朱夢然 郭屹民

東南大學(xué)建筑學(xué)院

1 鋼筋混凝土

1.1 從“流動的石材”到力流的實體

范德維爾德（Henry van de Velde）曾論述道：“19世紀的結(jié)構(gòu)工程師就像天真的小孩用簡單的方法創(chuàng)造了自然的美，盡管顯得有些傲慢，但是他的觀點卻與現(xiàn)實主義吻合?！碧煺嫠坪⑼恼f法并不是對結(jié)構(gòu)師的溢美之詞，早期的結(jié)構(gòu)師不僅缺乏對材料特性的認知，也難以完成精確的力學(xué)計算。

斯米頓（John Smeaton）的Eddystone燈塔（1759）被視作混凝土有記錄以來的最早應(yīng)用實例（圖1），歷史跨越了近150年后才有了埃納比克（Francois Hennebique）提出的鐵筋混凝土建造系統(tǒng)（System of Ferro-Concrete Construction，1892）。這之間經(jīng)歷了阿斯普丁父子（Aspdin）注冊波特蘭水泥為專利（1824），莫尼爾（Joseph Monier）發(fā)明鋼筋混凝土應(yīng)用在花盆上（1867）并實踐了最早的鋼筋混凝土橋（1875）……鐵筋加固的方式（圖2）讓混凝土擺脫了“流動的石材”的屬性，具備了抗拉的能力。但這些都沒有把混凝土的使用上升到結(jié)構(gòu)力學(xué)計算的高度，為數(shù)不多的相關(guān)研究也未能發(fā)表。

同時期學(xué)院的建立直接摒棄了結(jié)構(gòu)的代數(shù)計算，而是深入了圖解靜力學(xué)的方法。在ETH初期，首席工程教授庫爾曼（Karl Culmann）認為圖紙是工程師的語言，結(jié)構(gòu)行為應(yīng)該通過幾何圖形形象地表達，而不是抽象的代數(shù)公式。圖解的方式意味著結(jié)構(gòu)間接成為了力流的圖像呈現(xiàn)。而庫爾曼的繼任者里特爾（Karl Wilhelm Ritter）繼承并發(fā)揚了這一理念，提倡計算的簡化性、結(jié)構(gòu)美學(xué)、計算準確度和施工質(zhì)量的結(jié)合。這樣的要求和使用模型的工作方法又影響到了他的學(xué)生馬亞爾（Robert Maillart），后者的橋梁實踐被認為是力與美的結(jié)合典范。被稱為“混凝土詩人”的奈爾維（Pier Luigi Nervi）的作品則是以肋條將力流直接轉(zhuǎn)譯，他被視作意大利數(shù)學(xué)家克雷默納（Luigi Cremona）的繼任者，后者發(fā)表的“圖解靜力學(xué)的交互圖形問題”促使圖解的方法更加便捷。

1.2 從橋到拱、框架與殼體

如同建筑師關(guān)注空間一樣，結(jié)構(gòu)師的思考則是從跨度開始，而橋比房子更能夠體現(xiàn)他們對跨度的癡迷。橋梁可以被簡單看作是橋面系統(tǒng)與支撐系統(tǒng)的結(jié)合，也正因為橋梁涉及的問題沒有建筑那樣復(fù)雜，才能更加明顯看到“結(jié)構(gòu)造型”可以單獨成立。

盡管馬亞爾的作品中有超過三分之二是建筑，但他為世人熟知的仍然是其優(yōu)雅的橋梁作品。這些作品基于傳統(tǒng)拱形而發(fā)展，他創(chuàng)新使用的三鉸拱形式讓橋梁的最高點可以上下微動，釋放溫度應(yīng)力（圖3a）。更重要的是在他諸多的橋梁作品中，例如Salginatobel Bridg（圖3e），橋拱的形式已經(jīng)不再像莫尼爾的作品般隨意（圖4），而是完全符合一條呈現(xiàn)壓力的懸鏈線（圖3b）；同時，端部有意挖去的部分使得箱型斷面高度完全符合彎矩的變化（圖3c，3d）。西格爾（Curt Siegel）對此評價道：“這個結(jié)構(gòu)格局是如此完善，如此精確，如此鮮明的真實……這個成就證明工程技術(shù)和實事求是的富有目的的建造，本身就存在美的可能性。”

