懸索結(jié)構(gòu)建筑及其形式美建構(gòu)原則初探

馬令勇，李潔馨

（東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318）

引言

科技進步推動人類對物質(zhì)生活的不斷追求，而建筑作為人類生產(chǎn)活動的場所，正在努力嘗試不同空間種類以跟進人類社會活動日益多樣的步伐.近幾十年大跨空間結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)完成了諸如飛機場、展覽館、體育館此類建筑的建造.懸索結(jié)構(gòu)以優(yōu)越的性能、優(yōu)美的造型在大跨空間結(jié)構(gòu)中脫穎而出，屢次被使用.

1 懸索結(jié)構(gòu)概述

1.1 懸索結(jié)構(gòu)的發(fā)展

在大跨建筑領域一展身手的懸索結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生源于橋的使用.早在公元前3世紀我國四川便出現(xiàn)竹索橋；明朝成化年間出現(xiàn)用鐵鏈制成的霽虹橋；而四川瀘定橋是全世界尚存最早的懸索橋.

最早出現(xiàn)的懸索結(jié)構(gòu)建筑要屬中東地區(qū)的黑帳篷（圖1），其由位于中央的長拉索和位于周邊的可調(diào)節(jié)邊支柱組成.此時的懸索結(jié)構(gòu)建筑跨度小，應用范圍有限.直到1953年，美國的Releigh體育館誕生了世界上最早的現(xiàn)代懸索屋蓋，至此，懸索結(jié)構(gòu)在建筑領域的應用和發(fā)展接近成熟階段.能夠展現(xiàn)懸索結(jié)構(gòu)建筑早期特點的是1954年建成的位于美國佛羅里達州的保羅·魯?shù)婪颍≒aul Rudolph）小休假別墅，其跨度只有6.7米；隨著技術的不斷進步以及建材優(yōu)良性能的不斷挖掘，先后出現(xiàn)了耶魯大學冰球館、北京工人體育館、亞特蘭大奧運會主會場的佐治亞穹頂以及濟南奧體中心體育館，主跨分別達到了58米、94米、240米和120米.到本世紀懸索結(jié)構(gòu)越發(fā)受到年輕建筑師的青睞，其發(fā)展也日益興旺，這些都得益于建筑本身結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)成和材料的正確選擇.

圖1 黑帳篷及其結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 懸索結(jié)構(gòu)的組成

何為懸索結(jié)構(gòu)？廣義上講是結(jié)構(gòu)主要處于受拉狀態(tài)的索結(jié)構(gòu)；狹義上講是由柔性受拉索、邊緣構(gòu)件和支撐塔架所組成的承重結(jié)構(gòu)（圖2），英文名稱：cable-suspended structure.這一定義由全國科學技術名詞審定委員會審定公布[1].其中，索只能承受拉力，不能承受壓力，大多數(shù)應用于屋蓋的造型設計.邊緣構(gòu)件所承受的屋蓋壓力和平衡來自索的側(cè)向水平拉力，固定著屋蓋索的形態(tài).而下部支承構(gòu)件屬于受壓結(jié)構(gòu)體，承受來自上方索及邊緣構(gòu)件傳遞下來的所有荷載并將這些荷載傳遞到地面.因此，支承構(gòu)件數(shù)量較多，形狀簡潔便于力的傳遞.上述三種構(gòu)件缺一不可，協(xié)同作用，保證建筑骨架的有效存在.

圖2 懸索結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.3 懸索結(jié)構(gòu)的特征分析

（1）受力合理，節(jié)省用料.在懸索結(jié)構(gòu)中，柔性受拉索由鋼材制成，恰好利用了鋼材優(yōu)良的抗拉性能.邊緣構(gòu)件既承受拉力又承受壓力，用鋼筋混凝土再合適不過.支撐構(gòu)件只承受壓力，用混凝土建造的情況比較普遍.各部分構(gòu)件根據(jù)其合理的受力特點，都能找到適宜的材料加以建造，使材料性能得到充分發(fā)揮.

（2）跨度大，支撐少.預應力屋蓋的產(chǎn)生使懸索結(jié)構(gòu)建筑的跨度大大提高，同時屋蓋也變得輕質(zhì)高強，用壓型鋼板、薄膜板、輕質(zhì)混凝土板等均可實現(xiàn).屋面分有單片屋面形態(tài)和雙片屋面形態(tài)兩種.單片屋面形態(tài)室內(nèi)空間無需支撐，而雙片屋面形態(tài)中間有支撐，降低了單跨長度，這樣形成的多跨空間結(jié)構(gòu)從整體上看跨度變大，拓寬了適用范圍.

（3）造型優(yōu)美，表現(xiàn)力豐富.柔性索配合邊緣構(gòu)件的布局可以任意成形，創(chuàng)造出新穎別致的造型藝術.

