建筑設計中結構設計的表達與應用

倪潤爾

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200082）

1 建筑設計與結構設計的矛盾與統一

1.1 建構歷史的發展回溯

在人類構筑居所、營造城池的歷史長河中，建筑的本體結構與建筑所表達的文化性是脫離還是共生，一直是個活躍的命題，推動著建筑技術的發展。從最早的古希臘神廟或是中國古典建筑中的梁柱結構，到古羅馬時期因空間需求擴大而催生的拱券、穹頂、帆拱等結構形式，再到歐洲中世紀哥特建筑拱肋、飛扶壁等結合理性與神性的表達，繼而到文藝復興時期恢弘的穹頂等建筑奇跡，無不體現了古代的匠人與智者們在時代的推進中對于功能、精神需求與結構體系的相互磨合與促進。

隨著18-19世紀科學技術的發展人們進入工業革命時代，鑄鐵、鋼筋混凝土、新型復合材料等方面的突破性發展將結構設計與建造技術帶入了新的世界，無論是建造速度、經濟效益等方面都有顯著提升。隨之而來的現代框架結構、桁架、網架、薄殼等結構體系以及工業化的生產方式被廣泛運用于大量建筑，產生了功能各異、千姿百態的現代建筑。

1.2 建筑師和結構師的分工與合作

科學技術的發展一方面奠定了當代建筑的地基，另一方面也使得建筑師與結構師之間的分工在近代開始變得更為明確：建筑師更趨于關注建筑應對的功能性和體現的社會與文化性的實現，結構師則更注重在保障施工及使用安全的前提下對于建筑空間的結構選型、計算和具體的技術實現。越發龐雜的專業信息量促使這種分工越發分明，建筑師逐漸變得較難有能力通盤掌握結構分析和實現的各種手段，傳統囊括結構性能設計的創作過程變成了被動的設計。

然而這一壁壘也并非難以打破。從20世紀60年代建筑師丹下健三與結構師坪井善勝合作的東京代代木國立綜合體育館，到倫佐·皮亞諾、理查德·羅杰斯與彼得·萊斯共同設計的蓬皮杜藝術中心，再到伊東豐雄與佐佐木睦朗合作的仙臺媒體中心，以及21世紀新生代建筑師中的藤本壯介、石上純也等與杰出結構合作的作品，都體現了動人的建筑離不開精心設計的結構，以下就試從建筑師的角度探討建筑設計中結構設計的幾種表達方式：

2 建筑設計中結構設計的表達方式

2.1 結構構件的消隱處理

建筑立面通常是設計表達的重點，建筑師為了表達空間的透明性，為了將室外環境向室內滲透，或是為了突出建筑純粹明確的體量，往往希望建筑立面都做得干凈通透，要求結構構件盡可能做到“消隱”的狀態。

在妹島和世與西澤立衛設計的托萊多美術館玻璃展亭中，立面與大部分空間劃分使用玻璃幕墻，房間由各種不同形態的弧形玻璃圍合，使得空間突破了傳統意義上房間的概念而形成了“流動空間”。為了凸顯這種效果，建筑立面以及內部的豎向結構構件都進行了消隱處理——通過構件尺寸的最小化、后退于玻璃完成面或是隱藏在局部實體墻內。柱網排布并不依照通常的正交規律，而是依據功能與表現需求呈不規則分布，進一步弱化了結構體系的存在感，使得設計意圖得到最大程度的體現。

2.2 結構構件的強化體現

有時候受到條件的制約，無法做到讓結構構件完美“消隱”，或是有時候希望通過結構構件達到設計效果，建筑師與結構師就需要磨合來找到外露結構的表達形式。可以通過對梁柱等重復構件的均質化以及節奏感的控制，或者對網殼等劃分規則的調整，形成不同的空間秩序和體驗。

在現當代建筑潮流中，西班牙建筑師卡拉特拉瓦尤其善于將結構設計與建筑設計一體呈現，表達結構的韻律并賦予動態的形式。例如在他領銜設計的紐約世貿中心新交通樞紐中，純白色鋼結構通過精心設計的尺寸和重復韻律，同玻璃一起打造了一個延伸向天空紀念性公共交通空間，通過充滿張力的結構所表現的外觀如同展翅欲飛的和平鴿。但業界也有質疑稱他的部分作品有過度使用結構構件的成分，這需要辯證地看待建筑與結構表現力和項目造價、場地文脈等相互制約的關系來做出評判。

