力与美的建构力与美的建构——谈钢结构建筑的技术美

作者：罗仁，云南省城乡规划设计研究院总结构师，结构专业技术委员会主任

从历史的视角，不同的材料代表了不同的历史，而建筑材料的多样性，也是社会进步的一种体现。从建筑学的角度，不同的建筑材料表达了不同的建筑语言——石材代表凝重，木材代表温罄，玻璃代表简洁，钢材代表轻盈。而不同材料间的相互结合又表达出不同的建筑语言。由于钢结构具有比混凝土和砖石结构更好的力学性能, 特别是现代钢结构的发展,将结构的受力体系从平面发展到空间,使其更能体现结构造型的独特魅力。同时, 钢结构也从一种结构工具变成一种建筑思潮, 其结构构件成为了建筑设计的一个组成元素和语汇逻辑的支撑体。我们在不同时期看到了钢结构建筑所表现出来的理性和功能、结构造型和建筑美学的统一。在我国,钢结构在民用建筑中的应用起步较晚,且接触钢结构的大多是结构工程师。与国外相比,我们在钢结构造型的表现手法上还存在一定差距,现有的具有一定影响的钢结构建筑大多为国外建筑师所设计。在建筑师对钢结构的认知、结构工程师对钢结构方案的大胆创意及造型手法等诸多方面还有很长的路要走。本文试图从一个结构工程师的角度,进一步探讨钢结构建筑的美学表现方法, 希望能起到抛砖引玉的作用。

“文为道之饰,道为文之本”, 这句话可以用来描述建筑设计和结构设计的相互关系,“文”即建筑设计,“道” 即结构设计。在现代建筑中,美而令人震撼的建筑往往有着绝佳的结构设计,合理而简洁的结构也往往给人以美的感受。而这种美感的本质是时代精神,就象现代建筑运动的代表人物柯布西耶(L. Corbusier)在《走向新建筑》一书中所论述的,“建筑形象应该是新的,应该具有时代性,同历史的风格迥然不同,因为我们所处的时代不断地创造并决定着自己的风格”。建筑美学作为一种重要的社会文化,是人类的理想与意志的外在体现,也是时代特征和地域文化的有机结合。同时, 建筑美学也应与社会生产力的发展及当代科学技术密切相关，时代精神是当今建筑世界的本质。钢结构建筑正是在这样一种时代精神的指引下, 随着现代科学技术发展起来的全新建筑技术表现形式, 是材料科学、建筑学、结构力学以及现代环境学高速发展的综合产物。伦敦的水晶宫和巴黎的艾菲尔铁塔向人们展示了欧洲工业革命那惊心动魄的力量,也正是因为有了这种力量, 也即当时的这种时代精神, 钢结构建筑才取得了如此巨大的进步, 同时也促进了20世纪工程技术的繁荣。钢材作为一种能够创造出崭新空间和结构美感的建筑材料, 逐步为现代建筑师所热爱和推崇。一些国际知名建筑师的作品都不约而同地用钢去表现“新理性主义”和“简约风格”的传统及时代精神。他们非常重视和善于掌握新材料和新技术,在细微感受和精心使用材料的同时,强调空间的丰富和人情味。正是这种对新材料、新技术和人情味的敏感以及富于创新的新时代的思维, 才使钢铁这种看似冷酷的材料在现代建筑中体现得如此精妙和富于创新性。密斯(Mies van der Rohe)作为现代建筑的奠基人之一, 他通过对钢结构和玻璃在建筑中应用的探索, 发展了一种具有古典式的均衡和极端简洁的建筑风格。他的作品更多地表现了主体结构几乎裸露的外观、灵活多变的流动空间以及简练而制作精致的细部钢节点。其代表作巴赛罗那博览会德国馆、纽约西格拉姆大厦、朗格住宅和湖滨公寓等建筑主要通过钢结构、玻璃等材料表现其光洁平直的精确美以及材料本身的纹理和质感之美, 实现了他技术与时代文化融合的理想。结合钢结构所具有的结构可能性, 通过结构主要和次要构件的铰接，利用反映梁柱构件的结构相依性, 钢结构是塑造理想建筑的一种理想材料。它可以真正实现现代建筑运动的主要设计理念——清晰的结构、自由的平面。

