大空間公共建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)與形象創(chuàng)新

徐海龍 黃麗蒂 羅 娜

(東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

大空間公共建筑的外在形象和結(jié)構(gòu)技術(shù)的關(guān)系遠(yuǎn)比一般民用建筑要緊密得多，因?yàn)榇祟惤ㄖ拇罂臻g需要大跨度結(jié)構(gòu)的覆蓋和圍合，沒有受力合理、技術(shù)先進(jìn)的結(jié)構(gòu)體系是無法勝任的。自20世紀(jì)以來，新材料、新技術(shù)的推廣與應(yīng)用及先進(jìn)的結(jié)構(gòu)理論的建立與發(fā)展，促進(jìn)了大空間公共建筑向高技派形象的創(chuàng)新，涌現(xiàn)出了一批建筑形象和結(jié)構(gòu)技術(shù)完美融合的大空間建筑作品，使建筑藝術(shù)從某種程度上與結(jié)構(gòu)技術(shù)的表現(xiàn)無法分割，結(jié)構(gòu)技術(shù)正越來越深刻影響著建筑形象的創(chuàng)新［1］。

在大空間公共建筑創(chuàng)作中，由于結(jié)構(gòu)技術(shù)扮演著如此重要的角色，使得它成為此類建筑形象的技術(shù)保證，也進(jìn)而成為建筑形象表現(xiàn)的要素，是建筑形象創(chuàng)新的主要動因。

1 歷史的回顧

19世紀(jì)英國倫敦的水晶宮和法國巴黎的埃菲爾鐵塔(見圖1)，作為令世界矚目的建筑奇觀，拉開了近現(xiàn)代建筑的序幕。與傳統(tǒng)建筑相比，這些作品在形態(tài)比例上不乏美感，卻少了些柱式和線腳，多了些建筑功能與結(jié)構(gòu)要求的一致性。隨后，西方社會開始積極探索新的建筑材料，鋼鐵工業(yè)的繁榮和波特蘭水泥的發(fā)明啟發(fā)了建筑師，將其應(yīng)用在大空間公共建筑的穹頂部分，從而為建筑的發(fā)展提供更為廣闊的視野，而促進(jìn)建筑發(fā)展史形成一次重大飛躍的，當(dāng)數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，它使混凝土的抗壓和鋼筋的抗拉能力得到了完美結(jié)合，改變了傳統(tǒng)的建造方法，是建筑形象得以創(chuàng)新的又一物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 埃菲爾鐵塔

進(jìn)入20世紀(jì)后，鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)的興起，不論在材料基礎(chǔ)上，還是在物質(zhì)基礎(chǔ)上，均促進(jìn)了建筑方法和手段的大力發(fā)展，使建筑形象令人耳目一新，同時(shí)也涌現(xiàn)出了一批杰出的建筑師和工程師，最著名的代表人物包括:意大利建筑師奈爾維(P.L.Nervi)、美國建筑師小沙里寧(Eero Saarinen)、美國工程師富勒(B.Fuller)、德國建筑師奧托(Frei Otto)等人。奈爾維畢生致力于探索鋼筋混凝土的性能和結(jié)構(gòu)潛能，為推進(jìn)建筑藝術(shù)與技術(shù)的和諧統(tǒng)一方面做出了杰出的貢獻(xiàn)。他的代表作品有都靈展覽館B廳、羅馬小體育宮(見圖2)等。羅馬小體育宮的內(nèi)部采用了混凝土網(wǎng)格，增加了建筑的秩序美和韻律美，實(shí)現(xiàn)了力與美在建筑實(shí)體中的有機(jī)統(tǒng)一，創(chuàng)造了近乎完美的建筑形象。小沙里寧是注重建筑表現(xiàn)與結(jié)構(gòu)形態(tài)相結(jié)合的建筑師的代表人物之一，他設(shè)計(jì)的美國環(huán)球航空公司航站樓(肯尼迪國際機(jī)場)，是一個(gè)憑借現(xiàn)代技術(shù)把建筑同雕塑結(jié)合起來的作品。內(nèi)外形態(tài)的有機(jī)變化、清晰可見的結(jié)構(gòu)空間、準(zhǔn)確無誤的細(xì)部表達(dá)，均體現(xiàn)了建筑、結(jié)構(gòu)與藝術(shù)三者之間的巧妙融合。他的另一杰作是華盛頓杜勒斯國際機(jī)場候機(jī)樓(見圖3)，大樓為懸索屋頂，結(jié)構(gòu)形態(tài)符合美學(xué)的基本規(guī)律，具有美觀舒展的視覺效果，看上去顯得十分自然。富勒于1948年提出了用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的短線穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)和索球形網(wǎng)殼的形態(tài)構(gòu)成，在大空間建筑界有著深遠(yuǎn)的影響，他最著名的代表作品有1967年蒙特利爾世博會美國館(見圖4)。奧托最著名的設(shè)計(jì)作品是1967年蒙特利爾世博會西德館和1972年的慕尼黑奧林匹克體育場(見圖5)，他曾致力于懸掛結(jié)構(gòu)的研究，并設(shè)計(jì)了多個(gè)張拉索結(jié)構(gòu)建筑。

