淺析大跨度建筑結(jié)構(gòu)

胡士權(quán)

建筑物的造型向來(lái)都是與生存的自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、歷史沿革等諸多方面有關(guān)。對(duì)于不同的造型的美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)所能實(shí)現(xiàn)的造型也受著不同條件的限制。在我看來(lái)，建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)形態(tài)的關(guān)系肯定是密不可分的。

建筑的誕生也是結(jié)構(gòu)形態(tài)的一種反映，有跡可循，傳統(tǒng)的建筑形式，無(wú)論是西方的古典建筑，還是東方的古典建筑，它們的誕生和演變都是離不開(kāi)結(jié)構(gòu)技術(shù)主線。特別是中國(guó)的古典高規(guī)格建筑，它追求大規(guī)格，而它的結(jié)構(gòu)和立面是一起產(chǎn)生的，所以它在建筑史上是獨(dú)樹(shù)一幟的存在。在近現(xiàn)代建筑的演變過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的改革在其中起到了極大的促進(jìn)作用。它不僅滿足了建筑物的基本需求，也為建筑的審美開(kāi)啟了新的篇章，對(duì)我們有著巨大的影響。人們開(kāi)始把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N建筑美學(xué)的手段，它不是獨(dú)立的門(mén)派，而是在建筑中不可分割的一部分，更應(yīng)該是建筑意象表達(dá)的一種手段。但是，對(duì)于如何較好地運(yùn)用這一表現(xiàn)手段，尚有許多規(guī)律性的東西值得我們?nèi)タ偨Y(jié)和分析，在此基礎(chǔ)上，才能形成比較完整和可行的設(shè)計(jì)方法。本文擬從大跨度公共建筑的造型入手，分析建筑形象的結(jié)構(gòu)本質(zhì)，探討結(jié)構(gòu)在建筑表現(xiàn)中的基本方法，為建筑的創(chuàng)作提供一個(gè)有效的途徑。

從中國(guó)古代建筑的大跨度建筑來(lái)說(shuō)，山西五臺(tái)山佛光寺大殿是現(xiàn)存最大的唐代的木構(gòu)建筑，它位于臺(tái)南豆村東北約5km的佛光山腰，依山勢(shì)自下而上變沿東西向周線布置。大殿建于唐大中十一年，面闊七間，進(jìn)深八架椽，單檐四阿頂。雖然這些數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，可以很簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，但是，在那個(gè)時(shí)代，是了不起的工程。特別對(duì)唐代的工匠來(lái)說(shuō)，他們沒(méi)有釘子等連接的工具，他們使用的榫卯構(gòu)建，細(xì)節(jié)也能很好的聯(lián)結(jié)起來(lái)，所以這就是中國(guó)工藝博大精深的地方。我們可以明顯發(fā)現(xiàn)中國(guó)人的建筑總是規(guī)整、氣勢(shì)博大。這除了與我們的中國(guó)古建筑富有者封建倫理文化的特色有關(guān)，還與中國(guó)人的中庸的民族意識(shí)有關(guān)，它總是沿著一條中軸線為主或采取對(duì)稱的方式來(lái)布局，這種方式是中國(guó)古代最為標(biāo)志的空間布局方式。而支撐起這個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)式抬梁式中的殿堂式，用于等級(jí)較高的建筑。抬梁式又稱疊梁式，是在立柱上架梁，梁上又抬梁。它的斗拱雄大（用材20.5m，斗拱層占1/2高），所以當(dāng)你站在佛光寺大殿中，你可以明顯感受到周圍的梁和柱可以的氣勢(shì)，已經(jīng)能看出中國(guó)建筑很早就持著結(jié)構(gòu)與建筑緊密相關(guān)的思想來(lái)建造。

而西方的建筑特別是古希臘的建筑，它給人的氣質(zhì)也是與中國(guó)古建筑的相似，首先在氣勢(shì)上就有種壓倒人的氣勢(shì)。一般在跨度大的建筑物里，最直接的方式就是運(yùn)用大量立柱的方式將建筑物撐起來(lái)。而希臘神廟就是用這個(gè)方法使得它一直屹立在山頭，它的柱子寬、高，而且使用石頭建造的，給人一種很直觀的感受。西方傳統(tǒng)建筑的體系是以古希臘建筑的梁柱結(jié)構(gòu)和古羅馬的拱券結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。古希臘建筑盡管是以石材為主的梁柱結(jié)構(gòu)，但從其結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點(diǎn)連接方式來(lái)看，仍反映了早期木結(jié)構(gòu)的特性。盡管經(jīng)過(guò)了一定的演變，從額仿、檐口和托板等部件的形式和作用來(lái)看，仍與木結(jié)構(gòu)相近。古羅馬盡管在建筑形式上的創(chuàng)新不多，以繼承古希臘建筑為主，但以拱券和穿頂為特征的結(jié)構(gòu)形式卻將古典建筑從技術(shù)上推向了一個(gè)新高峰，打破了古希臘建筑空間狹小的缺陷，進(jìn)而確立了古典主義的建筑美學(xué)觀。拱券盡管早己有之，但古羅馬建筑的功績(jī)?cè)谟谕ㄟ^(guò)廣泛地運(yùn)用于建筑實(shí)踐而形成了一套完整的技術(shù)，恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮了石材的抗壓作用，可謂揚(yáng)長(zhǎng)避短。此外，以火山灰為主要成分的天然混凝土較石材更易于成型，并使人類實(shí)現(xiàn)真正意義上的大跨度建筑空間成為可能。中世紀(jì)哥特式建筑發(fā)展了肋拱結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)自身更為輕盈，是拱券技術(shù)的又一進(jìn)步。

