倪潤(rùn)爾

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200082）

1 建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的矛盾與統(tǒng)一

1.1 建構(gòu)歷史的發(fā)展回溯

在人類構(gòu)筑居所、營(yíng)造城池的歷史長(zhǎng)河中，建筑的本體結(jié)構(gòu)與建筑所表達(dá)的文化性是脫離還是共生，一直是個(gè)活躍的命題，推動(dòng)著建筑技術(shù)的發(fā)展。從最早的古希臘神廟或是中國(guó)古典建筑中的梁柱結(jié)構(gòu)，到古羅馬時(shí)期因空間需求擴(kuò)大而催生的拱券、穹頂、帆拱等結(jié)構(gòu)形式，再到歐洲中世紀(jì)哥特建筑拱肋、飛扶壁等結(jié)合理性與神性的表達(dá)，繼而到文藝復(fù)興時(shí)期恢弘的穹頂?shù)冉ㄖ孥E，無不體現(xiàn)了古代的匠人與智者們?cè)跁r(shí)代的推進(jìn)中對(duì)于功能、精神需求與結(jié)構(gòu)體系的相互磨合與促進(jìn)。

隨著18-19世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展人們進(jìn)入工業(yè)革命時(shí)代，鑄鐵、鋼筋混凝土、新型復(fù)合材料等方面的突破性發(fā)展將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造技術(shù)帶入了新的世界，無論是建造速度、經(jīng)濟(jì)效益等方面都有顯著提升。隨之而來的現(xiàn)代框架結(jié)構(gòu)、桁架、網(wǎng)架、薄殼等結(jié)構(gòu)體系以及工業(yè)化的生產(chǎn)方式被廣泛運(yùn)用于大量建筑，產(chǎn)生了功能各異、千姿百態(tài)的現(xiàn)代建筑。

1.2 建筑師和結(jié)構(gòu)師的分工與合作

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展一方面奠定了當(dāng)代建筑的地基，另一方面也使得建筑師與結(jié)構(gòu)師之間的分工在近代開始變得更為明確：建筑師更趨于關(guān)注建筑應(yīng)對(duì)的功能性和體現(xiàn)的社會(huì)與文化性的實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)師則更注重在保障施工及使用安全的前提下對(duì)于建筑空間的結(jié)構(gòu)選型、計(jì)算和具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。越發(fā)龐雜的專業(yè)信息量促使這種分工越發(fā)分明，建筑師逐漸變得較難有能力通盤掌握結(jié)構(gòu)分析和實(shí)現(xiàn)的各種手段，傳統(tǒng)囊括結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的創(chuàng)作過程變成了被動(dòng)的設(shè)計(jì)。

然而這一壁壘也并非難以打破。從20世紀(jì)60年代建筑師丹下健三與結(jié)構(gòu)師坪井善勝合作的東京代代木國(guó)立綜合體育館，到倫佐·皮亞諾、理查德·羅杰斯與彼得·萊斯共同設(shè)計(jì)的蓬皮杜藝術(shù)中心，再到伊東豐雄與佐佐木睦朗合作的仙臺(tái)媒體中心，以及21世紀(jì)新生代建筑師中的藤本壯介、石上純也等與杰出結(jié)構(gòu)合作的作品，都體現(xiàn)了動(dòng)人的建筑離不開精心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，以下就試從建筑師的角度探討建筑設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾種表達(dá)方式：

2 建筑設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的表達(dá)方式

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的消隱處理

建筑立面通常是設(shè)計(jì)表達(dá)的重點(diǎn)，建筑師為了表達(dá)空間的透明性，為了將室外環(huán)境向室內(nèi)滲透，或是為了突出建筑純粹明確的體量，往往希望建筑立面都做得干凈通透，要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件盡可能做到“消隱”的狀態(tài)。

在妹島和世與西澤立衛(wèi)設(shè)計(jì)的托萊多美術(shù)館玻璃展亭中，立面與大部分空間劃分使用玻璃幕墻，房間由各種不同形態(tài)的弧形玻璃圍合，使得空間突破了傳統(tǒng)意義上房間的概念而形成了“流動(dòng)空間”。為了凸顯這種效果，建筑立面以及內(nèi)部的豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件都進(jìn)行了消隱處理——通過構(gòu)件尺寸的最小化、后退于玻璃完成面或是隱藏在局部實(shí)體墻內(nèi)。柱網(wǎng)排布并不依照通常的正交規(guī)律，而是依據(jù)功能與表現(xiàn)需求呈不規(guī)則分布，進(jìn)一步弱化了結(jié)構(gòu)體系的存在感，使得設(shè)計(jì)意圖得到最大程度的體現(xiàn)。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)化體現(xiàn)