（4）施工簡便，安裝快捷，可提高工效.由于懸索自重小，構(gòu)件大部分都是預制的，可省去現(xiàn)場施工的許多模板操作，提高效率.

（5）若形式選擇適當，可創(chuàng)造良好的采光和聲學效果.例如大跨拱頂薄膜覆蓋屋面，利用薄膜的強透氣性和高透光率可獲得良好的自然光.下垂的凹曲面屋頂可避免聲聚焦現(xiàn)象，達到擴散聲波的目的.例如：倒置的殼體單元以及懸索結(jié)構(gòu)[2].（圖3）

圖3 -1 倒置的殼體單元

圖3 -2 懸索結(jié)構(gòu)

除上述優(yōu)勢之外，懸索結(jié)構(gòu)帶有自身的局限性：懸索屋蓋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，當索的荷載作用方向與垂度方向相反時，便失去了承載能力.因此常常附帶一些索系而非單索來提高其空間穩(wěn)定性，這樣為負荷計算與材料加工帶來不便.

2 建筑美學與建筑結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)形態(tài)與美學傾向

結(jié)構(gòu)形態(tài)從總體上講有線性形態(tài)和非線性形態(tài)兩種.線性形態(tài)給人以剛勁有力、直接明了之感；非線性形態(tài)給人以柔美婉約、娓娓道來之感.這兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)分別應用在懸索結(jié)構(gòu)建筑中也會呈現(xiàn)出不同的美學傾向.

縱觀我國建橋史，以巨大工程量著稱的蘇通大橋（圖4），連接著江蘇省蘇州市和南通市，跨徑1088米，是當今世界斜拉橋之最.這座橋的斜拉索結(jié)構(gòu)形態(tài)是線性形態(tài)的完美演繹.在纖長的橋面上矗立而起的兩座混凝土塔高達300.4米，這兩座高塔將橋體空間限定成三部分，分別由塔尖頂向橋兩側(cè)放射出的斜拉索由近及遠分布，最長拉索達577米.這些索形態(tài)呈斜直線，剛勁有力，長短不一，方向感極強，從遠處觀看猶如輕紗般將限定的三段空間籠罩成一個整體.

圖4 蘇通大橋

還有，1960年建成的美國耶魯大學冰球館（圖5），整座建筑充滿了非線性美.建筑由中心拱結(jié)構(gòu)脊背和兩側(cè)低矮的圈梁組成索結(jié)構(gòu)的骨架，流線型外觀又是非線性結(jié)構(gòu)形態(tài)的表達，彰顯非線性結(jié)構(gòu)形態(tài)柔美的氣質(zhì).

圖5 耶魯大學冰球館

2.2 結(jié)構(gòu)與美學的關系

建筑結(jié)構(gòu)的存在，使得建筑美學在形式美的基礎上又多了一種美學類型：結(jié)構(gòu)美.倘若建筑結(jié)構(gòu)研究“怎么做”，那么建筑美學就是研究“為什么這么做”.如果將建筑比喻成一個軀干，若只有結(jié)構(gòu)，無非是一個干癟的空殼，有了美學概念的參與，空殼變得有血有肉、活靈活現(xiàn)，建筑也就被賦予了內(nèi)涵與靈魂.尤其在大跨建筑結(jié)構(gòu)（懸索結(jié)構(gòu)）中，結(jié)構(gòu)骨架作為主體部分，有的甚至直接暴露于外表.因此，結(jié)構(gòu)美在整體美中占有舉足輕重的地位，不可小視.

3 懸索結(jié)構(gòu)建筑形式美建構(gòu)原則的論析與鑒賞

3.1 建筑形式美法則

中世紀美學家、神學家圣托馬斯.亞昆那（公元1226-1274年）曾在他的著作《神學大全》中寫道：“美有三個因素：第一是一種完整或完美.凡是不完整的東西就是丑的；其次是適當?shù)谋壤蚝椭C；第三是鮮明，所以著色鮮明的東西是公認為美的.[3]”這是對美的普遍認識.而事物有其獨特性，對于建筑美我們的評判標準即建筑形式美法則是：變化與統(tǒng)一；主從與重點；均衡與穩(wěn)定；對比與微差；韻律與節(jié)奏；比例與尺度.以下是應用六條形式美法則對懸索結(jié)構(gòu)建筑實例的論析與鑒賞.

