徐牧 張翼 李俊男 林穎群

1 所謂“細(xì)柱”

具有柱之形狀特性的物體種類繁多，如紀(jì)念碑、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)圍欄、交通燈立柱等，雖具有柱之形狀，但基本不屬于建筑范疇，故不展開詳細(xì)討論。而大型橋梁工程中橋墩構(gòu)件的尺度，因其工程屬性往往優(yōu)先于外觀屬性，所以探討其外觀“粗細(xì)”也意義不大。為使探尋的對(duì)象具有意義，本文僅對(duì)建筑中的“柱”進(jìn)行討論，即排除構(gòu)筑物、市政工程、圍護(hù)中的柱或其他具有柱之形狀的構(gòu)件。

在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)于“柱何以細(xì)”的問(wèn)題出現(xiàn)頻次極高，雖然建筑師對(duì)于空間形態(tài)的訴求簡(jiǎn)單明了，但工程條件的客觀性決定了柱子必須遵循自然法則而無(wú)法以美學(xué)構(gòu)想作為先決條件，并且在不同的建筑規(guī)模、空間配置、結(jié)構(gòu)技術(shù)及自然條件下，相同的“細(xì)柱”問(wèn)題總是有無(wú)窮無(wú)盡的解答方法。本次探討雖無(wú)法為某個(gè)具體建筑中的細(xì)柱問(wèn)題提供解決方案，也無(wú)法取得類似公理的付諸四海皆準(zhǔn)的原則，但是我們期望通過(guò)分析和討論，在建筑學(xué)與結(jié)構(gòu)學(xué)的雙重視角下重新審視“細(xì)柱”的種種，從而找到一些具有啟發(fā)性的思路。

2 雙重任務(wù)

當(dāng)我們探討“細(xì)柱”的時(shí)候，我們究竟在探討什么？

與建筑學(xué)不同，結(jié)構(gòu)學(xué)不以幾何形態(tài)或空間特質(zhì)劃分構(gòu)件種類，而是以構(gòu)件的變形特征及構(gòu)件內(nèi)部特定剖面上應(yīng)力（內(nèi)力）的分布特征為依據(jù)。因此，當(dāng)探討“柱”時(shí)，結(jié)構(gòu)學(xué)實(shí)質(zhì)上是在探討“壓彎構(gòu)件”或者“軸壓構(gòu)件”，而不是“直立在地上的一根棍子”——視覺(jué)上直立的細(xì)長(zhǎng)形體可能是一件裝飾、一個(gè)抗風(fēng)拉桿甚至是一根落水管。在建筑表現(xiàn)中也有將纖細(xì)的受拉桿件表現(xiàn)為細(xì)柱的先例，這種偷換受力實(shí)質(zhì)的方式已經(jīng)超出了結(jié)構(gòu)學(xué)討論柱的范疇，只是在視覺(jué)或幾何層面維系了“柱”的觀感。盡管巧法疊出，仍不在本篇討論的話題之列。

由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)柱必定有所承載。對(duì)于建筑師而言，“細(xì)柱”之難得往往不在于其幾何層面上是否細(xì)得恰當(dāng)，更多的牽絆在于柱的承載——在承載之余，總是追問(wèn)它是否還能細(xì)一點(diǎn)，再細(xì)一點(diǎn)……

2.1 結(jié)構(gòu)柱的雙重任務(wù)

多數(shù)結(jié)構(gòu)柱在承載方面肩負(fù)了雙重任務(wù)：一是承擔(dān)豎向荷載，如建筑自重以及人、設(shè)備、幕墻、裝修、家具等的重力；二是抵御水平作用，如風(fēng)荷載、地震作用。下文對(duì)結(jié)構(gòu)柱的討論都將以上述兩種任務(wù)的研究為基礎(chǔ)。

方鄂華教授在《高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)》[1]中將“承重所要求的用鋼量”與“抗側(cè)力可能要求的用鋼量”拆分統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合建筑高度因素將數(shù)據(jù)生動(dòng)地呈現(xiàn)在解析圖中（圖1）。由于該圖數(shù)據(jù)估算的前提是墻柱混凝土的用量與用鋼量保持合理的同步增大關(guān)系①，因此圖中的“用鋼量”實(shí)質(zhì)上也為包含混凝土在內(nèi)的總體材料用量提供了參考，在常規(guī)層高的前提下，根據(jù)單位面積的材料用量就能夠決定柱的尺度規(guī)模。由此可知，對(duì)墻柱尺度的思考可以涇渭分明地拆分為用于抵抗豎向力的尺度和用于抵抗水平力（側(cè)向力）的尺度，而且隨著建筑高度或?qū)訑?shù)的持續(xù)增加，被水平力所“逼出”的尺度也會(huì)不斷飆高。