圖2 羅馬小體育宮

圖3 華盛頓杜勒斯國際機(jī)場候機(jī)樓

圖4 蒙特利爾世博會美國館

圖5 慕尼黑奧林匹克體育場

結(jié)構(gòu)技術(shù)是大空間建筑形象創(chuàng)作的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，而且合理地運(yùn)用結(jié)構(gòu)體系和建筑材料能突顯大空間建筑的形體特征，經(jīng)過對其具體形象進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、修改，使其整體的建筑形象更符合社會審美心理和周圍環(huán)境的要求，達(dá)到結(jié)構(gòu)與形式的完美統(tǒng)一，同時(shí)，社會進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、精神需求等又不斷地對形體空間提出更高層次的要求，這些要求反作用于結(jié)構(gòu)技術(shù)上，又促進(jìn)了結(jié)構(gòu)技術(shù)和施工材料的不斷發(fā)展。大空間建筑的結(jié)構(gòu)技術(shù)和形象創(chuàng)新正是在這樣相互影響、相互依托、相互促進(jìn)中，共同推進(jìn)彼此的發(fā)展［2］。

2 大空間建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手法

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是現(xiàn)代大空間建筑創(chuàng)作手法中極具生命力的表現(xiàn)手段。由大空間建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和形象創(chuàng)新的相互作用規(guī)律可以得出以下幾種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手法。

2.1 靈活選用已有的結(jié)構(gòu)形式

大空間建筑的空間結(jié)構(gòu)形式十分豐富多樣，充分挖掘結(jié)構(gòu)形態(tài)自身的美學(xué)潛力，使其與建筑形態(tài)完美的融合，并加以恰當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)是體現(xiàn)建筑形象創(chuàng)新的重要手段。

常用的結(jié)構(gòu)形式有:

1)鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)。它的基本形式為圓筒、圓球、雙曲拋物面，外部體形以曲面、外凸?fàn)顬橹鳎藨B(tài)雄偉、氣魄非凡;

2)平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。它的最大特點(diǎn)就是由桿件構(gòu)成了重復(fù)而有韻律的幾何圖形，表現(xiàn)形式輕巧、玲瓏，不加任何修飾即表現(xiàn)出精美、現(xiàn)代的藝術(shù)效果;

3)懸索結(jié)構(gòu)。它多呈單曲和雙曲(馬鞍形)兩種形態(tài)，具有柔性舒展的特點(diǎn)，呈現(xiàn)出受拉、下凹姿態(tài)，外形輕盈;

4)膜結(jié)構(gòu)和索—膜結(jié)構(gòu)。主要由支撐構(gòu)件、拉索和薄膜面層組成，其自重輕，故形態(tài)表現(xiàn)出自由靈活、輕快飄逸的特點(diǎn)。近年來國外用得較多的“索穹頂”，實(shí)際上也是一種特殊形式的索—膜結(jié)構(gòu);

5)混合結(jié)構(gòu)。通常是柔性索和剛性構(gòu)件的聯(lián)合應(yīng)用，表現(xiàn)出來的建筑形象，柔中帶剛，更加多樣化，有很強(qiáng)的視覺震撼力［5］。