3.2 變化與統(tǒng)一

近代建筑巨匠勒.柯布西耶曾強調(diào)說：“原始的體形是美的體形，因為它能使我們清晰的辨認.[4]”在這里原始的體形可以理解成圓形、方形、長方形、正三角形等具有明顯幾何特征、簡單幾何屬性的圖形.古代許多建筑通過對上述基本圖形的組合已經(jīng)創(chuàng)造出高度完整統(tǒng)一的建筑形象.現(xiàn)如今，往往出于功能技術的要求，或形式的考慮，設計造型時一般在圓形、方形、正三角形、長方形等基本形式的基礎上稍加變化，如大小、角度等，以求靈動，但整體上仍能夠找到相同的幾何原型，這便是變化與統(tǒng)一.

1998年日本長野冬奧會速滑館是一懸索結(jié)構(gòu)建筑（圖6），以單索為基本單元，各個單索以漸變的方式排列，由小變大再由大變小，從立面上看，仿佛是一座日本本土山體的形態(tài).每個單索單元雖說形狀相同，但隨著序列方向的推移，大小有所改變，這就回應了“變化與統(tǒng)一”的原則.

圖6 長野冬奧會速滑館

3.3 主從與重點

建筑物作為由若干要素組成的整體，每一個要素在整體中所處的地位和所占的比例不盡相同.如果所有要素都爭相突顯自己，那么從整體上看就毫無章法可言.例如繪畫，如果整幅圖無重點就會讓觀賞者視覺不集中，也難以留下深刻的印象.建筑也不例外，古代建筑主從關系多以對稱的布局方式實現(xiàn)；近現(xiàn)代建筑由于功能日趨復雜或者地形條件的限制，延用對稱構(gòu)圖的并不多，多采用一主一從的形式將次要部分從一側(cè)依附于主體.

例如日本著名建筑師丹下健三于1964年建成的代代木體育館就是對主從關系的很好詮釋（圖7）.其中較大的體育館有兩個“角”，它們由各自的螺旋形看臺蜿蜒上升直至頂部成為焦點.而位于一側(cè)較小的體育館只采用單塔，構(gòu)成方式和主體育館相似，也是由單索逐個向上盤旋而成.這種主從建筑搭配的方式，與建筑場地完美融合.

圖7 日本代代木體育館

3.4 均衡與穩(wěn)定

所謂均衡，有兩種基本形式：一是對稱形式，二是非對稱形式.對稱形式天然就是均衡的.與對稱形式相比較，非對稱形式的均衡要輕巧活潑得多.例如：2009年建成的濟南奧體中心在基地上就是以非對稱形式分布的：三個體量圍成一個內(nèi)院，兩個似豌豆形建筑和一個圓形建筑各占一角，相互間用空中天橋連接，體現(xiàn)了構(gòu)圖上的均衡美（圖8）.

圖8 濟南奧體中心

與均衡相關聯(lián)的是穩(wěn)定.如果均衡處理的是各建筑要素水平方向的平衡，那么穩(wěn)定處理的就是豎直方向的平衡.據(jù)重力學原理，上輕下重、上小下大的形式比較穩(wěn)定.同樣在濟南奧體中心，單個建筑物從底層外圈附屬用房到中間看臺再到頂層內(nèi)圈穹頂?shù)氖諗烤奂?，無不遵循著重力學原理，這就是所謂的穩(wěn)定感.

3.5 對比與微差

對比與微差研究的是如何利用技術手段、工程結(jié)構(gòu)給建筑帶來的差異性來求得建筑形式的完美統(tǒng)一.對比指各要素之間顯著的差異；微差指各要素之間不顯著的差異；二者缺一不可.通過對比，可使建筑各個要素更加突出其個性；通過微差，可使建筑要素之間更加強調(diào)其共性，以求和諧.例如，歸類于懸索結(jié)構(gòu)建筑的北京南站（圖9），基地周圍高樓林立，呈豎向構(gòu)圖居多.然而作為交通類建筑，龐大低矮的體量與周圍的摩天大樓形成強烈反差.若俯瞰建筑整體似水波紋般從中央候車大廳向兩側(cè)擴散，無論是屋面細部雕琢還是橢圓平面尺寸都存在微小差別.北京南站的藝術特點就在于從建筑與外界、建筑與自身兩個角度體現(xiàn)了對比與微差.

圖9 北京南站

3.6 韻律與節(jié)奏

提及韻律，自然會想到節(jié)奏.就像一首好曲子，說其有韻律，那一定是音符編排得當，能夠組織成悅耳的節(jié)奏.建筑被比作凝固的音樂，同樣如此，人們通常將韻律分為以下四種類型：連續(xù)的韻律；漸變的韻律；起伏的韻律；交錯的韻律.其中，連續(xù)的韻律在建筑中的使用最為常見.