在諸如北京中信大廈、深圳平安金融中心、廣州周大福金融中心、天津高銀金融117大廈、上海中心大廈等巨柱體系中，當(dāng)結(jié)構(gòu)柱同時(shí)作為承擔(dān)豎向和水平雙重作用的主要構(gòu)件時(shí)，被賦予較大的截面尺寸是順理成章的。

雙向受力是柱之所以粗的根源，而細(xì)柱策略，也必然要從這種二分的討論著手。

2.2 被忽視的側(cè)向力

阿爾沙克大廈細(xì)柱策略 ? Jock Pottle

圖1幾乎涵蓋了建筑師所要掌握的一切柱的結(jié)構(gòu)因素，值得反復(fù)品讀。對(duì)于建筑師而言不可忽視的一點(diǎn)是：用于抵抗豎向力（承重）的材料隨著建筑高度變化的增幅更小，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的考慮中，這部分材料的用量其實(shí)是個(gè)定值；而用于抵抗水平力的材料用量隨建筑高度增加變化更加劇烈（抗側(cè)力需求將使墻柱截面面積在單一承重需求的基礎(chǔ)上增加約50%～100%，這意味著邊長(zhǎng)將放大約1.2～1.4倍）。值得關(guān)注的是，這部分尺度更有望通過(guò)優(yōu)化而大幅縮減——讓柱細(xì)下來(lái)的鑰匙，藏在應(yīng)對(duì)側(cè)向力的方式里。

然而，許多建筑師理解柱子結(jié)構(gòu)意義的知識(shí)盲區(qū)也正在于此：由地球引力（重力）所導(dǎo)致的豎向作用其實(shí)無(wú)需從專業(yè)角度解析，以科普水平的力學(xué)知識(shí)就可以理解，而一根柱子居然也會(huì)承擔(dān)側(cè)向作用的事實(shí)卻并不那么顯而易見(jiàn)。

比起重力分布的“天道無(wú)私”，水平作用的因素更加難以捉摸。例如，風(fēng)荷載（風(fēng)速）本身的大小在不同地區(qū)變化極大，根據(jù)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[2]，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載，不同地區(qū)最大可相差4倍。因此，對(duì)柱抵抗風(fēng)荷載的能力需求也會(huì)有較大差異。同理，地震作用也因不同地點(diǎn)、建筑物的不同重要性而有所區(qū)別。為了對(duì)水平作用的影響做出比較直觀的闡述，筆者嘗試在不同風(fēng)荷載下，對(duì)一個(gè)約400m高的巨柱體系的柱尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)演示性的粗略估算，如圖2所示，巨柱尺寸（邊長(zhǎng)）變化幅度最大可達(dá)1m，面積變化可達(dá)60%。因此，哪怕是同樣的結(jié)構(gòu)和重力條件，在不同地區(qū)，柱尺寸仍存在較大變數(shù)。越是風(fēng)荷載大的情況，柱越無(wú)法向“細(xì)”的目標(biāo)靠近，且地震作用造成的影響同理②（圖3）。這再次說(shuō)明求“細(xì)”的可靠途徑首先應(yīng)為減小或排除側(cè)向力的影響。

建筑學(xué)與結(jié)構(gòu)學(xué)在柱的水平承載問(wèn)題上的信息不對(duì)稱，導(dǎo)致建筑師與結(jié)構(gòu)師就“細(xì)柱”一事在溝通、配合過(guò)程中產(chǎn)生了巨大障礙：建筑師往往僅憑豎向荷載對(duì)柱的尺度形成預(yù)期，也常常以抗側(cè)向力條件完全不同但空間形態(tài)相近的案例為佐證；而當(dāng)問(wèn)題的焦點(diǎn)被鎖定于某些柱的截面規(guī)模而非整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的關(guān)系時(shí)，圖1里由優(yōu)化側(cè)向力模式而獲得的無(wú)限可能性就變得無(wú)從提起，結(jié)構(gòu)工程師們除了堅(jiān)守截面尺寸之外，似乎也無(wú)路可走。

一旦明確消減柱徑的癥結(jié)在于設(shè)法優(yōu)化對(duì)側(cè)向力的抵抗方式，我們就可以把關(guān)注點(diǎn)從柱子上移開，將視野投向更為廣闊的梁架體系、墻體分隔乃至整個(gè)建筑的外形。一方面，“圍魏救趙”的策略讓結(jié)構(gòu)工程師終于有了施展手段的機(jī)會(huì)；另一方面，無(wú)論是從宏觀的結(jié)構(gòu)體系選型著眼，還是從中觀的結(jié)構(gòu)布置入手，結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變都會(huì)對(duì)建筑空間產(chǎn)生不可忽視的影響。因此，決定柱子粗細(xì)的不只是結(jié)構(gòu)工程師的實(shí)力，更在于建筑師以空間手段策應(yīng)結(jié)構(gòu)需求的態(tài)度和能力。事實(shí)上，建筑空間無(wú)論在類型的數(shù)量，還是在變化的靈活性上，都比結(jié)構(gòu)形態(tài)豐富。建筑師不僅可以設(shè)法開發(fā)結(jié)構(gòu)形式在功能及表現(xiàn)上的潛力，更可以為建筑元素尋求結(jié)構(gòu)意義，為結(jié)構(gòu)工程師提供更具啟發(fā)性的提案。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)材料用量與高度關(guān)系