在建筑的美学表现元素中,建筑造型与结构的联系最为直接, 建筑美主要体现在造型上, 而造型美的本质就是结构美！在钢结构建筑中,由于钢材完全不同于其他材料的力学性能及其截面形式的多样性,使其具有比其它材料更强、更轻盈、更灵活的造型能力, 可塑性极强, 其建筑造型可较好地通过结构解析来进行设计。因此, 钢结构建筑最能体现建筑结构技术与艺术的完美结合。钢结构建筑结构美的关键在于对力流的合理组织和把握结构受力的合理搭配。一般来说, 建筑钢结构力流的总体形状是树形的, 在上部是逐渐汇集, 到地基时逐步扩散, 具有明显的分形性质。而力流是沿着杆件传播的, 杆件的布置其实就是对力流的导向, 就象河流的堤岸对水流的导向一样。如何使力流的导向明确, 而且传力途径短而直接, 这是结构工程师对于结构选型的任务, 也是建筑造型的基础。结构受力后, 力的传递就象小河流水一样,先涓涓溪流，再支流、主流，最后到大海。所谓力流的组织，其实就是如何布置构件，组成力流的河流,而河流的形状和性质，决定了钢结构的造型。在目前大量用于机场航站楼、会展中心、体育馆等公共建筑的空间钢结构造型设计中，上述概念显得更为重要。掌握了钢结构受力的这种性质后，即使建筑师也可设计出较为合理的钢结构造型。而这种来源于结构设计的造型美由于与力有关，故具有较强的震撼力，体现了人类本能对力的崇拜和永无止境的追求。钢结构索膜建筑的研究和形成过程正是充分利用了形态构成中力的规律, 将索膜建筑的美建立在结构预张力的基础上, 使技术逻辑、结构语言成为了索膜建筑艺术美的主要表现。上海东方明珠电视塔是结构造型美的典型建筑, 其设计充分体现了对力流的合理组织和对力的分形性质的利用。它的主体结构由平面构成为三角形的三个巨型筒柱组成,三个筒柱直揷云宵, 彰显着力度与挺拔; 中部联结三个筒柱的五层巨型连梁与三个筒柱共同构成一个空间巨型格构柱,使得塔体雄伟而壮观; 下部树根状的几根斜柱, 簇拥着中心巨筒而收在第一个观光球体内, 在结构上完美地传递、分流着力至基础, 使塔体在力学和视觉上都无比稳定, 具有很强的秩序感; 两个观光球一方面是巨型格构柱的上下约束, 使整个塔身更加稳固, 另一方面也可视为上下部分的转换层, 是球体上部结构的载体, 凝聚并传递着力。在力学上两个观光球可视为力的交汇点, 同时也是视觉的焦点。整个结构合理而简约, 建筑即结构, 结构即功能, 建筑、结构、功能三位一体。整座建筑秀丽而不失雄伟, 婀娜而挺拔, 冷峻中透着妩媚, 单一中显着韵律, 质朴中放着华彩。在昆明国际会展中心新馆的设计中,建筑师和结构工程师充分合作,将建筑造型主要通过结构形态来体现。结构工程师在对大跨度钢结构进行设计时, 为了体现结构的形态美, 刻意避开了传统的网架和其它实腹钢结构, 而通过研究结构的受力特点, 对力流进行合理组织和引导, 寻找到一种能同时符合力学原理和建筑造型的几何图形——与结构弯矩分布形状一致的梭形空间管桁架结构, 充分体现结构力量美和建筑形象美的有机结合。整个结构造型简洁而流畅, 富有韵律感。由建筑师尼古拉斯·格雷姆肖和结构工程师安东尼·亨特（Anthony Hunt）设计的伦敦滑铁卢国际铁路中转站是由一系列平面钢索桁架经纵向联系而成。由于设计者在设计时有意采用了不对称形式，使得两跨跨度相差较大，因此在对索线进行布置时，对以受弯为主的长跨，将索布置在屋架的下弦；对以压弯受力为主的短跨，将索布置在受拉的外侧。构件布置与力的分布形态完全一致。而在空间上，各榀桁架的跨度和走向随着路轨的交叉和蜿蜒而逐渐变化，形成了长400米，宽度由35米向55米渐变的大空间，使人仿佛置身于时空隧道之中。由于结构形态从整体结构到细部构造都做了细致的考虑，结构形象简洁明快，整个建筑极富表现力。而由建筑师伦佐皮阿诺（Renzo Piano）设计的日本大阪关西国际机场更是体现了钢结构形态整体造型的独特性，这种独特性从内部空间看去更具感染力。