1 Eddystone Lighthouse

2 Monier 混凝土鐵筋加固草圖

3 Salginatobel Bridge 等三鉸拱原型分析

4 Monier 鋼筋混凝土橋面設(shè)計圖紙

5 Le Veurdre 設(shè)計草圖

6 奧利機場飛機庫拱形式推演與模板示意

7 Hennebique 建造體系中的拱形挑梁

8 富蘭克林大街公寓剖面

9 Algeciras Market Hall

10 Los Manatiales 餐廳馬鞍面受力分析

11 Isler 殼體形式研究

弗雷西內(nèi)（Eugene Freyssinet）有著法國國立路橋?qū)W校的專業(yè)背景，他的早期結(jié)構(gòu)實踐作品Le Veurdre創(chuàng)造了當時拱橋的跨度記錄（圖5），而后在預(yù)應(yīng)力技術(shù)研究中，他又不斷刷新了這一記錄。當大跨度的橋梁問題都能化解時，建筑的問題就顯得非常輕松了。弗雷西內(nèi)設(shè)計的奧利機場飛機庫跨度達到86m（圖6），由一系列拋物線形鋼筋混凝土拱組成；之后他又設(shè)計了類似高斯拱形式的混凝土直紋曲面薄殼，用于火車維修間。這種應(yīng)用在建筑上的薄殼結(jié)構(gòu)也可以看作是拱殼單元的復(fù)制，甚至是“橋”的復(fù)制。

隨著鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，混凝土的抗彎、抗拉性能大幅提高，從而有更多的混凝土以源自木結(jié)構(gòu)的框架形式出現(xiàn)。埃納比克提出的鐵筋混凝土建造系統(tǒng)已經(jīng)初現(xiàn)框架體系的端倪，但佩雷兄弟（Perret）的出現(xiàn)才在真正意義上將鋼筋混凝土的建造上升到建筑學(xué)結(jié)構(gòu)理性表達的高度。他們在前者的幫助下，仍然避免在富蘭克林大街公寓沿用典型的拱形挑梁（圖7），盡管這帶來了受力的弱化，但大小統(tǒng)一的梁柱斷面符合抽象化的框架形式表達（圖8）。佩雷在框架和填充墻的不同飾面表達印證了弗蘭姆普敦（Kenneth Frampton）對其再現(xiàn)性的論證：“這種再現(xiàn)性不僅體現(xiàn)在框架的連接方式上，而且也體現(xiàn)在建筑細部處理借鑒的內(nèi)容上面”。

如果說拱和框架結(jié)構(gòu)可以看作是結(jié)構(gòu)桿件或者單元的組合，那殼體本質(zhì)上則是整體結(jié)構(gòu)的考慮。從西班牙混凝土大師托羅華（Eduardo Torroja）到一度將職業(yè)生涯扎根于墨西哥的坎代拉（Felix Candela），再到后來震驚IASS的伊斯勒（Heinz Isler），甚至是為悉尼歌劇院探索的阿魯普（Ove Arup），殼體從理想數(shù)學(xué)規(guī)則幾何形不斷向更為自由的形發(fā)展。這種自由體現(xiàn)在從理想數(shù)學(xué)形到更為復(fù)雜但符合數(shù)學(xué)計算的形，再到由模型生成的呈現(xiàn)自然懸掛狀態(tài)的形。托羅華在Algeciras市場中呈現(xiàn)了完美理想的圓形（圖9），而坎代拉的Los Manantiales餐廳則是通過馬鞍形單元復(fù)制得來（圖10），再到后來伊斯勒研究的圖紙中已經(jīng)有各式各樣的殼體（圖11）。同時，隨著對應(yīng)力分布的洞悉和對鋼筋加勁的熟練運用，在殼體上開洞的方式也變得更加自由。

1.3 輕的形式

荷載的輕盈與形式上的輕盈似乎一直是這一時期結(jié)構(gòu)師們不懈的追求。若將奈爾維和托羅華這對同時期的混凝土實踐者對比來看，二者都追求輕盈的覆蓋結(jié)構(gòu)，卻形成了完全不同的形式效果。輕薄的殼體意味著結(jié)構(gòu)師對力流分布的了解一如醫(yī)師對人體血管的清晰解剖般透徹，奈爾維將這樣的力流呈現(xiàn)為規(guī)則重復(fù)且愈發(fā)密集的加勁肋，而托羅華則在思考如何用殼體精確的形去平衡掉這樣的力流。