2 不同風(fēng)壓作用對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響

3 輕裝上陣

一根柱子不管多么纖細(xì)，它為抵御重力的縱向的材料累積也是可觀的。總體而言，讓柱承重并不難，哪怕是看起來(lái)很粗的柱子，只要它有別于“墻”甚至“墩”，在水平方向就一定是相對(duì)薄弱的。結(jié)構(gòu)柱在面對(duì)雙重任務(wù)時(shí)的厚此薄彼，已經(jīng)向我們陳述了一些事情：要設(shè)法幫柱子擺脫水平作用力，讓它輕裝上陣。

3.1 承重體系的剝離

如果能將承重體系剝離，讓一套更適合抵抗側(cè)向力的結(jié)構(gòu)體系專門抵抗側(cè)向力，那么只專注于承重的柱子就不難細(xì)下來(lái)。

追隨這一思路的實(shí)例不勝枚舉。西薩·佩里（César Pelli）與MKA（Magnusson Klemencic Associates）在舊金山灣區(qū)設(shè)計(jì)的薩爾佛斯大廈（Salesforce Tower）是舊金山的第一高塔，如圖4所示，由于核心筒承擔(dān)了側(cè)向力，擺脫了水平作用的重力柱的尺寸相對(duì)于326m的高度，可謂極其纖細(xì)了。經(jīng)筆者模擬估算，其外圍重力柱的尺寸可控制在900mm×900mm（底部方鋼管混凝土柱，鋼號(hào)Q390GJ，混凝土標(biāo)號(hào)C70），中上部變換為十字工型鋼柱，工型截面高度可控制在500～800mm。這樣的柱截面尺寸（邊長(zhǎng)）僅相當(dāng)于相近高度的普通框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系中框架柱的60%，且無(wú)需設(shè)置額外的加強(qiáng)層（如伸臂、環(huán)桁架）。SOM的阿爾·沙克大廈（AL Sharq Tower）為這一思路所能實(shí)現(xiàn)的細(xì)柱效果展示了最極端的示范——放大的核心筒所提供的抗側(cè)力體系甚至分擔(dān)了大部分重力，而重力柱則被細(xì)化為直徑僅15mm的索（圖5）。

在超高層建筑慣用的“核心筒+空間”的構(gòu)成配置中，將核心筒作為抗側(cè)力的主力幾乎沒(méi)有懸念；而在空間模式更多變的其他建筑類型中，結(jié)構(gòu)工程師需要與建筑師共同物色扮演抗側(cè)力體系的建筑元素。好在那些以空間為先的建筑名作里從來(lái)不缺少類似核心筒的空間元素，無(wú)論它們是否真的參與承重，其結(jié)構(gòu)潛力都值得建筑師和結(jié)構(gòu)工程師共同深入發(fā)掘。密斯·凡·德·羅有一類非常經(jīng)典的空間，將一個(gè)封閉的核心空間內(nèi)置于大空間，如范斯沃斯住宅（Farnsworth House）（圖6）和伊利諾伊工學(xué)院克朗樓（Crown Hall）（圖7），盡管那個(gè)內(nèi)置的封閉空間并不承重，但建筑師仍然習(xí)慣稱其為“核心筒”，它的封閉特質(zhì)讓其具備了隨時(shí)“可以承重”的結(jié)構(gòu)潛力；而路易斯·康在區(qū)分“服務(wù)空間”和“被服務(wù)空間”（圖8）的時(shí)候，就已經(jīng)打定主意讓他的“服務(wù)空間”承重了；再如彼得·卒姆托在布雷根茨美術(shù)館里不僅結(jié)合剪力墻來(lái)布置交通，由磨砂玻璃構(gòu)成的羽化外皮內(nèi)側(cè)也內(nèi)襯了一圈圈封閉的實(shí)墻（圖9），盡管看似厚重的混凝土墻都是不到頂?shù)母魤?，但是?dāng)這樣的空間被放大并引入承重柱時(shí)，在它們的策應(yīng)下，營(yíng)造細(xì)柱的手段將無(wú)比豐富?！皣稀迸c“分隔”原本就是建筑師構(gòu)造空間的必要手段，當(dāng)結(jié)構(gòu)工程師決計(jì)“圍魏救趙”時(shí)，那些原本被用于組織空間的“房間”“墻”“龕”就是建筑師所能派出的“百萬(wàn)雄兵”。