隨著時(shí)代的發(fā)展，更多大跨度形式的建筑出現(xiàn)在人們的實(shí)現(xiàn)范圍中。而現(xiàn)在的大跨度的結(jié)構(gòu)形式可以簡(jiǎn)單的概括為3個(gè)類別：實(shí)體結(jié)構(gòu)類（薄殼結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)），網(wǎng)格機(jī)構(gòu)類（網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)），張力結(jié)構(gòu)（懸索結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)）。其中我更偏愛(ài)的是大跨度鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系，首先是因?yàn)樗膽?yīng)用范圍廣，使用的自由度，一般公共大跨度建筑都可以實(shí)現(xiàn)，其次它是個(gè)性化的產(chǎn)品，它可以很好地將建筑美學(xué)表達(dá)出來(lái)，然后它與折板結(jié)構(gòu)相比，自重輕，結(jié)構(gòu)自由，折板給人的感覺(jué)就要厚重了，而且它雖然輕盈，但是是使用高強(qiáng)度的材料所以剛度好，同時(shí)使得經(jīng)濟(jì)性好。由于空間結(jié)構(gòu)又是三維受力的，內(nèi)力分布均勻，能很好的承受不對(duì)稱荷載或者是較大的集中荷載。在這個(gè)基礎(chǔ)上，每一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)都有自己的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、一個(gè)模數(shù)，便于工業(yè)化生產(chǎn)，構(gòu)件可以在工廠中制作完成，再通過(guò)交通運(yùn)輸?shù)焦さ厣显俸芸彀惭b起來(lái)，這樣效率就明顯增高了，可以讓建筑一步到位。更重要的是，一個(gè)個(gè)輕便的鋼構(gòu)件可以組成的形式卻是多種多樣的，而且給建筑師的想象可以發(fā)揮到極致，可以讓空間形式豐富起來(lái)，或者可以利用光影為建筑增添一番情趣。

悉尼超級(jí)穹頂體育館是被作為2000年奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的多功能體育館進(jìn)行設(shè)計(jì)的。菲利普·考克斯與其合作者們把大彎頂體育館想象成一座龐大、水平且半透明的建筑。建筑外形呈鼓狀，由24根鋼柱支撐著的放射狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成了遮蓋賽場(chǎng)的輕型屋蓋體系。為使其尺度不至于過(guò)大，他們?cè)趦蓚?cè)設(shè)置了環(huán)抱體育場(chǎng)的輕質(zhì)廊道，這就給這個(gè)大尺度的表皮添上了一些人性化的細(xì)部。但是要欣賞大育頂還是需要一定的角度和高度，所以他們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用了一種類似桅桿的結(jié)構(gòu)，就像是一個(gè)花冠圍繞在體育館的周圍。他們以其纖細(xì)但不失強(qiáng)度的懸索和自由排列的柱廊強(qiáng)調(diào)大育頂?shù)恼w外觀。支撐柱廊的是樹(shù)狀的柱子，屋頂采用了有拉索支撐的析架結(jié)構(gòu)，大尺度出挑的屋檐為場(chǎng)館提供了陰涼的空間。從現(xiàn)代的建筑可以明顯看出結(jié)構(gòu)已經(jīng)只是以一個(gè)支撐的身份出現(xiàn)的，它更多的是一種裝飾來(lái)為建筑增添姿色，特別是鋼結(jié)構(gòu)的建筑裸露在外面，可以讓人直觀的看出它是以一種什么的姿態(tài)呈現(xiàn)建筑的形狀，它呈現(xiàn)的金屬光澤對(duì)人們來(lái)說(shuō)也是吸引。

盡管對(duì)于建筑物的結(jié)構(gòu)選型非常重要，但是我們常見(jiàn)的建筑結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，基本上由設(shè)計(jì)師在訂方案的時(shí)候就有了一個(gè)基本的方向，所以一般工程的設(shè)計(jì)師就要對(duì)一些細(xì)部來(lái)發(fā)揮一下奇思妙想。像上海的浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓，它的中標(biāo)方案部分結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，頂棚的拉鎖是機(jī)動(dòng)的，后來(lái)將多根斜拉穩(wěn)定在兩個(gè)主墩上解決，雖然對(duì)造型沒(méi)有多大影響，但是在建筑空間的視角上就可以感覺(jué)到，失去了一開(kāi)始的通透性，但是工程師在頂棚的設(shè)計(jì)讓人覺(jué)得非常典雅，拉索起了支撐作用，但同時(shí)又有結(jié)構(gòu)造型的作用。而大坂關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓的設(shè)計(jì)，除了整體造型的獨(dú)特之外，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也是十分講究。大廳內(nèi)的支撐斜桿制成梭形，既有利于壓桿穩(wěn)定，又體現(xiàn)了單向受力形態(tài)。其次，節(jié)點(diǎn)要處理得與設(shè)計(jì)受力條件一致，如漢諾威國(guó)際展覽中心，柱子底部的鉸支座明確無(wú)誤，而且顯然是做了刻意的表現(xiàn)。

大跨度的建筑結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)代建筑的發(fā)展有著重要的意義，它既滿足了建筑的美學(xué)，又可以在建筑美學(xué)的基礎(chǔ)上帶來(lái)一些新的變化，譬如說(shuō)它可以回味經(jīng)典，又可以帶來(lái)未來(lái)感。

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