兩者不同的做法也與他們所在的地域有關(guān)。在奈爾維的作品中，無論是由一個剖面生成的佛羅倫薩體育場看臺，還是通過變截面柱和折板屋蓋形成的巴黎聯(lián)合國教科文組織總部，都能看到由重復(fù)結(jié)構(gòu)單元生成的立面以及某種秩序感。奈爾維的理論中似乎并不刻意強調(diào)塑造這種秩序感的緣由，但在圓形覆蓋的羅馬小體育宮室外環(huán)繞一圈的體驗不免會讓人聯(lián)想到羅馬斗獸場充滿分量的柱廊。這種重復(fù)的柱廊形式和充滿紀念性的圓形平面在意大利隨處可見，而綿長連續(xù)的柱廊對于結(jié)構(gòu)與形式的雙重意義也被奈爾維毫無預(yù)兆地繼承下來。反觀托羅華，在極致輕薄的屋頂構(gòu)造中以堅決的態(tài)度拒絕任何加勁肋的幫助，這在同為體育看臺的設(shè)計中就能看見二者在構(gòu)造覆蓋時的形式傾向（圖12，13）；而在Fronton Recoletos回力球場的材料運用上也許能看出這位西班牙工程師對加泰羅尼亞拱這一磚造穹頂方式的偏愛，盡管整個房子是經(jīng)過精確計算的混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，但并不影響托羅華在其上加瓦片貼面形成加泰羅尼亞拱輕薄的效果。另一位來自曾經(jīng)是西班牙殖民地的烏拉圭建筑師蒂埃斯特（Eladio Dieste）的磚造作品，就更像是對加泰羅尼亞拱的極致發(fā)展。對輕薄形式的追求是絕大多數(shù)現(xiàn)代主義建筑師和結(jié)構(gòu)師的共同目標，但隱藏在建筑形式背后這種對結(jié)構(gòu)形態(tài)的選擇，卻也深受學(xué)院教育與文化地域的影響。

2 鋼

2.1 從跨度的飛躍到高度的突破

如同混凝土的前身是用作石塊間的粘合劑，鐵受限于生產(chǎn)效率也只能作為連接件。當結(jié)構(gòu)師嘗試使用鑄鐵來進行建造時，對材料的無知使得設(shè)計最早只能成為紙上的狂想。

后來在新的鑄鐵技術(shù)支持下（1709），建筑師普里查德（Thomas Pritchard）提出了鐵橋的設(shè)想（1773），卻未能實現(xiàn)（圖14）。當?shù)谝蛔T鐵橋英格蘭Coalbrookdale橋（圖15）建成時（1779），設(shè)計者甚至因為不知如何連接鑄鐵而使用了木工榫接的方式，同時結(jié)構(gòu)仍然逃不開拱橋的約束。1849年，利物浦車站使用了鐵桁架，跨度首次超過了公元紀年時期的羅馬萬神廟，鋼材優(yōu)良的特性開始逐漸顯現(xiàn)。很快，鋼結(jié)構(gòu)以極輕的自重得到了結(jié)構(gòu)師的青睞，Bratannia橋箱形橋的方式（1850）開始著眼于管狀鋼材的承載力（圖16）。順應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需求，直到1856年貝氏煉鋼法的使用才讓鋼材開始了大規(guī)模的生產(chǎn)。

鋼材在跨度上的優(yōu)勢隨著一座座橋梁的誕生已不言自明。1885年，當時公認的世界第一幢摩天樓家庭保險公司大樓的誕生被認為是最早的鐵框架高層建筑，這樣的作品讓結(jié)構(gòu)師意識到鋼材的使用是突破建筑高度的契機。隨后，埃菲爾鐵塔、巴黎世博會機械館等一系列在技術(shù)和形式上都飽受爭議的作品橫空出現(xiàn)，同時反映出鋼材在建筑上的使用比“可塑的石材”更易以格構(gòu)化的方式塑造形體，這種裸露的布滿鍛造痕跡的細密“枝條”也更易引發(fā)美學(xué)問題的沖突。

鋼筋混凝土的發(fā)展與圖解靜力學(xué)的學(xué)科發(fā)展相輔相成，相比之下鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展則與國家經(jīng)濟、工業(yè)制造的水平和商業(yè)化程度息息相關(guān)。鋼材仿佛天生就是為預(yù)制化而生的材料，很快就被約束以型鋼的形式得以應(yīng)用（1870），這樣的約束讓鋼形同產(chǎn)品一般加入工業(yè)生產(chǎn)的流水線中并迅速標準化。

鋼材再一次大放異彩，是又回歸到在高層建筑中的應(yīng)用。1931年紐約帝國大廈“建筑之王”的建成和之后的法茲勒·汗（Fazlur Khan）加入SOM的創(chuàng)新筒體結(jié)構(gòu)，標志著超高層的時代到來，此后鋼結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)的超高層建筑技術(shù)日趨完善。

