建筑与结构的关系

建筑与结构的关系

导言：

作为设计与建造服务于人类各项需求的构筑物的基础学科，建筑设计与结构设计曾经在很长的一段时间内被笼统归纳为广义的建筑学——建筑师既承担建筑的平面布局与立面造型设计，同时又作为结构工程师，直接或间接地参与全部建造过程。

工业革命之后，特别是近现代以来，由于结构计算和设计的愈加复杂，单纯的造型设计功底，无法在满足大型现代建筑结构设计的要求。于是，建筑设计与结构设计走上了两条完全不同的道路前者更注重造型设计，力求体现个性；后者更注重严谨计算下得出的安全性、实用性、经济性的统一。这种学科的分离，也导致了两大学科的一些矛盾：建筑设计师认为结构工程师过多的限制设计的自由；而结构工程师则苦恼于建筑设计师不切实际的想象力造成的巨大工作负担。

本文将以这一矛盾为切入点，以不同时代的标志建筑为案例通过对结构选型的美学价值以及安全价值的分析与论述，配合本人的实际设计案例这三个方面的内容，意图还原建筑与结构的真正关系。

一、结构美学——一个建筑师的理性设计

从古至今，从石拱结构到巨型桁架体系，从精心雕琢的巨石到光滑柔和的清水混凝土——一切伟大的人类建筑，无疑也是对结构美学生动讴歌。结构，不单单是建筑的支撑体系，更是建筑理性之美的源泉。

在1889年法国埃菲尔铁塔建筑

落成之前，埃及的胡夫金字塔一直是

全世界最高的建筑。这座高达146.9

米的巨型建筑外观呈四角锥形，底面

正方形，边长230多米。塔身由230

万块石块砌筑而成，其中外层石块

11500块，平均重量达到了2.5吨。

有趣的是，这样一座宏伟的奇观

功能只是作为陵墓而已。而令人叹为

观止的完美四角锥造型也更多是结构

合理的考虑：原石更易被加工成矩形图 1.1 埃及金字塔远眺

的石块，而四角锥形51º51’的底角使整体结构更加趋于稳定。胡夫金字塔的工程设计师并没有单纯地美学角度考虑问题，而是通过结构计算确定塔身的整体造型。这一理性的形态比例又恰恰符合了艺术的审美比例，不能不说是一种情理之中的伟大巧合。

如果说理性的结构计算赋予古典建筑严谨的几何比例，那么拱结构的使用则成为了结构从纯粹的功能构件走向美学欣赏价值的重要飞跃。事实上，作为重要横向构件的梁，一直是困扰人类空间营造的一项技术难题——为了实现大空间，就必须实现大跨度。使用石材，由于自重过大，无法满足吊装的要求；使用木结构，虽然可以轻易实现大跨度，但木材自身不耐腐蚀、易燃烧，长时间承受应力会导致弯曲变形等缺点，又注定了它不能作为稳定而长久的建筑结构。

而拱结构的特点在于，将竖向荷载转化为轴力，在满足抵消侧推力与承担竖向荷载的条

件下，可以轻易实现较大的跨度，而拱自身独特的审美价值也直接体现了结构的美学。以闻名的赵州桥为例，结构设计师李春先先从跨度及稳定性的角度，确定桥下沿拱曲线。但这一曲线由于过于陡峭而无法满足通行的需求。所以，又在第一条拱曲线的上方设计了另一条较为平缓的拱曲线，通过第一拱支撑第二拱的荷载。新的问题又出现了，两拱之间的实体填充又会在桥端部形成巨大的自重，是桥身整体质量分布不均。于是，李春又创造性的在桥两端开出一对拱形的孔洞，既减轻了自重，又提供了泄洪的孔道，可谓一举两得。