3 不同地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響

4 薩爾佛斯大廈結(jié)構(gòu)平面圖

在結(jié)構(gòu)體系中，實(shí)現(xiàn)側(cè)力與重力的剝離是決定柱子尺度的“勝負(fù)手”。因此，正確的方向并不是一味向柱子本身予取予求，而是設(shè)法幫柱子處理掉側(cè)力——這是接下來(lái)我們將要討論的一系列策略的基礎(chǔ)。

3.2 結(jié)構(gòu)選型

其實(shí)，在設(shè)計(jì)的“續(xù)盤”階段才為柱子的抗側(cè)力想辦法，已經(jīng)有亡羊補(bǔ)牢之嫌了。建筑師關(guān)于建筑表現(xiàn)中的輕重、大小、虛實(shí)的構(gòu)想往往在起手的時(shí)候就已經(jīng)形成，這時(shí)候?qū)χ母泄俦憩F(xiàn)也能有初步的判斷。因此，如果能從結(jié)構(gòu)選型階段就將特殊的抗側(cè)力系統(tǒng)考慮進(jìn)去，那么在出手的一刻，雖不中，不遠(yuǎn)矣。

高層建筑作為承受側(cè)向作用的極端情況，平面形態(tài)簡(jiǎn)單，同時(shí)側(cè)向作用的大小與建筑高度呈現(xiàn)明晰、敏銳的關(guān)聯(lián)，非常適合演示結(jié)構(gòu)選型與承載效果的關(guān)系。馬克·夏凱星（Mark Sarkisian）在《高層建筑設(shè)計(jì)——以結(jié)構(gòu)為建筑》[3]中，給出了高層建筑中不同樓層數(shù)（高度）與相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖10）。根據(jù)法茲勒·汗提出的抗側(cè)力體系效率評(píng)價(jià)方法[3]（主要針對(duì)筒體剪力滯后程度的衡量），能否根據(jù)受力條件準(zhǔn)確地選擇對(duì)應(yīng)的抗側(cè)力體系，關(guān)乎整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗。例如，威利斯大廈（原西爾斯大廈）之所以能將底部H型鋼柱尺寸控制在1 070mm×609mm，得益于將鋼束筒體作為抗側(cè)力體系的準(zhǔn)確選型。

一般的結(jié)構(gòu)選型，通常以空間的布置優(yōu)先，而當(dāng)引入細(xì)柱條件時(shí)，可能因額外的抗側(cè)力任務(wù)而發(fā)生抉擇上的改變，而結(jié)構(gòu)的整體外形、梁架形態(tài)以及柱位布置等許多方面也會(huì)給建筑提出更復(fù)雜和苛刻的要求，這都需要建筑師在選型和設(shè)計(jì)開始時(shí)對(duì)這些情況有足夠的準(zhǔn)備。例如，芝加哥的約翰·漢考克中心的纖細(xì)柱列就是憑借選型中的支撐體系實(shí)現(xiàn)的，但其尺度巨大的斜向支撐同時(shí)也成為建筑外觀上不可忽視的視覺(jué)因素，最終的外觀以整齊的X形交叉單元交疊于通高的縱向柱列，在豎向上將整座摩天樓分成秩序井然的六段，這是建筑表現(xiàn)與結(jié)構(gòu)特征兩相權(quán)衡后的答案；基于類似選型邏輯的廣州利通大廈，沿斜構(gòu)方向布置了夜景燈帶，也不失為積極的回應(yīng)。

比起高層建筑，多層或單層建筑的結(jié)構(gòu)難度往往更小，在選型上的靈活度也更高，建筑師可介入處理的手段就更豐富。在西班牙結(jié)構(gòu)大師愛(ài)德華托·托羅哈主持的一個(gè)手術(shù)室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，空間形態(tài)是一圈圓柱形的大空間，上部通過(guò)向內(nèi)懸挑承起一個(gè)圓柱形的通高空間，托羅哈巧妙地將結(jié)構(gòu)加強(qiáng)點(diǎn)從柱和懸臂梁的交接部移至懸臂梁端與上承短柱的交接部，使懸挑產(chǎn)生的彎矩在空中互相抵消——一對(duì)大小相等、方向相反的彎矩居然就這樣消失了，于是下部柱子只受重力，柱徑被大幅縮減（圖11）。這種在結(jié)構(gòu)選型上的“小題大做”，往往能起到四兩撥千斤的奇效。