有時(shí)候受到條件的制約，無法做到讓結(jié)構(gòu)構(gòu)件完美“消隱”，或是有時(shí)候希望通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到設(shè)計(jì)效果，建筑師與結(jié)構(gòu)師就需要磨合來找到外露結(jié)構(gòu)的表達(dá)形式?？梢酝ㄟ^對(duì)梁柱等重復(fù)構(gòu)件的均質(zhì)化以及節(jié)奏感的控制，或者對(duì)網(wǎng)殼等劃分規(guī)則的調(diào)整，形成不同的空間秩序和體驗(yàn)。

在現(xiàn)當(dāng)代建筑潮流中，西班牙建筑師卡拉特拉瓦尤其善于將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)一體呈現(xiàn)，表達(dá)結(jié)構(gòu)的韻律并賦予動(dòng)態(tài)的形式。例如在他領(lǐng)銜設(shè)計(jì)的紐約世貿(mào)中心新交通樞紐中，純白色鋼結(jié)構(gòu)通過精心設(shè)計(jì)的尺寸和重復(fù)韻律，同玻璃一起打造了一個(gè)延伸向天空紀(jì)念性公共交通空間，通過充滿張力的結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)的外觀如同展翅欲飛的和平鴿。但業(yè)界也有質(zhì)疑稱他的部分作品有過度使用結(jié)構(gòu)構(gòu)件的成分，這需要辯證地看待建筑與結(jié)構(gòu)表現(xiàn)力和項(xiàng)目造價(jià)、場(chǎng)地文脈等相互制約的關(guān)系來做出評(píng)判。

2.3 結(jié)構(gòu)、表皮、空間一體化設(shè)計(jì)

隨著建造技術(shù)和建構(gòu)理論的發(fā)展，“結(jié)構(gòu)建筑學(xué)archi-neering”的議題成為熱議，旨在通過將建筑的造型、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、空間甚至寓意等綜合考量而進(jìn)行建筑創(chuàng)作。在這個(gè)語(yǔ)境下，建筑師與結(jié)構(gòu)師合作的默契程度關(guān)鍵地決定了建筑最終能夠達(dá)到的水平：這需要結(jié)構(gòu)師從構(gòu)思初期就密切參與，從宏觀上同建筑師共同研究建筑的功能形式、制定結(jié)構(gòu)方案，也需要在設(shè)計(jì)深化的過程中與生產(chǎn)施工部門等各方共同把控單元構(gòu)件的微觀近人尺度，整合表皮的構(gòu)造層次和內(nèi)部的設(shè)備系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“簡(jiǎn)約”而不“簡(jiǎn)單”的效果。

新近落成的由福斯特建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)的史蒂夫·喬布斯劇院，直接將近80t的碳纖維屋頂通過建筑周圈的四層夾膠玻璃結(jié)構(gòu)支撐，完全通透的大廳內(nèi)不使用其他豎向構(gòu)件，玻璃既是建筑表皮也是結(jié)構(gòu)支承構(gòu)件，所有水電管線均集成在玻璃面板之間的縫隙構(gòu)造中，通過突破極限的技術(shù)呈現(xiàn)，淋漓盡致地闡述了極簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)風(fēng)格。

3 側(cè)重于結(jié)構(gòu)表達(dá)的設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論在建筑創(chuàng)作中的介入