2.2 廣泛應(yīng)用柔性的抗拉材料

索、膜等柔性材料由于其輕質(zhì)和良好的抗拉性能，大大增加了建筑的跨度，也使得建筑造型更顯輕盈，在大空間建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用;索桁架是以索來代替桁架的受拉桿件;張拉索桿結(jié)構(gòu)由柔性張拉索(或鏈桿)及剛性撐桿組成的結(jié)構(gòu)，使屋面與兩端支撐達(dá)到了一體化設(shè)計(jì)，改善了傳統(tǒng)的桁架、網(wǎng)架下弦桿件給人視覺、感覺上所帶來的粗重感，突出了建筑中的技術(shù)成就表現(xiàn)［2］;膜結(jié)構(gòu)造型自由、輕巧、柔美，充滿力量感，在世界各地受到廣泛使用。張拉索與膜組成的索膜體系除了可實(shí)踐具有創(chuàng)新且美觀的造型外，也最能體現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)的形式特征，實(shí)現(xiàn)前所未有的大跨度。

2.3 普遍使用完善的計(jì)算工具

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的發(fā)展建立在理論分析和力學(xué)計(jì)算的科學(xué)基礎(chǔ)之上，使空間結(jié)構(gòu)如空間網(wǎng)架、網(wǎng)殼等的計(jì)算問題迎刃而解。隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和普及，及一些理論分析、力學(xué)計(jì)算軟件的應(yīng)用，為這些空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件，從而也有助于設(shè)計(jì)方案的比較、優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的模擬，為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)方案的可行性和理論計(jì)算的可靠性開創(chuàng)了經(jīng)濟(jì)快速的途徑。

2.4 積極探索新型的結(jié)構(gòu)體系

建筑新形象的產(chǎn)生，無疑要以創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)為基礎(chǔ)，這是大空間建筑形象創(chuàng)新中最具決定性的基礎(chǔ)因素。社會進(jìn)步、科技發(fā)展和人們的精神需求必然會推動新結(jié)構(gòu)體系的產(chǎn)生，而建材性能、計(jì)算理論、計(jì)算工具和施工技術(shù)等的創(chuàng)新是新結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的保證。如在體育建筑中，最顯著的新型結(jié)構(gòu)要數(shù)開合結(jié)構(gòu)，它使得建筑的空間具有可調(diào)性，開合屋蓋結(jié)構(gòu)可根據(jù)天氣情況或賽事的要求來決定屋蓋的開啟和閉合，近幾年的工程實(shí)例多用在體育類建筑中。總的來講，在新型的結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生的同時(shí)，建筑師應(yīng)該始終積極地去探索與之相協(xié)調(diào)的建筑形象［4］。

3 結(jié)語

意大利建筑師奈爾維認(rèn)為:一個(gè)從美學(xué)觀點(diǎn)公認(rèn)的杰作，技術(shù)上一定是優(yōu)秀的;而一個(gè)技術(shù)完善的作品，可能在美學(xué)觀點(diǎn)上并不被認(rèn)可。結(jié)構(gòu)技術(shù)是形象創(chuàng)新的動因，形象創(chuàng)新受制于結(jié)構(gòu)技術(shù)，又推動了結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。近幾年來，世界各地均出現(xiàn)了一些單純?yōu)榱艘曈X刺激而創(chuàng)造出來的建筑形象，而采用了不合理甚至虛假的結(jié)構(gòu)形態(tài)的做法是不可取的。注重建筑結(jié)構(gòu)與形象的有機(jī)結(jié)合、靈活選用合理的結(jié)構(gòu)、不斷提高結(jié)構(gòu)技術(shù)水平、積極探索新的結(jié)構(gòu)形式，必然是大空間公共建筑形象不斷創(chuàng)新的重要途徑。

［1］馬國馨.體育場設(shè)計(jì)鄒議［J］.建筑創(chuàng)作，2001(sup):6-26.

［2］姚亞雄.建筑創(chuàng)作中的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)［J］.建筑創(chuàng)作，2002(7):28-33.

［3］沈世釗.大跨空間結(jié)構(gòu)理論研究和工程實(shí)踐［J］.中國工程科學(xué)，2001，3(3):34-41.

［4］Huang L D，Liu D M，Zhang Y Y.Dynamics-based strandedcrowd model for evacuation in building bottlenecks［J/OL］.Mathematical Problems in Engineering，2013(2013)，Article ID 364791，7 pages.http://dx.doi.org/10.1155/2013/364791.