5 阿爾·沙克大廈結(jié)構(gòu)邏輯圖

6 范斯沃斯住宅

7 克朗樓

3.3 柱高

從視覺(jué)上，柱的粗細(xì)首先是個(gè)比例問(wèn)題，而不全是尺度概念。嚴(yán)格來(lái)講，建筑學(xué)里所指的“細(xì)柱”，更多是指“長(zhǎng)細(xì)比大的柱”③，從古希臘時(shí)代就以該指標(biāo)區(qū)分柱式。而在結(jié)構(gòu)學(xué)里，柱的長(zhǎng)細(xì)比④則關(guān)乎穩(wěn)定性，建筑師總是更直觀地用“普通強(qiáng)度”⑤來(lái)理解結(jié)構(gòu)條件，在有些情境下，穩(wěn)定性反而是決定性因素。因此，無(wú)論從建筑學(xué)還是結(jié)構(gòu)學(xué)角度，只關(guān)注柱的截面尺寸都是不夠的，必須對(duì)柱高有充分的認(rèn)識(shí)。

在相同的截面條件下，柱高越大，視覺(jué)上就越纖長(zhǎng)，相應(yīng)的，其穩(wěn)定性也會(huì)降低，長(zhǎng)細(xì)比因而成為建筑學(xué)與結(jié)構(gòu)學(xué)此消彼長(zhǎng)的糾結(jié)所在。結(jié)構(gòu)工程中，必須滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的“雙控”要求，而限定柱的長(zhǎng)細(xì)比往往成為保證穩(wěn)定性的直接手段，如現(xiàn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范明確“軸心受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比不宜超過(guò)表7.4.6規(guī)定的容許值……”[4]。這導(dǎo)致了我們?cè)陧?xiàng)目實(shí)踐中常見(jiàn)的一種尷尬境地：當(dāng)我們想盡辦法從水平作用里解放了柱子，卻發(fā)現(xiàn)艱難完成“瘦身”的柱子無(wú)法滿足長(zhǎng)細(xì)比要求。這幾乎形成了一種無(wú)解的悖論——如果細(xì)柱的終極形式就是長(zhǎng)細(xì)比的限值，那么這件事也就到此為止了。

必須明確的一點(diǎn)是，控制長(zhǎng)細(xì)比是保障穩(wěn)定性的措施，但并非唯一措施，甚至不能算是直接措施。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）第5.3.8條的條文說(shuō)明中，對(duì)控制長(zhǎng)細(xì)比的目的做出了清晰的說(shuō)明：“構(gòu)件容許長(zhǎng)細(xì)比值的規(guī)定，主要是避免構(gòu)件柔度太大，在本身重力作用下產(chǎn)生過(guò)大的撓度和運(yùn)輸、安裝過(guò)程中造成彎曲，以及在動(dòng)力荷載作用下發(fā)生較大振動(dòng)……國(guó)外多數(shù)規(guī)范對(duì)壓桿的容許長(zhǎng)細(xì)比值均較寬……為200[5]。”

8 密克維·以色列猶太教會(huì)堂

9 布雷根茨美術(shù)館

10 樓層—結(jié)構(gòu)體系關(guān)系（鋼—混凝土混合體系）

規(guī)定最小長(zhǎng)細(xì)比并不是保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的核心手段，而是輔助性措施。現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2017）第5章明確指出了對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定性理論的工程操作方式和影響穩(wěn)定性的一系列因素[4]，當(dāng)計(jì)算分析中充分考慮初彎曲、初偏心、殘余應(yīng)力等因素時(shí)，諸如長(zhǎng)細(xì)比的補(bǔ)充性措施就不必成為控制性條件，結(jié)構(gòu)工程師才有機(jī)會(huì)按照規(guī)范給出的“直接分析法”或者美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AISC 360-10引入一系列影響因素，回歸構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算，從而得到合理的結(jié)構(gòu)尺寸。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，高6m、直徑100mm、壁厚5mm的鋼管柱支撐輕薄屋面，其上承重50kN（5t），長(zhǎng)細(xì)比為178，已接近限值200，如果采用“直接分析法”進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，直徑73mm、壁厚4mm的鋼管柱也是可行的，此時(shí)長(zhǎng)細(xì)比已達(dá)246。

需要特別指出的是，盡管在詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上長(zhǎng)細(xì)比可以不作為限定條件，但細(xì)與高的矛盾仍然是建筑設(shè)計(jì)需要遵循的客觀規(guī)律，不能盲目樂(lè)觀，對(duì)超常的柱身比例的苛求一定是建立在超額的分析和計(jì)算工作之上的。