2.3 結構、表皮、空間一體化設計

隨著建造技術和建構理論的發展，“結構建筑學archi-neering”的議題成為熱議，旨在通過將建筑的造型、結構、構造、空間甚至寓意等綜合考量而進行建筑創作。在這個語境下，建筑師與結構師合作的默契程度關鍵地決定了建筑最終能夠達到的水平：這需要結構師從構思初期就密切參與，從宏觀上同建筑師共同研究建筑的功能形式、制定結構方案，也需要在設計深化的過程中與生產施工部門等各方共同把控單元構件的微觀近人尺度，整合表皮的構造層次和內部的設備系統，實現“簡約”而不“簡單”的效果。

新近落成的由福斯特建筑事務所設計的史蒂夫·喬布斯劇院，直接將近80t的碳纖維屋頂通過建筑周圈的四層夾膠玻璃結構支撐，完全通透的大廳內不使用其他豎向構件，玻璃既是建筑表皮也是結構支承構件，所有水電管線均集成在玻璃面板之間的縫隙構造中，通過突破極限的技術呈現，淋漓盡致地闡述了極簡的設計風格。

3 側重于結構表達的設計方法與應用

3.1 結構設計理論在建筑創作中的介入

人們在早期的生產實踐中創造了眾多合理的結構形式，如拱、殼體、懸索等，然而近代以前，數學和力學等基礎科學的發展尚不成熟，結構形態的確定往往建立在設計者的經驗之上。19世紀以來，力學學科的進一步完善，為尋找合理受力的結構形式奠定了理論基礎，但仍不能完成復雜結構形體的設計和計算，因此一些學者開始以縮尺實驗或工程經驗為主要手段，有意識地確定合理結構形狀，保證發揮材料最大的力學性能（如構件只受純壓力）。例如西班牙建筑師高迪通過逆吊實驗法確定的圣家族大教堂的穹頂、德國建筑師奧托利用皂膜模型試驗推導出的德國慕尼黑奧林匹克體育館等。另外，圖解靜力學理論的發展，也對各種大跨度結構體系的建筑設計有著積極促進作用。

計算機技術的發展大大推動了結構設計方法，例如有限元模擬法以及由此發展出的漸進結構優化法等。隨著力學理論和分析方法被轉譯成算法，結構設計更具備可視化和交互性，可根據設計條件改變快速調整迭代結構形式，建筑師在掌握基本結構概念和編程邏輯的基礎上，可以同結構師一起更為積極且具象地參與到結構生形和建筑創作的過程中。例如利用犀牛Grasshopper平臺中的kangaroo插件進行張拉結構模擬、利用RhinoVAULT插件等進行拱結構生成并達到穩定狀態等模擬。

3.2 工程實例

在中國商貿博物館與義烏市美術館（在建）的設計實踐中，結構成為了建筑表達不可或缺的一部分。為了體現“廣宇六合、盛世綻放、商貿之都”的設計理念，也為了突出順應環境主導風向而舒緩流暢的建筑形態，采用了大小兩個基于圓角六邊形的純粹體量，每個體量由六個拱腳輕輕落地。設計從方案階段即開始與結構師緊密合作，確定了采用大跨度鋼拱架結構，將落地的拱腳縮至最小。同時，為了達到通用型展廳無柱大空間的使用目的、以及中庭與三個邊庭通透的設計效果，展廳和中庭內的豎向承重構件均力求消隱，僅通過中間核心筒的剪力墻、展廳入口同隔墻融為一體的柱子以及周邊拱架結構傳遞豎向力，真正做到了靈活開放的通用空間。

另外，在博物館與美術館一層入口周邊的半室外灰空間，為了將純粹流暢的建筑體量延續至室內，同時也為了節省造價不做二次裝修，將外露的二層樓面梁作加腋處理，由犀牛Grasshopper找形，將不同梁的端部協力調整到柔和的整體空間形態，同時兼顧合理的傳力方式。通過結構構件的強化體現，以清水混凝土的韻律表達建筑本真的美感。

4 結論

優秀的建筑往往是“形”與“力”的完美統一。建筑空間的要求推動結構體系的發展，結構體系的發展對建筑形式的形成又起到關鍵作用。這種相輔相成的關系促使當代建筑設計思潮呈現出傳統“堅固、實用、美觀”基礎之上的百花齊放狀態——亦或是經濟高效亦或是綠色節能。正如日本結構大師坪井善勝所言：“結構的美在合理的近旁”，當代建筑師把握好時代給予的機會，與結構師緊密合作、協同設計，將會誕生更多為人們所銘記的作品。