楊笑天 周健

華建集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究總院

勒·柯布西耶在1926年提出的“新建筑五點(diǎn)”對(duì)現(xiàn)代主義建筑產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，其中第一條便是“首層架空，以柱子支承”（Support of ground-level pilotis，elevating the building from the earth and allowing the garden to be extended to the space beneath.）[1]。柱子兼具建筑表現(xiàn)和結(jié)構(gòu)受力的雙重任務(wù)，是建筑師和結(jié)構(gòu)工程師都需要精心設(shè)計(jì)的關(guān)鍵元素之一。

在柯布西耶設(shè)計(jì)的薩伏伊別墅（Villa Savoye，1930）中，首層架空的開(kāi)敞空間僅保留建筑四周的結(jié)構(gòu)柱。薩伏伊別墅的白色混凝土圓柱間距4.75m，柱高3.13m，截面直徑250mm。柱子長(zhǎng)度與直徑之比達(dá)到12.5，相比古典建筑中柱式的厚重，顯得非常簡(jiǎn)潔、纖細(xì)，呈現(xiàn)出一種洗練的建筑表現(xiàn)力。

1 柱子的表現(xiàn)形式

隨著工程材料和技術(shù)的發(fā)展，建筑不再依賴(lài)粗重而密布的石柱支承荷載。經(jīng)過(guò)建筑師和結(jié)構(gòu)工程師不斷的探索、嘗試和創(chuàng)新，柱子的設(shè)計(jì)形態(tài)出現(xiàn)了三種分化。

一是追求柱子斷面纖細(xì)輕巧的效果，即細(xì)柱（細(xì)長(zhǎng)柱）。細(xì)柱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是受壓穩(wěn)定問(wèn)題，其材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。歐拉穩(wěn)定臨界應(yīng)力是細(xì)柱難以突破的極限?，F(xiàn)代主義建筑大師密斯·凡·德·羅在實(shí)現(xiàn)其空間理念“Less is more”的作品中，經(jīng)常采用的“密斯柱”即是典型的細(xì)柱。以巴塞羅那國(guó)際博覽會(huì)德國(guó)館（Barcelona Pavilion，1929）為例，柱子高3.1m，截面為不常見(jiàn)的十字形。從結(jié)構(gòu)受力方面分析，十字形截面的“回轉(zhuǎn)半徑”相對(duì)于其他形狀截面更小，柱子長(zhǎng)細(xì)比更大，是力學(xué)意義上的細(xì)柱。巴塞羅那國(guó)際博覽會(huì)德國(guó)館十字柱的邊長(zhǎng)（305mm）比薩伏伊別墅圓柱的直徑（250mm）大，但該十字截面的“回轉(zhuǎn)半徑”更小，其穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比更大。

二是追求柱子數(shù)量少，將柱子“凝聚”成少而粗的巨柱。巨柱形象厚重，富于氣勢(shì)，其結(jié)構(gòu)一般不存在穩(wěn)定問(wèn)題，材料強(qiáng)度能夠得到充分發(fā)揮。因此，柱身設(shè)計(jì)更加自由，其截面不局限于方形和圓形，可以塑造出各種特色截面。以皮埃爾·奈爾維設(shè)計(jì)的都靈工人文化宮為例，巨大的柱子和放射狀鋼梁組成一個(gè)個(gè)撐開(kāi)的傘。每把“雨傘”是一個(gè)獨(dú)立的單元，撐起十分開(kāi)闊的內(nèi)部空間（柱間距38m×38m），巨柱下段斷面為十字形，上段漸變收小為圓形，呈現(xiàn)出一種粗獷、挺拔的形象。