3.4 約束及支撐條件

在結(jié)構(gòu)學(xué)里，柱頂/底的約束條件原本是抽象的力學(xué)模型特性，直接影響柱的計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)而影響長(zhǎng)細(xì)比，如《鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)》[6]中的圖表就直接說(shuō)明了約束條件對(duì)柱的影響（圖12）。在通常情況下，約束條件的達(dá)成是由結(jié)構(gòu)工程師完成的，建筑師甚至不必知情。然而，建筑師是有機(jī)會(huì)為結(jié)構(gòu)工程師提供更加豐富的約束手段的，因?yàn)樵谥优c頂、底的交接處有太多建筑師能做的工作了。筆者作為結(jié)構(gòu)工程師和建筑師的搭檔，曾經(jīng)為了減小細(xì)柱的計(jì)算長(zhǎng)度，結(jié)合柱底空間設(shè)計(jì)了“結(jié)構(gòu)性”的桌椅，通過(guò)家具手段改變了柱的約束條件（圖13）。對(duì)于建筑師來(lái)說(shuō)，各種可能出現(xiàn)在那些位置的建筑物體（如柱底的家具、柱頂?shù)臒艟撸加袡C(jī)會(huì)改善約束條件從而優(yōu)化柱身。

比優(yōu)化柱頂、柱底約束條件更直觀的方法，是直接在柱側(cè)面增加支撐。這種策略更加直接和高效，但也讓因細(xì)柱而增加的結(jié)構(gòu)因素更大程度地介入到空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)形式中來(lái)，建筑師若構(gòu)思得當(dāng)，或可讓結(jié)構(gòu)成為點(diǎn)睛之筆。伊東豐雄設(shè)計(jì)的仙臺(tái)媒體中心的束狀鋼管筒實(shí)質(zhì)上是一組細(xì)柱構(gòu)成的互撐體系（圖14），在這里單個(gè)構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度可以非常小，因而控制了柱的粗細(xì)程度。除此之外，“傾斜的細(xì)柱”又是一種效率極高的抗側(cè)力系統(tǒng)，一定量?jī)A斜的細(xì)柱，從承重的角度因相互支撐而變短變細(xì)，從抗側(cè)的角度它們又具有高效性，總之無(wú)論承重還是抗側(cè)，構(gòu)件總是又細(xì)又短。從視覺(jué)認(rèn)知的角度來(lái)看，此類的附加支撐條件形成了柱的“變種”，同類的變種還有視覺(jué)效果更加強(qiáng)烈“飛柱”（圖15），從結(jié)構(gòu)學(xué)角度來(lái)看，中柱的計(jì)算長(zhǎng)度被若干側(cè)向支撐切割了。

3.5 數(shù)量

在建筑學(xué)里，“孤立”的細(xì)柱與“林立”的細(xì)柱各有其動(dòng)人之處；對(duì)結(jié)構(gòu)專業(yè)而言，柱在數(shù)量上的增加有利于柱徑尺寸的減小。由常識(shí)可知，更多的柱子可以分擔(dān)更多的承重任務(wù)，并且，在抵抗水平作用方面，多跨結(jié)構(gòu)的效果更不能與單跨結(jié)構(gòu)相提并論（圖16）。

11 圓形手術(shù)教室

石上純也在神奈川工科大學(xué)K AIT工房中的“細(xì)柱林”（圖17）是細(xì)柱以數(shù)量取勝的經(jīng)典范例。此案例往往被粗略地冠以因“拉壓分離”之技而使“柱受拉”，進(jìn)而得到極小的柱尺寸。然而必須指出的是，屋蓋重量總值永遠(yuǎn)客觀存在，假如柱子沒(méi)有通過(guò)受壓去頂住屋蓋，那永遠(yuǎn)客觀存在屋蓋重量總不會(huì)憑空消失。其實(shí)“拉壓分離”之技確實(shí)在此出現(xiàn)，只是其實(shí)質(zhì)是前文所討論的“承重體系的剝離”之技，并沒(méi)有將重力的承載轉(zhuǎn)化為拉力，而是全部以壓力形式作用于那些“鉛直支撐柱”之上，其呈現(xiàn)結(jié)果是由“柱的數(shù)量”與“承重體系的剝離”兩技結(jié)合達(dá)成的。

在這種層數(shù)少、重量輕、柱的數(shù)量多的情況下，結(jié)構(gòu)工程師僅需制定好有利的柱頂/底約束條件，再與建筑師共同確定一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹撸⑦\(yùn)用有效的手段論證柱的穩(wěn)定性，即可得到一個(gè)細(xì)柱方案。即使是在層數(shù)多、重量大的建筑里，增加柱子的數(shù)量仍然有助于柱徑的消減。例如，筆者對(duì)薩爾佛斯大廈進(jìn)行的模仿性計(jì)算，當(dāng)柱的數(shù)量由16根增加至20根后，底層重力柱尺寸還能由900mm進(jìn)一步縮減至800mm。

