筑大师创作出新奇而富有革命性的作品。

2 钢结构与建筑概念

每当发生产业革命或是时代产生了急速变迁,专业领域的边界就变得模糊不清,角色转换促成了行业壁垒的打破,与此同时,工程师和建筑师可能从亲密的合作者变成一个人同时扮演的两个角色。这个时代涌现出了一些大师,他们部分是建筑设计师,部分是结构工程师,部分是糅合两者的催化剂。但他们也并不总是使建筑裸露它们的骨架,仿佛是一具出土的化石,或是为了概念的构思和表达压制结构的张牙舞爪。它们两者:既不能东风压倒西风,也不能西风压倒东风,而应该是互相融合妥协、相辅相成的。下面就通过几个建筑概念和结构表达完美结合的案例来阐明笔者的观点[3]。

2.1 轻盈

从古至今,人们一直对天空有着无限的好奇,也一直没有放弃让建筑实体飘在空中的尝试,希望能够让重力消失。随着时代发展,结构承载力越来越强,建筑也随之从敦实变得轻巧,但大多数时候,结构还是对建筑实体脱离地面产生了阻碍。钢结构的出现和应用,使大家对“轻盈”的印象大大地丰富了。

2.1.1 水立方——上升的气泡

为了贴合国家游泳馆所包含的水元素,国家游泳馆的概念就是它的名字——水立方。维埃尔和费兰在1993年造出的由14面体和12面体作为两种单体经嵌合和重复构成的肥皂泡,迄今为止仍是分割三维空间的最优方案,水立方的设计师将它作为结构概念,既具有水的美感,又能体现数学的严谨逻辑。

建筑师用钢网架和充气枕组合而成的膜结构表现了水立方的概念。钢筋混凝土结构在地下和基础部分,通过钢筋和地上的钢网架结构焊接起来,构成了一个立方体状的钢质笼子。在屋顶部分,槽形钢构件固定着一块块充气枕,还是通过焊接的方式与组成四面外墙的架子连接起来。

图1 水立方单元体构成

遇到雷雨天气,屋顶的钢构件能够收集雨水并排水,可兼作天沟,还能充当接闪器,把雷电引流到笼式避雷网上,这样屋面就没有突出的避雷针或避雷带,从而能保持完整的立方体形态。

水立方的建筑表皮就是它的建筑结构,它体现了气泡在水中上升的动势,通过激发人们对气泡的记忆和联想让整座建筑变得轻盈,同时配合结构使用的透光膜材料能更好地模拟泡泡的形态,消减建筑的体量感和厚重感。

2.1.2 里斯本世博会葡萄牙馆入口——飘动的帐幔

图2 里斯本世博会葡萄牙馆入口

图3 设计概念到具体操作

作为一个跨度达70多m的大跨结构,如想实现柔和的氛围,覆盖的顶部只能有轻盈的感觉,不然则会落入沉闷压抑的窠臼中。

入口选取帐幔的概念,帐幔具有数学上的悬链线形态,既具有可计算性又具有自然的美感,同时从力学上说,悬链线也让材料的内部应力最小,是力学的最优解方案。钢索的柔性正好可以自然地在适当压力下达到悬链线的形态。在选材初期,原本的计划是用织物包覆,但织物需要更多钢索稳定,反而破坏了应有的柔和的感觉,于是后期选择了刚性的混凝土材料,做成轻薄的瓦状砌块,悬挂在钢索上,提供给钢索所需的压力。

在钢索两端留出两条边不放置混凝土砌块,让光线洒落下来,通过漫反射让光线充盈在整个通道里,中和了所连接的两边建筑中砖块带来的利落线条。

2.1.3 波尔多住宅——飞翔的盒子

图4 波尔多住宅概念

在设计之初,库哈斯的建筑概念就是“飞翔的盒子”,追求的空间感觉是轻盈和漂浮,为了达到这个目的,必须让支撑结构消隐在视线范围内。传统的“桌子”形态可以实现底层架空,但这实在过于庸常,也缺少飞翔的轻盈感。于是巴尔蒙德从“桌子”出发,先将四条“桌腿”错动开来,再将其中的两条翻转到顶上,利用粗壮的钢梁、坠重物的钢索和混凝土核心筒形成支撑和悬挂相结合的结构体系。而后利用坡地的地形,将部分结构体掩藏起来。

偏心却均衡的支撑,让这座“盒子”状的建筑好像是即将发射的导弹一样充满动态。经过精确计算各种情况下的承载力,钢梁和钢索的支撑和张拉满足了建筑物的稳定性,却给人即将倾覆的危险感,加强了飞翔和运动的氛围。从建筑学角度来说,视觉效果的不稳定性和实际感受的安全性的冲突,更体现了矛盾的美感。