2.2 輕型系統(tǒng)、膜結(jié)構(gòu)與超高層

當一戰(zhàn)的戰(zhàn)火燒遍歐洲各地時，建筑師們紛紛投入設(shè)計工作中試圖找到解決社會困境的答案，但他們交出的答案也不盡相同。其中就有著名的多米諾體系——柯布等人試圖在集中化的公寓里安放人們的生活，而他的合作者讓·普羅維（Jean Prouve）則畢生致力于從預(yù)制化輕鋼系統(tǒng)中找到可以復(fù)制的分散的生活單元。盡管可預(yù)制的做法在佩雷對鋼筋混凝土的研究中就已不再新鮮，但鋼材的特性顯然更適合預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計做法。普羅維一生的作品除了少數(shù)的公共建筑外，幾乎都在研究各式各樣的可預(yù)制化小型住宅，包括自己的家。從6m×6m到8m×8m的單元，從剪刀式立柱到分叉式梁柱一體化構(gòu)件，普羅維驗證了這一想法在不同尺寸上實踐的結(jié)果，富于變化的單元設(shè)計也能在各類功能上得以實現(xiàn)（圖17）。有類似想法的顯然不只普羅維一人，美國建筑師富勒（Richard Buckminster Fuller）的概念更加宏大，在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新也更為驚人。富勒的頭銜之多跟他提出的“Dymaxion”理念——用少的材料創(chuàng)造最多——密不可分，這一理念不僅針對建筑的少，也希望將對生態(tài)環(huán)境的干擾降到最低。對于戰(zhàn)爭和經(jīng)濟能源危機下的住宅，富勒的思考囊括了集合性的設(shè)計宏圖4D塔、單元式的4D住宅，后者也被不斷改進最終成為Dymaxion住宅單元（圖18），成為名副其實的“住宅機器”。諷刺的是，富勒這種構(gòu)筑未來的宏偉設(shè)想?yún)s并沒有成為改善民生的利器，反而收到了大量軍方的訂單。這樣頗具先鋒性外觀和理念的“谷倉”，同時也融合了他在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。雖然富勒的張拉整體結(jié)構(gòu)因1967年蒙特利爾世界博覽會的美國館而成名，但這并不妨礙他開始研究張拉桿在小型住宅機器上的應(yīng)用，甚至為了達到更輕的效果將材料換成了鋁。在這樣的思想下，當富勒在1981年設(shè)計出“飛蠅的眼球”穹頂時（圖19），一切都仿佛被結(jié)合到了臻于完善的境地?！帮w蠅的眼球”穹頂簡化了網(wǎng)格穹頂，減少了組件規(guī)格，用唯一的曲面型片板取代了桿件，提高了結(jié)構(gòu)的整體性，簡化了生產(chǎn)和搭建過程，并在結(jié)構(gòu)形式上完美符合富勒對理想球型網(wǎng)格穹頂?shù)钠谩?/p>

12 佛羅倫薩體育場看臺剖面簡圖

13 馬德里賽馬場看臺剖面簡圖

14 Thomas Pritchard 的鐵橋設(shè)想

15 Coalbrookdale Bridge

16 Bratannia Bridge 的箱形斷面

17 Prouve 空間單元做法

18 4D Dymaxion House

19 Fly’s eye dome 分解示意

20 從壓力到拉力的結(jié)構(gòu)形式演繹

21 John Hancock Center 的錐形體量

當戰(zhàn)火造成的災(zāi)難景象讓一部分人思考災(zāi)后居住建筑時，廢墟下的德國則讓曾經(jīng)淪為戰(zhàn)俘的奧托（Frei Otto）把這段經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為了對輕型臨時建筑的設(shè)計思想來源。對于奧托來說，輕質(zhì)就是與臨時建筑綁定的屬性。鋼材抗拉的特性催生了Brooklyn等懸索大橋的出現(xiàn)（1869），張拉技術(shù)的成熟又催生了膜結(jié)構(gòu)（圖20），顛覆了拱形結(jié)構(gòu)中依靠擠壓的原理，穹頂也不再是大空間的唯一實現(xiàn)方式。與奧托師出同門的施萊希（Jorg Schlaich）曾坦言：“輕型結(jié)構(gòu)只有兩個天生的缺陷，‘自然的荷載’和高人工費用?！痹谑┤R希的作品中，輕型結(jié)構(gòu)中的覆蓋都顯得可有可無，在他的步行橋作品中，支柱和鋼索圈的加固因有圓弧形梁的運用而足夠穩(wěn)定且變化多端。