三是將柱子幾何“離散”成若干個(gè)分枝，拓?fù)溲莼纬煞植婊蚓幙?，統(tǒng)稱(chēng)為“樹(shù)形柱”或“分叉柱”。樹(shù)形柱將荷載傳遞由一點(diǎn)變?yōu)槎帱c(diǎn)，支承覆蓋范圍大，提供了更多的傳力路徑。樹(shù)形柱分支能夠減小屋蓋結(jié)構(gòu)的跨度，有利于形成更大跨度的空間。以華建集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究總院設(shè)計(jì)的上海浦東機(jī)場(chǎng)T2航站樓為例，建筑采用了Y形斜柱支承的張弦梁屋蓋結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出輕盈、活潑的超大空間。兩級(jí)分叉的樹(shù)形柱有效地減小了屋蓋張弦梁的跨度，提升了建筑室內(nèi)凈高。此外，對(duì)樹(shù)形柱構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)做了精細(xì)的處理。由此，建筑-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)成為建筑表達(dá)的亮點(diǎn)[2]。

1 薩伏伊別墅（Villa Savoye），勒·柯布西耶，1930

2 巴塞羅那國(guó)際博覽會(huì)德國(guó)館（Barcelona Pavilion）的十字形鋼柱，密斯·凡·德·羅，1929

3 巴塞羅那國(guó)際博覽會(huì)德國(guó)館（Barcelona Pavilion）的十字形鋼柱，密斯·凡·德·羅，1929

4 約翰遜蠟制公司（Johnson Wax Headquarters）的蘑菇細(xì)柱，弗蘭克·勞埃德·賴(lài)特，1939

5 都靈工人文化宮（Palazzo Del Lavoro），奈爾維，1959

6 上海浦東機(jī)場(chǎng)T2航站樓樹(shù)形柱/分叉柱

2 細(xì)柱的實(shí)現(xiàn)方法

對(duì)于柱子設(shè)計(jì)形態(tài)的第一種分類(lèi)——細(xì)柱來(lái)說(shuō)，為了追求柱子的精致設(shè)計(jì)、極致纖細(xì)，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師需要共同迎接挑戰(zhàn)。下面簡(jiǎn)要分析采用細(xì)柱手法的若干經(jīng)典案例，歸納實(shí)現(xiàn)細(xì)柱設(shè)計(jì)的數(shù)種方法。

2.1 輕型的荷載

細(xì)柱在結(jié)構(gòu)壓力作用下容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。為了防止失穩(wěn)，首先需減小柱子的軸壓力，即減輕單柱所承受的壓力荷載。

在妹島和世+西澤立衛(wèi)于2009年設(shè)計(jì)的蛇形畫(huà)廊（Serpentine Gallery）中，展區(qū)由細(xì)細(xì)的柱子支承著蜿蜒連續(xù)的鋁板，鋁板反射樹(shù)木、地面和天空的影像，與周?chē)h(huán)境形成呼應(yīng)。畫(huà)廊中細(xì)柱僅承受一層輕質(zhì)屋面（鋁板）的重量，其荷載僅相當(dāng)于普通混凝土樓面恒活荷載的1/20，約等于一般建筑輕質(zhì)屋面恒活荷載的1/5。且蛇形畫(huà)廊屬于臨時(shí)建筑，使用期間遭遇大風(fēng)和地震的概率極小，設(shè)計(jì)時(shí)幾乎不考慮水平作用力，因此其柱子能夠比普通建筑的柱纖細(xì)更多。

2.2 加密的布置

為了防止細(xì)柱失穩(wěn)，另一種減小柱子軸力的方法是加密柱子布置，進(jìn)而減輕每根柱所承受的壓力荷載。妹島和世在早期的公園咖啡廳設(shè)計(jì)中，曾采用1.5m×1.5m的小柱網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)柱設(shè)計(jì)。在大型建筑中，加密柱子可能導(dǎo)致空間局促且凌亂，因此在設(shè)計(jì)中并不常見(jiàn)。比較成功的案例有赫爾佐格和德梅隆設(shè)計(jì)的波爾多大西洋體育場(chǎng)（Stade Matmut-Atlantique）。

波爾多大西洋體育場(chǎng)由纖細(xì)而密布的柱子支承起屋頂。純白色的密柱如同明亮的光線(xiàn)或水滴渲泄而下，將體育場(chǎng)巨大的矩形體塊感消解于無(wú)形，營(yíng)造出一個(gè)充滿(mǎn)活力的空間。柱子細(xì)密的線(xiàn)條同時(shí)也促成了建筑開(kāi)放的立面表現(xiàn)。