小结:由以上三个案例可以看出,设计灵感经常来自于自然界或者生活经验,并从中抽取数学逻辑进行概念生成,与轻盈相关的联想是漂浮,是舞动,是上升的气泡,是飘荡的帐幔,基于数学上的规律、科学的发现和钢结构强大的承载力和灵活性,解决了从自然语言到建筑语言的转译。

2.2 仿生

钢结构因其机动性和灵活性,可以很好地模拟自然界中动植物的骨架体系。原生生物经由自然环境的锤炼,其生物结构骨架异常符合力学原理,是建筑概念无限的灵感宝库。许多建筑师遵循着力学原理和形体类比的原则,设计出建筑的结构模型,最后得到了各种各样新奇的地标性建筑。形体建构的模式可以分为生长、网织、运动和表层四种模式[4]。

2.2.1 生长模式

模仿树的形态创造大面积覆盖的灰空间(没有围护结构仅有顶的开放空间)已经是非常成熟的设计手法,比如卡拉特拉瓦设计的BCE商业街。支撑体系模仿树冠的形态结构,最上层的枝杈支撑着玻璃顶,将重力荷载和活荷载等一层一层地向下面的枝杈传递,接近于轴向传力,最终通过竖立柱传到地面。树的结构经过抽象和简化之后充分发挥了抗压性能,创造出了通透开敞的大空间。

图5 BCE商业街

2.2.2 网织模式

自然界中有许多网织状的生物结构,如蜘蛛网、果实的经络、鸟类的巢穴等。人类通过模仿蜘蛛网的构造方式,用钢材创造了悬索结构,大幅提升了建筑空间的跨度,这就是网织模式中的一种。

植物果实自然的编织状螺旋结构也被用在了高层建筑的某些概念中。例如,伦敦的瑞士再保险总部大楼是一座绿色建筑,其形状之所以被设计成纺锤形是为了更好地进行自然通风从而节约能耗。设计概念正基于此,根据数学曲线和网织结构设计了螺旋式纺锤状的高层建筑。玻璃幕墙表皮直接连接在作为建筑承重构件之一的外围斜向钢架之上,双向螺旋交叉的钢架与水平钢架互相交织,形成以若干三角形支撑为基本单元的稳固的空间网格受力体系,这是一种自承重幕墙体系。自上而下的建筑荷载从三角形的顶点沿两边分散传递,与传统摩天楼相比,该结构更具有合理性。

图6 再保险大楼概念设计图

大楼的楼层也跟随结构进行了旋转,光线在透过双层低反光玻璃之后被楼板遮罩,这样就能达到散热的效果,同时新鲜空气可以利用每层旋转的楼板空隙扩散到整栋大楼中,减少机械设备的能耗。

图7 建筑平面形象

为避免气流在高大建筑前受阻而在建筑周边产生强烈的下旋气流和强风,其形态经过电脑模拟和风洞试验,由空气动力学决定,并可以帮助自然通风的实现。

在大楼的表面分布着螺旋形结构的暗色条带。建筑周边气流被内庭幕墙开启的扇叶所捕获之后,在空气动力学曲线所带来的上下楼层间的风压差的驱动下,沿螺旋形排布的被分隔为1层或6层的内庭中盘旋而上。这样的自然通风手段可以使该建筑每年减少40%的空调使用量。所以,立面上的6条深色的螺旋线所标示的是6条引导气流的通风内庭,明确地体现了建筑内部的逻辑。这些内庭的作用远不止一个大号通风井,它们同时也是该建筑得以使用自然光照明的采光井和使室内保持视觉上、感官上联系,打破层与层界限的共享空间。所以无论是在表皮,还是在建筑内每层平面的布局中,这样的螺旋状排布都扮演着极其重要的角色。由此可见,这个立体钢架结构的设计不仅是脱胎于绿色建筑的概念,不仅是实现建筑呈现纺锤形体量的手段,更以各种各样的形式和呼应影响着建筑的内外空间。

2.2.3 运动模式

动物的骨骼系统一直在运动,经过漫长的进化和自然选择,形成了越来越符合力学规则的形态。这样的形态能够有效引导和分散外力,对内脏器官起到良好的保护作用。在骨骼系统中,关节作为连接节点起着至关重要的作用,还能够对力有一定的缓冲作用。建筑师或结构工程师时常将关节作为结构设计的灵感来源。比如卡拉特拉瓦就是一个将机械运动引入建筑领域的大师,他擅长利用几何结构的形变创新连接方式,发掘建筑潜在的机械潜质,他的许多作品都有动态效果,使得静态结构能有呼之欲出的视觉感受,还有些建筑结构本身能够通过可活动构件结构的折叠和开合,如同机械一般运动起来。