3.6 材料

材料的選擇受諸多因素的限制，如質(zhì)檢、供應(yīng)、實(shí)驗(yàn)依據(jù)等，在此僅討論三種常用材料的柱在穩(wěn)定性上的差別——對(duì)于穩(wěn)定性的比較基本可以窺見(jiàn)它們達(dá)成細(xì)柱目標(biāo)的潛力大小。

根據(jù)穩(wěn)定性理論，可將柱子的歐拉臨界力⑥作為不同柱子穩(wěn)定能力的標(biāo)尺[6]，無(wú)論工程規(guī)范考慮何種因素（如初始偏心、初始彎曲、焊接殘余應(yīng)力），均不會(huì)與歐拉臨界力表達(dá)的概念及影響因素產(chǎn)生沖突。由表1可知，在外觀直徑與柱高相同的條件下，鋼管柱的歐拉臨界力最大。這是因?yàn)閺椥阅Ａ颗c歐拉臨界力成正比關(guān)系，而鋼的彈性模量在三種材料中最大，約為混凝土的7倍、木的20倍；其次，由歐拉臨界力與長(zhǎng)細(xì)比關(guān)系曲線[6]（圖18）可知，歐拉臨界力隨長(zhǎng)細(xì)比的增加而減小，而鋼管柱的長(zhǎng)細(xì)比在三者中最小。因此，就目前結(jié)構(gòu)工程中的常用材料而言，鋼仍是最適合細(xì)柱的材料。

表1 鋼、混凝土和木的歐拉臨界力值

12 約束條件對(duì)柱長(zhǎng)的影響

13 支撐桌椅

14 仙臺(tái)媒體中心中的柱單元

15 “飛柱”

16 單跨柱與多跨柱

3.7 人文因素

托羅哈在《結(jié)構(gòu)的哲學(xué)》（Philosophy of Structures）中說(shuō)過(guò)：“對(duì)應(yīng)力的演算僅服務(wù)于檢查并修正那些由設(shè)計(jì)師的直覺(jué)構(gòu)想出的結(jié)構(gòu)部件的尺寸，但作品本身卻絕非源自演算！[7]”

雖然結(jié)構(gòu)學(xué)對(duì)構(gòu)件的認(rèn)識(shí)主要基于其力學(xué)性質(zhì)，但并不代表實(shí)踐中的柱尺寸完全取決于力學(xué)驗(yàn)算的結(jié)果。巴黎中央理工學(xué)院創(chuàng)辦者之一——西奧多·奧利維爾也曾指出“工程學(xué)教育被對(duì)純理論的過(guò)度追求取代，令人擔(dān)憂[7]”，以及其他一些工程師認(rèn)為“由于設(shè)計(jì)師的精力投入到這些方程式而不是實(shí)際的建造，這造成的危險(xiǎn)在逐漸增加。設(shè)計(jì)師冒著成為一個(gè)純粹分析者的風(fēng)險(xiǎn)……[8]”。在關(guān)注理論工具有效性的同時(shí)，絕不能忽視其局限性。

在實(shí)踐中，永遠(yuǎn)不可能由單一力學(xué)工具來(lái)決定設(shè)計(jì)結(jié)果，工程師的經(jīng)驗(yàn)、造詣、學(xué)術(shù)背景乃至性格特點(diǎn)都有可能左右結(jié)構(gòu)問(wèn)題的解答。我們看慣了建筑師作為一個(gè)“人”對(duì)建筑作品的影響，卻總是忽視結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的人文性。其實(shí)，越是高超的結(jié)構(gòu)工作越依賴結(jié)構(gòu)師作為一個(gè)“人”（而非技術(shù)執(zhí)行者）的主觀判斷及玄奧靈感。

拋開那些洋溢著磅礴匠氣的結(jié)構(gòu)大師的故事不談，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中“人”的因素其實(shí)始終伴隨著我們的日常工作。舉例來(lái)說(shuō)，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》（GB 50011-2010）中規(guī)定：“矩形截面柱，抗震等級(jí)為四級(jí)或?qū)訑?shù)不超過(guò)2層時(shí)，其最小截面尺寸不宜小于300mm，一、二、三級(jí)抗震等級(jí)且層數(shù)超過(guò)2層時(shí)不宜小于400mm；圓柱的截面直徑，抗震等級(jí)為四級(jí)或?qū)訑?shù)不超過(guò)2層時(shí)不宜小于350mm……[9-10]”

面對(duì)其中“不宜”二字的態(tài)度，究竟是傾向于“盡可能堅(jiān)守”，還是傾向于“創(chuàng)造條件突破”，也許并不取決于結(jié)構(gòu)工程師的專業(yè)水準(zhǔn)。在這片廣闊的模糊地帶里，從業(yè)生涯中的經(jīng)歷、師長(zhǎng)曾經(jīng)的教誨、或激進(jìn)或保守的人格類型以及與主創(chuàng)建筑師的私人關(guān)系等，都有可能將問(wèn)題的答案導(dǎo)向不同的方向，而即便是在傾向于突破的方針下，其呈現(xiàn)給建筑師的過(guò)程和結(jié)論也具有極大的不確定性和主觀性。