7 2009年秋季蛇形畫(huà)廊，SANAA，2009

8 2009年秋季蛇形畫(huà)廊，SANAA，2009

9 法國(guó)新波爾多體育館，赫爾佐格和德梅隆，2015

10 法國(guó)新波爾多體育館，赫爾佐格和德梅隆，2015

11 日本東京冼足連結(jié)公寓G-Flat，北山恒、金田勝德，2006

12 日本東京冼足連結(jié)公寓G-Flat，北山恒、金田勝德，2006

13 冼足連結(jié)公寓平面布置圖

14 日本直島海之車(chē)站（Marine Station Naoshima）, SANAA

15 日本直島海之車(chē)站的不銹鋼鏡面鋼板墻

16 日本直島海之車(chē)站鋼板墻構(gòu)造分解圖

17 日本金澤海之未來(lái)圖書(shū)館（Kanazawa Umimirai Library），Coelacanth K&H（工藤和美＋堀場(chǎng)弘），2011

18 日本金澤海之未來(lái)圖書(shū)館（Kanazawa Umimirai Library），Coelacanth K&H（工藤和美＋堀場(chǎng)弘），2011

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，建筑共有644根圓鋼管柱。看臺(tái)下方的柱子承受較大壓力，截面較大；而建筑外圍柱子密布，且由于屋蓋內(nèi)側(cè)懸挑，導(dǎo)致外圍柱子僅承受很小的壓力，柱子可設(shè)計(jì)得非常纖細(xì)。柱子最大高度約37m，長(zhǎng)徑比最大達(dá)40，顯得格外細(xì)長(zhǎng)。此外，由于法國(guó)當(dāng)?shù)氐卣鹱饔眯。w育場(chǎng)采用輕質(zhì)簡(jiǎn)潔的屋面，每根柱分?jǐn)偟妮S力和彎矩都比較小，使得該建筑方案得以成功實(shí)現(xiàn)。

2.3 釋放彎矩

常規(guī)的框架柱截面大小除了受壓桿穩(wěn)定的影響外，柱子承受的彎矩也是一個(gè)重要影響因素。彎矩一部分由水平力（風(fēng)和地震作用）引起，另一部分是梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的平衡彎矩。減小柱子內(nèi)的彎矩，是縮小柱子斷面的有效手段。

日本東京的冼足連結(jié)公寓（G-Flat）實(shí)現(xiàn)“細(xì)柱”的方法是將集合住宅的“剪力墻”布置在建筑平面的中央，相鄰兩個(gè)單元的剪力墻方向垂直交錯(cuò)布置，以抵抗各方向的水平力。由于剪力墻的剛度遠(yuǎn)大于鋼柱，剪力墻分擔(dān)了絕大部分的水平力。因此，鋼柱幾乎只承擔(dān)軸壓力，因此其截面尺寸可大幅縮小。

日本直島海之車(chē)站也采用了類(lèi)似的剪力墻與細(xì)柱組合的結(jié)構(gòu)形式。海之車(chē)站是一個(gè)建筑面積約600m2的輪渡站，屋面為壓型鋼板（1.6mm厚）輕質(zhì)屋蓋。支承屋蓋的鋼柱直徑僅85mm，柱子長(zhǎng)度與直徑之比達(dá)到60。如此纖細(xì)的鋼管顯然無(wú)法抵抗海風(fēng)和地震引起的水平力。用于抵抗水平力的是8片纖薄的鋼板剪力墻[3]，鋼板墻表面設(shè)計(jì)成鏡面不銹鋼，布置在車(chē)站開(kāi)敞的空間中。鏡面映射周邊景色，與環(huán)境融為一體，不易被察覺(jué)。