毫无疑问，赵州桥双拱曲的造型以及端部打开的孔洞是极富个性的

造型设计。同时，这一造型也建立在

理性的结构思考之上，体现了对拱结

构特性的完美运用。所以，从根本上

说，建筑设计与结构设计只存在相对

的矛盾——通过理性的结构选型与

大胆的艺术创新，我们也能创造出艺

术和工程角度的双重杰作。

现代建筑的结构体系给予了我

们更大的造型自由；更大的跨度，更

多变的平面布局，更多的可供选择的

结构类型与建筑材料。如何在这一体系实现富裕工程理性的艺术创造力，正是现代建筑师面临的巨大课题。

一个杰出的实例是，由贝聿铭主持设计的香港中银大厦。大厦建于1990年5月，地面以

上70层，高达315米；平面呈52*52的正方形，

沿对角线方向分成四个三角形区域向上，每隔

若干层切去一个，直到44层保留1/4，成为至

顶层的三角形，形成棱晶形的独特结构。使用

了钢—混凝土混合结构的巨型桁架体系，充分

发挥了材料的特性，是工程造价仅为28亿美元，

而其149kg/m ²则成为了新一代高层建筑的先驱。

一般说来，超高层建筑为了抵抗水平力作

用并减小自重，常会采取Y 型核心筒结构。于

是，在很长的一段时间内，我们对超高层建筑

形象的认识就只限于Y 型平面的塔楼。而贝聿

铭则以他喜爱的三角形为出发点，充分考虑高

层核心筒结构体系的特点，创造性的将平面三

角形形扩展为空间的三角体系，形成类似棱晶

结构的巨型桁架体系。外桁架既是重要的结构部件，又是建筑体量的外在骨架。不难看出，身为建筑师的贝聿铭一定也有着深刻的结构工程知识，才能将建筑由平面的草图三角发展成为棱晶式的结构，并在此基础上衍生出符合超高层建筑受力特点的巨型桁架体系。香港中银大厦的落成，无疑是对现代建筑结构工程技术美学的又一次成功诠释。

现代建筑的基本材料，钢筋与混凝土，一度被认为是现代文明机械与非生命性的罪魁祸首。钢筋混凝土的森林里，那些冰冷的混凝土框架，巨型的塔柱，与穿满钢筋的剪力墙结构成为了文明的光鲜遮掩之下的丑陋内涵——但大众的负面映像却无法阻止现代建筑师与结构工程师，为改变混凝土材料外观与质感付出的不懈努力——清水混凝土的发明与运用，即图 1.3 香港中银大厦 图 1.2 赵州桥

是一个最佳的例证。

这种技术产生于20世纪20年代，并成熟于日本。日本人改良了水泥墙面不加修饰的处理方法，利用现代的外墙修饰技术，将水泥墙面拆掉模板后进行细致的处理，使水泥表面达到非常细腻的效果，充分表达出水泥自身

特有的原始与质朴。

日本建筑师安藤忠雄，素有‘清水混

凝土诗人之称“，他设计的建筑多仅以清

水混凝土装饰墙面，平面布局简单，建筑

形态质朴素净。比如他的代表作之一的

“光之教堂”，平面只是一个略加扭转的

矩形；建筑末端，开出十字星的孔洞。结

构在这里就是建筑的全部，钢筋混凝土现

浇墙，使用技术处理成光滑柔和的清水墙

面，屋面板以及各类建筑构件以最原始和

自然的方式直接展示在使用者面前。随着

清晨的阳光透过十字孔洞射入大堂，清水

的墙面泛起安详的柔光，置身和谐高宽比

例的结构之中，注视混凝土天然的色泽—

—结构，凭借着技术，向人类展示着科学为建筑空间带来的无限美好。

二、结构安全——一个建筑师的社会责任

2008年5月12日，随着大地的剧烈震颤，汶川县城遭遇了建国以来最严重的破坏：8.9级的强震使市区建筑的90%完全倒塌，除了少部分逃生者外，多数人被瞬间掩埋在建筑的废墟之中。面对这一突如其来的特大灾难，细心的人却会发现一些建筑在震后依旧安然矗立。而那些经历强震，拯救了无数人性命安全结构，正是结构工程师和建筑师的社会责任感的直接体现。

不妨仍旧从埃及的胡夫金字塔说起。事实上，自从1885年埃菲尔铁塔

落成之后，金字塔早已失去了它人类

最高建筑的宝冠，但世人依旧为他称

奇。原因在于，我们无法确保埃菲尔

铁塔在几百年后能否依旧矗立，而眼

前的金字塔却已经安然耸立了四千年

之久——一个现代技术的结晶竟然在

时间的长河中轻易的被四千年前的建

筑所打败，而究其本源，其实正是结

构安全性的直接较量。

埃菲尔铁塔虽然其名铁塔，但从

结构角度，它只是一个超级庞大的巨型桁架。上部所有构件的荷载被全部传递到下方四个巨型桁架支座上，内部的应力通过高强螺栓被强制束缚在结构之内。久而久之，随着钢材构件的老化，势必会造成很多意料之外的影响。更为可怕的是，如果四个桁架支座的其中一条遭图 1.4 安藤忠雄 光之教堂内景 图 2.1 巴黎埃菲尔铁塔