图8 卡拉特拉瓦——巴克·德·罗达大桥

巴克•德•罗达大桥采用斜拉索结构被支撑起来,流畅的弧线直入地底,充满动感,远观就如同一对飞翔的翅膀。两个外拱从侧向加强以防桥身扭曲。四根拱肋承受了拱的荷载,每侧拱肋设计成A字形造型,同时顺其自然地将下桥步梯、行人平台等各功能部分与结构造型组合在一起。

图9 概念生成分析

图10 结构与功能的整合

桥梁的造型也就是它的结构,流线形既具有力学上的合理稳定,又与桥梁的通车功能呼应,在建筑学意义上实现了建筑的整体化,造就了形式和功能的交融与和谐。结构与概念相辅相成,互为依托。

2.2.4 表层模式

自然界中有许多兼具轻巧质地和均匀曲度的薄壳结构,比如动物的头盖骨、贝壳和海螺壳等。它们的表面结构很精巧,虽然很薄但非常耐压,受到的压力均布在整个表面上。在细胞层面上,生物体内充满了组织液、血液和淋巴液等液体或气体,单个细胞的细胞膜依靠内部的细胞液膨胀保持形状不变,抵抗外部作用力。类似充气薄膜的结构中,外应力分布在外表层,根据细胞胀压原理,人们设计了各种充气膜结构,这种建筑结构的特点就是轻盈和别致。薄壳结构和充气膜结构统称为表层模式仿生。

例如非常有名的地标性建筑,中国国家大剧院,主体建筑面积达到10.5万㎡,以钢结构壳体作为外围护结构,整体形状呈半椭球形,东西长轴长度为212m,南北短轴长度为143m,建筑物高度为46m。148榀弧形钢桁架构建了巨大的空间结构。钛金属板饰面组成了椭球形屋面,中部是渐开式玻璃幕墙,尺度惊人的巨型钢结构壳体的外形简洁明了。

图11 中国国家大剧院

3 结 语

建筑作为一门兼具理工和艺术特色的学科门类,与纯艺术的区别在于它是要被实际建造的,需要借助技术和结构的力量才能呈现出最大的美感。随着科学技术的不断发展和进步,一次又一次的材料革命带来了建筑业的巨大变革,建筑师所能发挥的余地也越来越大,钢结构作为现代科技的产物,也在许多次尝试之后得到了建筑师越来越广泛的青睐和灵活的应用。

建筑设计从属于设计,其落脚点是美学,而在结构设计中,遵循的法则在于力学规律。美学和力学都是大自然的产物,在一定程度上是相辅相成的,但人类对于这些的认识经过了很多曲折。在古代,由于建筑工匠既要设计图稿又要亲自建造或督建,很多古建筑都能完美体现当时美学和结构的统一。要雄浑庄严,在古希腊就是高耸的柱林,高度让人心生畏惧;在西汉就是高台楼阙,垒土做栱、大气磅礴。在现代,结构技术日新月异地发展,新材料层出不穷,让新的空间可能性也呈几何级数增长。洛可可时期的建筑师沉溺于细部的精雕细琢而掩藏了真实的结构。但随着时间过去,人们渐渐意识到理性且充满力量的建筑结构也可以有简洁明快的美感,充当建筑的造型。

文中提及的案例,基本是以自然界中的结构为基础进行抽象,以现在最具灵活性的钢结构转译为建筑语言,用钢架串上膜表达气泡,用钢索和混凝土瓦表达帐幔,用异形柱表达树,用螺旋形钢架扭成“小黄瓜”,用肋架和拉索表达翅膀,用弧形钢架表现蛋壳。方案的生成过程就是从自然环境获取概念,从概念中抽取结构,用现有最适宜的钢材去表达结构,暗合生命的出现与生长过程。这样做出来的建筑具有独一无二的特点,或与自然环境和谐,或与地理文脉和谐,或与建筑自身和谐,是对建筑师诉求的满足[5]。

结构不只是教科书上一板一眼的钢梁、钢柱、钢桁架、钢网架,在对案例的分析中发现,建筑的生动和活力来自于对结构的灵活运用,而不是生搬硬套,结构的意义不仅在于支撑,同样在于塑造[6]。自然造物,万物有灵,浑然一体,我们对建筑的设计追求也在于此,而钢结构作为骨骼,内脏被容纳,皮肉要附庸,随着建筑概念而生长,也影响着概念的整体表达。


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作者: ganggouren

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