建筑钢结构所表达的建筑语言呈现明显的理性技术表现倾向。高耸的桅杆、流线型的空间结构、富于机械艺术表现魅力的钢节点、充满张力的自然曲线的膜体以及其它技术可望而不可即的大跨度自由空间, 都给人以艺术感染力和某种程度的技术神秘感, 使钢结构更富于强调理性技术逻辑的表现特征。伦佐皮阿诺和理查德罗杰斯（Richard Rogers）设计的蓬皮杜中心是钢结构建筑,它第一次向世人展现了所谓后现代主义高技派建筑的美学表现手法。他们在钢结构建筑技术表现方面的卓越实践, 在更高层次上达到了建筑与结构技术的高度和谐统一。显然,以往的高技派和今天的理性技术表现在对结构美的表现深度上存在较大差别。以往的高技派只是把技术作为一种符号, 利用反叛现代主义所形成的对比反差实现他们构想的新观念, 体现其建筑新思维。今天的理性技术表现才真正把技术逻辑和技术手段作为建筑美学表现的基础,并在此基础上对真实的技术逻辑加以升华和提炼,追求技术与艺术的完美结合,使技术从思想深处影响人们对技术的审美态度。在建筑设计越来越注重环境的今天,与整体环境是否和谐早已成为人们评判建筑设计成功与否的关键。钢结构建筑在空间和平面布局上的高度灵活性,使其往往与周边环境自然地融为一体, 建筑师可充分利用由钢结构的可塑性所形成的自由形态来达到空间上的聚聚合合、若分若离的多层次变换。

近几年, 一些建筑师开始尝试用更加生态化的建筑语言表达未来的时代精神, 仿生建筑逐步出现在人们的视野中, 而结构和材料仿生是这种建筑创新活动的基础。由于钢结构所具有的力学性能和可塑性, 它在仿生建筑中扮演着重要角色, 是最适宜应用于仿生建筑的结构体系。在访生建筑的设计中,一些大跨度和形式较为复杂的结构, 使用砖石或钢筋混凝土往往难以实现, 即使勉强实现了也难以表现出仿生结构的轻盈和优美, 而现代钢结构则可将结构的受力体系从平面发展到空间,在模仿自然届的形态上具有其它材料无法比拟的优势,使建筑师的梦想有了实现的可能。圣地亚哥·卡拉特拉瓦的许多作品的设计灵感都来源于大自然, 他把动物的脊椎、羽毛、贝壳, 甚至人的身体语言通过钢结构的形态设计和谐地运用到建筑中。他的作品往往是在解决了工程问题的同时也塑造了形态特征, 真正体现了实用性和艺术性的结合。在由英国建筑师尼古拉斯·格雷姆肖设计的伊甸园全球植物展览馆中, 一连串结合地形自由布置的由钢和玻璃构成的穹隆晶莹剔透, 自然而又充满动感, 其造型让人联想到自然界很多的生物形态。钢结构索膜建筑也是仿生研究的结果，德国斯图加特和加拿大温哥华国际机场利用了树枝状的钢结构支承体系。北京2008年奥运会主体育场的设计灵感则来自鸟巢的形态。实际上, 对一些比较重要的公共建筑来说, 设计或工程承包方的竞争在很大程度上是建筑设计方案结构形态的新颖性和美观性的竞争, 而利用仿生学原理进行建筑和结构设计是一种行之有效的方法。从近年来国外建筑师在我国参与国际招标所提供的设计方案来看, 建筑造型的仿生化是一个明显的特点。

前文提到了三种美, 即技术美、艺术美和自然美，建筑技术美学充分利用技术所提供的可能性对建筑作出处理, 并力图使技术艺术化。在钢结构建筑中, 这三种美的关系表现为自然美蕴涵在技术美中, 技术美又成为了艺术美的主要体现, 三个层次上的美有机结合构成了钢结构建筑的美。当今的技术美学倾向结合了对环境、自然和人类自身的关注, 出于对进步、时代精神和体现新技术的建筑形象的渴望, 表现技术美学的建筑风格在新建的公共建筑中所占的比例越来越多, 而且似乎正在形成一种潮流, 这种潮流正迅速地影响着世界各地的建筑师。无论其设计理念如何, 都或多或少地通过技术表现的手段, 去表达现代社会的审美意向。新技术和新型结构的不断涌现, 赋予了建筑新的内涵, 一般建筑设计中建筑和结构的矛盾在大部分钢结构建筑中变成了完美的结合, 建筑方案同时也是结构体系方案。因此, 建筑师应该对钢结构体系有较深刻地了解和认识, 探索钢材在结构之外的各种可能性。同时, 技术美学在建筑中的实现也需要以精致的施工工艺为基础。

钢结构在建筑中的运用是当今的一种趋势，随着科学技术的进步，在钢结构之后一定会有更多轻质高强的材料出现。对设计师来说，重要的是去了解每一种材料的性能，把它们充分地运用到建筑中，并通过它们来表达自己的设计思想。

编辑制作：云南省城乡规划设计研究院信息中心