日本金澤海之未來(lái)圖書(shū)館（Kanazawa Umimirai Library）的細(xì)柱則依賴(lài)于另一種結(jié)構(gòu)形式。圖書(shū)館長(zhǎng)寬高為45m×45m×19m，共有3層，設(shè)計(jì)者稱(chēng)之為“蛋糕盒子”。幕墻是有著6 000個(gè)小圓孔的GRC板和陽(yáng)光板，把柔和的自然光引入室內(nèi)。一種網(wǎng)格狀的交叉支承鋼結(jié)構(gòu)藏在幕墻內(nèi)部，承擔(dān)了全部水平地震力，其受力特性近似于框架支撐體系中的支撐。

19 神奈川工科大學(xué)KAIT工坊，石上純也、小西泰孝，2008

20 神奈川工科大學(xué)KAIT工坊，石上純也、小西泰孝，2008

21 神奈川工科大學(xué)KAIT工坊，石上純也、小西泰孝，2008

圖書(shū)館內(nèi)部的25根高12m的鋼柱，僅需承受來(lái)自屋頂?shù)闹亓Α榱讼菝媪簜鬟f給柱子的平衡彎矩，柱頂采用了鉸接節(jié)點(diǎn)以釋放彎矩。

2.4 預(yù)應(yīng)力

解決細(xì)柱因壓力而失穩(wěn)的方法，除了減小荷載和加密布置外，還可以利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)減小甚至消除軸壓力。石上純也設(shè)計(jì)的神奈川工科大學(xué)KAIT工坊（Kanagawa Institute of Technology Workshop）中令人印象深刻的細(xì)密白色柱子正是采用了這種預(yù)應(yīng)力技術(shù)。

KAIT工坊最初的設(shè)計(jì)意象是樹(shù)林。305根柱像小樹(shù)一樣錯(cuò)綜密布在建筑中，編織成一個(gè)有密度、非均質(zhì)的柔和空間。建筑根據(jù)柱子的分布被劃分為14個(gè)開(kāi)放的區(qū)域，相互獨(dú)立又融為一體。

結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)一直是人們對(duì)KAIT工坊最感興趣的話(huà)題。實(shí)際上，在高度為5m的305根柱子當(dāng)中，只有42根是承受豎向荷載的受壓柱（鋼板柱截面為62mm×90mm），其余的263根鋼板柱是施加了預(yù)拉力的吊桿（鋼板厚度為16～45mm，寬度為96～160mm），僅用于抵抗水平力。受壓柱下端與基礎(chǔ)剛接，上端與鋼梁鉸接，以釋放節(jié)點(diǎn)的彎矩；吊桿鋼板的上下兩端均為剛接，能夠最大程度地提供結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。

KAIT工坊的吊桿不存在失穩(wěn)的問(wèn)題，嚴(yán)格意義上也不算是柱子構(gòu)件。吊桿的鋼板朝向隨機(jī)變化，既可以抵抗來(lái)自不同方向的水平力（風(fēng)和地震作用），又能使人們身在其中看到不同寬窄的構(gòu)件變化。由于纖細(xì)吊桿的數(shù)量遠(yuǎn)大于受壓柱的數(shù)量，且吊桿沿鋼板厚度方向的尺寸極小，因此置身于建筑中能夠給人以柱子纖細(xì)至極的視覺(jué)效果。

上面介紹了實(shí)現(xiàn)細(xì)柱的四種方法，在項(xiàng)目實(shí)踐中可以綜合運(yùn)用。例如KAIT工坊項(xiàng)目中以施加預(yù)應(yīng)力的方法為主，同時(shí)也結(jié)合了密布柱列和釋放彎矩的方法。

3 結(jié)語(yǔ)

在追求柱子精致設(shè)計(jì)、極致纖細(xì)的建筑方案中，細(xì)柱既是建筑師表現(xiàn)極簡(jiǎn)、輕巧的元素，也是結(jié)構(gòu)工程師追求力學(xué)極限的探索，需要建筑師和結(jié)構(gòu)工程師緊密合作。文中諸多經(jīng)典案例也從側(cè)面說(shuō)明了建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相融合的重要性。

圖片來(lái)源

圖1～3來(lái)源于維基百科（Wikipedia）；圖16為作者根據(jù)文獻(xiàn)[3]改繪。