如果說20世紀初的歐洲結(jié)構(gòu)師們還沉迷于研究如何用鋼筋混凝土多變的形態(tài)實現(xiàn)更大跨度，20世紀中葉的美國則在全力使用鋼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)突破天際的高度了。鋼材因其自重輕卻有著更大的剛度被率先用在高層建筑設(shè)計中，但由于結(jié)構(gòu)體系未能突破框架和框架支撐，紐約帝國大廈成為該體系下的極限高度。而由法茲勒·汗開創(chuàng)的框架筒體、框架—核心筒、桁架筒體、束筒結(jié)構(gòu)，徹底用結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新打破了人們對高度極限的認知。時至今日，40層以上的高層建筑仍然在采用法茲勒·汗的筒體結(jié)構(gòu)體系。在漢考克大廈的設(shè)計中（1969），他又設(shè)計了向內(nèi)傾斜的外框柱以獲得更高的抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)形式的合理性直接改變了以往立方體的高層形式（圖21）。同時，法茲勒·汗又率先將已經(jīng)被高層設(shè)計拋棄的鋼筋混凝土應(yīng)用回筒體結(jié)構(gòu)體系，從而實現(xiàn)剛度更高的筒體。這樣的做法使得混合結(jié)構(gòu)的方式開始被人們推上舞臺，也意味著結(jié)構(gòu)形式不再受制于材料特性，而是可以自主選擇所需的材料。

2.3 結(jié)構(gòu)的動機

對于鋼材料的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)師們的傾向和做法不單是追求輕，而是隨著各自關(guān)注的問題和社會提出的需求而各顯所長。也許是比混凝土稍微滯后的緣故，這一時期的大師們也在經(jīng)歷著社會的巨大變革，這意味著建筑需求為結(jié)構(gòu)師們帶來了更多的挑戰(zhàn)。從這點上說，時代地域的不同仍然深深影響著結(jié)構(gòu)師們在形式上的創(chuàng)新。

鋼材料在結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新背后，掩藏了那些集結(jié)構(gòu)師、建筑師乃至未來學(xué)家身份于一身的大師們對社會和時局的反應(yīng)，這些動機遠比通天的高樓和輕透的薄膜更令人動容。富勒理想化的、充滿機械美學(xué)的“谷倉”雖然并不宜居，卻也是他在居住機器的問題上綜合了建筑、經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)等多方面而做出的極致設(shè)計；曼哈頓穹頂?shù)钠嫦腚m然荒誕不切實際，卻能看到一個科學(xué)家的爛漫天真。奧托在其近70年的建筑生涯中，不僅致力于創(chuàng)新輕型結(jié)構(gòu)形式，同時也作為教育者引導(dǎo)后生，一如他獲得普利茲克獎時評委的授詞所說一樣：“他的貢獻不止在其技巧與才華，更體現(xiàn)在他的無私和慷慨之中。”法茲勒·汗所在的孟加拉國達卡最高的建筑只有3層，他直到21歲才看到第一座摩天大樓，這樣戲劇性的沖突或許也成就了他不斷追求高層技術(shù)的決心。

3 結(jié)語

哈波爾德（Ted Happold）在其晚年的著作中指出，近150年來世界上所有令人震驚的技術(shù)進步并不是由建筑師推動的，而是由結(jié)構(gòu)工程師完成的。盡管這樣的論述略有夸大，但當回顧鋼筋混凝土與鋼的現(xiàn)代主義化進程時，那些專注于建造美學(xué)的結(jié)構(gòu)師們確實在材料、技術(shù)、建造等重重迷霧中交出了建筑師無法完成的優(yōu)美答卷。

貢布里希（E.H.Gombrich）在論述藝術(shù)時提到：“整個藝術(shù)發(fā)展史不是技術(shù)熟練程度的發(fā)展史，而是觀念和要求的變化史。”結(jié)構(gòu)的發(fā)展史也正是讓結(jié)構(gòu)師和建筑師重新樹立了對材料的觀念，才能設(shè)計出越來越多極致輕薄的屋頂和細瘦的柱子。正因如此，結(jié)構(gòu)工程師的工作內(nèi)容和設(shè)計理念正在經(jīng)歷不可避免的改變，他們在設(shè)計過程中也變得更加自信，回顧這段結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展歷史與當年結(jié)構(gòu)工程師對設(shè)計充沛的熱情與探索的動機，也能為如今建筑學(xué)提供更多創(chuàng)新的動力。

圖片來源

圖1，2，4～6，9，11，14～16，18，19 來源于網(wǎng)絡(luò)；圖3 來源于文獻[4]；圖7，8 來源于文獻[3]；其余圖片為作者自繪。