17 神奈川工科大學(xué)KAIT 工房

19 建筑氣動(dòng)外形

各種各樣的不確定性充斥在許多細(xì)節(jié)中，建筑師可能根本無(wú)從設(shè)想，一位責(zé)任心極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)工程師決定放大一根柱的截面，也許只是為了便于在梁柱交匯區(qū)簡(jiǎn)化模板施工的工藝。建筑師必須謹(jǐn)記，與你搭檔的并不是一門兒技術(shù)，而是一個(gè)有創(chuàng)造力并且在他的獨(dú)特價(jià)值觀下有所執(zhí)著的“人”。

4 結(jié)語(yǔ)

獲得“細(xì)柱”的手段總是無(wú)窮無(wú)盡的，而柱不得不粗的苦衷也同樣罄竹難書。我們只好把能想清楚的事情盡可能梳理清楚：為什么要細(xì)，為了實(shí)現(xiàn)細(xì)要付出什么代價(jià)，要什么樣的細(xì)，要多細(xì)，等等。影響細(xì)柱目標(biāo)達(dá)成的技術(shù)因素是本文不可能完全羅列的（如減隔震技術(shù)、結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)、高強(qiáng)度鋼材和混凝土技術(shù)），但比起結(jié)構(gòu)師，建筑師可能著手的領(lǐng)域更為廣闊，有些可能性甚至與具體的結(jié)構(gòu)處理無(wú)關(guān)。比如一個(gè)吻合氣動(dòng)規(guī)律的建筑外形，有可能在抗側(cè)力模式進(jìn)入考慮之前就不動(dòng)聲色地大幅消減水平作用（圖19），不戰(zhàn)而屈人之兵。

甚至有時(shí)，我們不是為空間去匹配柱子，而是為一棵喜歡的柱子籌謀空間。前不久，筆者為建筑師提供了一根下部獨(dú)立、上部“綻放”的柱子，建筑師如獲至寶，在方案的展廳空間中清空了核心地帶，專門展示這根柱子（圖20）；而在展廳不遠(yuǎn)處的一個(gè)小餐廳里，這根柱子綻開的上部又剛好容納了一個(gè)被舉起的小包間（圖21）。

20 “綻放柱”

21 “綻放柱”在中餐廳設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

注釋

①這里的推算結(jié)論基于實(shí)際工程中墻柱混凝土的基本用量與用鋼量的同步增大關(guān)系，不考慮在構(gòu)件內(nèi)無(wú)上限增加鋼材而混凝土截面保持不變的極端做法。

② 可參考文獻(xiàn)[11]中的表4。

③建筑學(xué)中柱的長(zhǎng)細(xì)比也稱“高細(xì)比”，它是柱子幾何高度與截面直徑的比值。在古希臘柱式中，多立克式、愛(ài)奧尼式和科林斯式就是以7:1、8:1 和9:1 的高細(xì)比來(lái)定義的。

④ 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比指其計(jì)算長(zhǎng)度與其截面回轉(zhuǎn)半徑的比值。

⑤ 柱構(gòu)件的穩(wěn)定性問(wèn)題，本質(zhì)上是另一類強(qiáng)度問(wèn)題。所有關(guān)于穩(wěn)定性的判斷，最終仍都?xì)w結(jié)至截面應(yīng)力是否超過(guò)強(qiáng)度限值這一判別過(guò)程，即仍在做強(qiáng)度破壞判別，如初始偏心（加工安裝誤差）、初始彎曲（加工、運(yùn)輸造成）、殘余應(yīng)力（焊接拼接）等造成柱某一截面額外的應(yīng)力值。不論是穩(wěn)定性理論經(jīng)典的“多條柱曲線”，還是各種穩(wěn)定性因素影響下加載試驗(yàn)得出的穩(wěn)定承載力，結(jié)論落腳點(diǎn)都在“承載力”上，而“承載力”最終落腳點(diǎn)還是強(qiáng)度。

⑥ 柱構(gòu)件的歐拉臨界力可由特定邊界條件、預(yù)期失穩(wěn)模式下構(gòu)件微分方程對(duì)應(yīng)的特征值得出，可理解為柱構(gòu)件自身穩(wěn)定性最基礎(chǔ)的特征。

圖片來(lái)源

2,4,5,8,11 林穎群繪制

3,6,7,13 李俊男繪制

14,16,20,21 李俊男繪制

12,18 徐牧繪制

1,17 李俊男、李越千繪制

9,15,19 林穎群、梁靜遠(yuǎn)繪制

10 李俊男、丁安南繪制