鋼結構與建筑美學的結合

邢 義 杭

(河北工程大學建筑與藝術學院,河北 邯鄲 056038)

1 建筑與結構的關系

建筑與結構的關系是一個常談常新的話題，在工程實例中，在建筑理論的發展歷史里，建筑與結構雖然有不同的專業范疇，但它們一直結合緊密。

1.1 國內現狀

改革開放以來，我國建筑鋼結構發展較快，從北京唯美動人的水立方體育館到廣州挺拔輕快的“小蠻腰”電視塔，建筑美學都得到空前的發展，美學是人類欣賞藝術的重要組成部分，也是社會文化的載體。從設計研究和工程實踐上來看，鋼材能夠形成很多結構體系，比如網架、殼體、懸索、充氣結構、索膜結構等等，設計師選用這類新型體系為我國創造出了大量的優美建筑，但是我國對于建筑美學和鋼結構交叉學科的研究還存在很大空白，這是建筑領域的發展潛力也是新時代的挑戰。

1.2 古代研究

在古代中國，建筑工作者統稱為工匠，工匠就是要將一座建筑物徹底完成，包括規劃、建筑設計和結構設計甚至還要參與施工和監理，比如曹操建造鄴城和宇文愷營建東都洛陽。還有我們熟知的維特魯威，本是一名軍事工程師，但他留給后人的經典《建筑十書》卻成為最早的建筑學知識體系。可見，要想真正做好建筑設計，就不能忽略建筑、結構等其他學科之間的關系。

1.3 現代研究

現代很多建筑師做設計有個通病，就是割裂了建筑與結構的直接聯系，這會造成工程技術的脫節，一個方案經過多方面的設計變更就會變得面目全非。還有些設計過于強調藝術審美，雖然增大了建筑美學的靈活度，但也給結構設計帶來很大的困難，甚至無法實現，比如悉尼歌劇院，建筑師約恩·烏松以橘子皮為創作的靈感，雖然設計出優美的建筑體態，建筑方案也贏得大設計師沙里寧的喜愛，并且中標，但是結構設計非常困難，力學計算也相當復雜，如果沒有新技術，建筑造價高昂，難以實現。后期多虧結構師的努力幫助，研究出新型模板，把歌劇院的“殼”成功建造出來，最終將這個杰出的設計構想變為現實。可見，結構對于建筑美學的實現有很深入的影響。

1.4 鋼結構的基本特點

鋼結構是一種金屬材料，輕質高強，質地均勻，H型鋼、工字鋼、槽鋼、角鋼以及冷彎薄壁型鋼等制成的結構體系統稱鋼結構。鋼結構多適用于高層建筑、外形復雜的藝術館、大跨度體育館等公共建筑以及工期緊張的工程。鋼結構時常給人一種簡潔、明快、富有力度的感覺，對于建筑的審美來說，可以發揮技術上的支撐，比如建筑美學中的統一、均衡、比例、尺度、韻律等等藝術手法都可以依托鋼結構得以實現。與鋼結構相比，混凝土結構有自重大、材質不均勻、易出現裂紋、抗拉能力差等缺陷，而且混凝土的大量數據還需要在實驗室獲得，施工復雜、后期養護繁瑣，可以說混凝土結構不適用于外形多樣的大空間建筑。鋼結構在受力方面也有許多優點，因為鋼材質地均勻，所以運算相對簡潔，因此，鋼結構建筑方案的設計非常大膽，力學審美也時常令人傾倒。

鋼結構還常常與其他建筑材料聯合使用，比如鋼木結構、鋼材和玻璃的組合等等?，F代設計中鋼結構做支撐，其他建筑材料作為維護的建筑現象十分常見。

2 鋼結構與建筑美學

2.1 鋼結構的節點美學

節點在鋼結構建筑中作用十分顯著，是必不可少的部分。鋼結構節點由以下幾部分組成：節點區、被連構件、連接件或者連接材料等等。鋼結構是一個組合體，需要連接，現在常用的連接方式是焊接、普通螺栓和高強螺栓連接。埃菲爾鐵塔屬于鉚釘連接，現在已經使用不多。

在邯鄲北湖公園有座鋼結構的橋梁，跨度不大，橋梁的連接方式是六角頭的普通螺栓連接。普通螺栓一般分為三級，根據受力的種類又分為抗剪螺栓、抗拉螺栓和同時承受剪拉的螺栓，為保護結構，螺栓的節點處一般添加墊板。北湖橋上整齊又密實的螺栓連接就是非常典型的節點形態，不但保證了橋梁的受力，而且設計師故意將節點構件裸露，隨著湖水的倒影，螺栓處的節點更加表現出橋梁的堅固和美觀。力學和美學有相通之處，比如古代趙縣的趙州橋，隋朝匠師李春設計，歷經一千多年屹立不倒，橋身的力學模式經過現代技術的驗算接近完美。趙州橋在力學上的杰出設計從客觀上也促成了美學的成功，許多游客觀賞趙州橋，都會贊嘆美觀的橋身。