美國華盛頓杜勒斯機場候機樓（圖10）平面為長方形，單曲面單層懸索結(jié)構(gòu)，兩個長邊布置若干單柱支撐構(gòu)件.這些支撐構(gòu)件沿長邊方向均質(zhì)排列（即保持恒定間距的反復出現(xiàn)），賦予立面系統(tǒng)一定的韻律與節(jié)奏.支撐構(gòu)件營造的韻律美不僅展現(xiàn)在外部造型上，在內(nèi)部空間也同樣如此，Y形支撐經(jīng)過有序布置創(chuàng)造出優(yōu)美的視覺效果（圖11）.針對懸索結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件的線性特征，在大體量建筑中有序排列加以點綴，不乏成為一道亮麗的風景線.

圖10 華盛頓杜勒斯機場候機樓

圖11 浦東機場T2航站樓室內(nèi)Y型柱支撐

3.7 比例與尺度

威奧利特.勒.杜克（viollet-le-Duc）在他所著的《法國建筑通用詞典》一書中，給比例下了這樣的定義：“比例的意思是整體與局部間存在著的關系—是合乎邏輯的、必要的關系，同時比例還具有滿足理智和眼睛要求的特性.[5]”“滿足理智要求”是指良好的比例合乎一定的內(nèi)在邏輯，“滿足眼睛要求”是指良好的比例具有一定的美學價值.例如古希臘畢達哥拉斯學派提出的黃金分割比（1:1.618）以及勒·柯布西耶提出的“模數(shù)”理論都是對比例問題經(jīng)過長久研究之后得出的著名結(jié)論.

和比例相關聯(lián)的另一個范疇是尺度.尺度指的是要素給人感覺上的大小印象和真實大小之間的關系[6].良好的尺度二者應一致，出現(xiàn)的問題一般分為兩種：即大而不見其大與小題大做.這兩種情況，難免使物體失去應有的尺度感.本文主要提及正常尺度下所表現(xiàn)出來的建筑美.例如，德國烏柏特市游泳館幾何形態(tài)的比例尺度就拿捏得恰到好處（圖12），立面從上到下依次為：下凹屋面懸索形成的弧線與依據(jù)看臺被斜向切割成的楔形，以及鑲嵌在其中用以連接上部體塊和地面的方形，三者幾何關系明了，與內(nèi)部空間功能相呼應，仿佛游泳健將舉起雙手慶祝勝利，彰顯了建筑的幾何美.

4 懸索結(jié)構(gòu)建筑的應用前景

圖12 德國烏柏特市游泳館

大跨結(jié)構(gòu)在目前及未來的相當時間內(nèi)，仍被廣泛應用.懸索結(jié)構(gòu)作為大跨結(jié)構(gòu)的主力軍，有著其他結(jié)構(gòu)形式無法比擬的發(fā)展?jié)撘颍簢H性大型運動場館的需求給予懸索結(jié)構(gòu)跨度大的施展空間；易施工省材料使其備受結(jié)構(gòu)施工方的青睞，例如當建筑跨度不超過160m時，每平方米的用鋼量一般不超過10kg；再者，夸張的造型可能性帶來建筑設計方設計城市地標的又一參考與挑戰(zhàn).近些年，由于生產(chǎn)和使用需要，懸索結(jié)構(gòu)新的潛能被開發(fā)，例如斜拉索、張拉索通過錨具與地面或建筑地環(huán)梁錨固產(chǎn)生周邊有約束的鞍形或帳篷形，上面覆以膜布，應用于景觀小品工程.若將在建筑局部水平放置的懸索結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為豎向放置，便可應用于大面積玻璃幕墻中.例如拉索式點接駁全玻璃幕墻采用預應力雙層懸索結(jié)構(gòu)，設計成對稱型，用柔性索作為支撐和固定玻璃的構(gòu)件，施工時先計算張拉預應力后鋪設面板，保障懸索結(jié)構(gòu)發(fā)揮正常功效.上述的各種優(yōu)勢和運用，開拓了懸索結(jié)構(gòu)在我國甚至世界范圍內(nèi)的光明前景.

5 結(jié)語

本文將懸索結(jié)構(gòu)建筑的技術認知跨越到藝術認知的高度，旨在通過這些嘗試，使結(jié)構(gòu)技術與美學藝術在懸索類建筑領域達到真正的融合，進而應用實踐于未來的懸索結(jié)構(gòu)建筑中.

〔1〕 懸索結(jié)構(gòu)Cable Suspended Structure[J].工業(yè)建筑，2010（8）：81.

〔2〕葉獻國.建筑結(jié)構(gòu)選型概論[M].武漢：武漢理工大學出版社，2003.4-5.

〔3〕朱光潛.西方美學史（上冊）[M].北京：人民文學出版社，1982.131.

〔4〕彭一剛.建筑空間組合論[M].第2 版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.35.

〔5〕黃歡.居住區(qū)標志性景觀設計研究[D].武漢：華中科技大學，2008.

〔6〕李俊霞.建筑的比例和尺度[D].南京：東南大學，2004.