人們?cè)谠缙诘纳a(chǎn)實(shí)踐中創(chuàng)造了眾多合理的結(jié)構(gòu)形式，如拱、殼體、懸索等，然而近代以前，數(shù)學(xué)和力學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展尚不成熟，結(jié)構(gòu)形態(tài)的確定往往建立在設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)之上。19世紀(jì)以來，力學(xué)學(xué)科的進(jìn)一步完善，為尋找合理受力的結(jié)構(gòu)形式奠定了理論基礎(chǔ)，但仍不能完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)形體的設(shè)計(jì)和計(jì)算，因此一些學(xué)者開始以縮尺實(shí)驗(yàn)或工程經(jīng)驗(yàn)為主要手段，有意識(shí)地確定合理結(jié)構(gòu)形狀，保證發(fā)揮材料最大的力學(xué)性能（如構(gòu)件只受純壓力）。例如西班牙建筑師高迪通過逆吊實(shí)驗(yàn)法確定的圣家族大教堂的穹頂、德國(guó)建筑師奧托利用皂膜模型試驗(yàn)推導(dǎo)出的德國(guó)慕尼黑奧林匹克體育館等。另外，圖解靜力學(xué)理論的發(fā)展，也對(duì)各種大跨度結(jié)構(gòu)體系的建筑設(shè)計(jì)有著積極促進(jìn)作用。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，例如有限元模擬法以及由此發(fā)展出的漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等。隨著力學(xué)理論和分析方法被轉(zhuǎn)譯成算法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更具備可視化和交互性，可根據(jù)設(shè)計(jì)條件改變快速調(diào)整迭代結(jié)構(gòu)形式，建筑師在掌握基本結(jié)構(gòu)概念和編程邏輯的基礎(chǔ)上，可以同結(jié)構(gòu)師一起更為積極且具象地參與到結(jié)構(gòu)生形和建筑創(chuàng)作的過程中。例如利用犀牛Grasshopper平臺(tái)中的kangaroo插件進(jìn)行張拉結(jié)構(gòu)模擬、利用RhinoVAULT插件等進(jìn)行拱結(jié)構(gòu)生成并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)等模擬。

3.2 工程實(shí)例

在中國(guó)商貿(mào)博物館與義烏市美術(shù)館（在建）的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，結(jié)構(gòu)成為了建筑表達(dá)不可或缺的一部分。為了體現(xiàn)“廣宇六合、盛世綻放、商貿(mào)之都”的設(shè)計(jì)理念，也為了突出順應(yīng)環(huán)境主導(dǎo)風(fēng)向而舒緩流暢的建筑形態(tài)，采用了大小兩個(gè)基于圓角六邊形的純粹體量，每個(gè)體量由六個(gè)拱腳輕輕落地。設(shè)計(jì)從方案階段即開始與結(jié)構(gòu)師緊密合作，確定了采用大跨度鋼拱架結(jié)構(gòu)，將落地的拱腳縮至最小。同時(shí)，為了達(dá)到通用型展廳無柱大空間的使用目的、以及中庭與三個(gè)邊庭通透的設(shè)計(jì)效果，展廳和中庭內(nèi)的豎向承重構(gòu)件均力求消隱，僅通過中間核心筒的剪力墻、展廳入口同隔墻融為一體的柱子以及周邊拱架結(jié)構(gòu)傳遞豎向力，真正做到了靈活開放的通用空間。

另外，在博物館與美術(shù)館一層入口周邊的半室外灰空間，為了將純粹流暢的建筑體量延續(xù)至室內(nèi)，同時(shí)也為了節(jié)省造價(jià)不做二次裝修，將外露的二層樓面梁作加腋處理，由犀牛Grasshopper找形，將不同梁的端部協(xié)力調(diào)整到柔和的整體空間形態(tài)，同時(shí)兼顧合理的傳力方式。通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)化體現(xiàn)，以清水混凝土的韻律表達(dá)建筑本真的美感。

4 結(jié)論

優(yōu)秀的建筑往往是“形”與“力”的完美統(tǒng)一。建筑空間的要求推動(dòng)結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展對(duì)建筑形式的形成又起到關(guān)鍵作用。這種相輔相成的關(guān)系促使當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)思潮呈現(xiàn)出傳統(tǒng)“堅(jiān)固、實(shí)用、美觀”基礎(chǔ)之上的百花齊放狀態(tài)——亦或是經(jīng)濟(jì)高效亦或是綠色節(jié)能。正如日本結(jié)構(gòu)大師坪井善勝所言：“結(jié)構(gòu)的美在合理的近旁”，當(dāng)代建筑師把握好時(shí)代給予的機(jī)會(huì)，與結(jié)構(gòu)師緊密合作、協(xié)同設(shè)計(jì)，將會(huì)誕生更多為人們所銘記的作品。