2.2 鋼結構的材料美學

鋼材富有金屬光澤，在陽光照射下還能變色。鋼材的這種美學屬性是其他建筑材料所不具備的。鋼結構在我國并未普及，這種結構體系的巨大潛力也必將帶來一種流行的材料美學。

北京的體育館鳥巢就是將結構不加裝飾的裸露在外側，高大的鋼結構在空間上并沒有像通常的建筑那樣將柱子和梁區分出來，反而相互斜交形成美觀的外形，鋼結構的材料美學在鳥巢這座建筑中成為吸引世人的一大亮點。

紐約的古根海姆博物館是解構主義大師蓋里的優秀作品。這座建筑，大量使用鋼材，并且盡量減少修飾。金屬的外形使整座建筑顯得神秘又震撼，奇特的形態和光亮的金屬外表皮在陽光的照射下發出耀眼的銀光。這就引出一個聯想，在魏晉時期，嵇康酷愛打鐵，他還修建一座水池，打鐵累了就在水池中沐浴。當嵇康打鐵時，他古銅色的肌肉，充分展示著力學與美學的完美結合，與古根海姆博物館的建筑設計有著異曲同工之妙。

2.3 鋼結構的空間美學

空間是建筑最重要的組成部分，可以說在建筑設計的過程中，空間處理的優劣將決定方案的成敗。而建筑空間的形式取決于結構，即承重體系和維護體系。隨著人類社會的發展，空間結構的跨度越來越大，風格也日趨多樣，鋼結構由于其輕質高強的優勢，逐漸在建筑空間的設計中占有重要的地位。

鋼結構是一種桿件化的結構體系，與混凝土相比，擁有輕巧的質量和較小的截面尺寸。鋼結構的建筑，能在建筑空間上形成穿透性和靈活性。

北京的國家大劇院，其建筑師保羅·安德魯經歷過建筑、工程和美學的深度體驗和學習，并且以前經常設計機場這類大空間建筑，他對鋼結構材料的性能、受力非常熟悉。安德魯的大劇院方案風格簡潔大方、空間跨度大、功能靈活。大劇院是典型的大跨空間結構，美學經過規范設計，外形是半個橢圓，周圍是水池，遠遠望去，建筑和水的倒影結合在一起，很像一枚蛋。從大劇院內部可以清晰的看到結構形態，頂部是鈦鋼的板殼結構，側面是鋼網架搭配著弧形玻璃幕墻，空間的穿透性良好，視覺審美震撼，尤其是雨季，流水自上而下，配合外部的水池，仿佛模糊了室內外空間的界限。

2.4 鋼結構建筑實例

在天津，有座綜合性的鋼結構建筑——天津市自然博物館，位于天津市河西區，與天津博物館、天津圖書館和天津大劇院相鄰，是天津市的標志性建筑之一。

天津市自然博物館的結構選型主要是空間網架、殼體結構、變截面箱形梁和鋼管圈梁等。博物館的構思新穎，它運用仿生原理，將整座建筑的外型設計為一個“展翅飛翔的天鵝”。天鵝的頸部是建筑的走廊，兩邊是水池。走廊后部尺度陡然增大，就是環形弧狀的“天鵝身體”，也是建筑的主體部分，整座建筑搭配天藍色的玻璃幕墻，流線順暢，韻律和諧，貼近自然，還和天津這座濱海城市的風格結合到了一起。

博物館主要使用大跨空間結構，主梁是多組變截面鋼框架梁，并有次梁、加勁肋和多組鋼架支撐、上部裝飾玻璃幕墻，形成曲面，下部配合使用了混凝土立柱。鋼材質量輕盈但在工程中容易失穩，鋼結構抗風壓能力較弱，大風過后，有的輕型鋼結構屋架會被掀翻。因此，鋼結構建筑一般配合混凝土使用，因為混凝土結構自重大、抗壓能力強，相對穩定。在博物館的1層大廳就建造了一排清水混凝土V形柱。清水混凝土的立柱不用裝飾，對鋼結構曲面梁起到了支撐作用，也增加建筑的自重。在類似天鵝頸的走道，設計師使用八個傘狀環形鋼柱作為支撐體系，上部的環形圈梁均勻承受水平荷載，斜向和豎向的壓力、剪力通過圈梁傳遞給柱子。這種設計方案受力均勻，最重要的就是將穩定的鋼結構與優美的建筑造型成功結合起來。

博物館的屋蓋使用空間網架結構，和國家大劇院的結構設計類似，節點處采用多種形式的板膠節點，這種節點受力靈活、造價不高，在國內工程中首次采用。鋼網架結構多用于公共建筑，在博物館中實現了大跨度、大空間、采光合理、功能分區靈活的優勢。天津市自然博物館是多種類型的鋼結構與建筑美學組合設計的成功案例，也在建筑學科的前沿開闊了新技術、新體系的應用前景。

3 結語

本次論文以結構為基礎，初步探討了結構與建筑的關系，同時以鋼結構與建筑美學結合為論述重點，表達了結構與建筑的密切聯系。在未來的建筑發展中，建筑的審美趨于多元化，而結構與建筑也將愈走愈近，并且可以創造更多的奇跡。