结构表达的要素极限

来源：iStructure（ID：iStructure2017）

作者：胡实（建筑）彭超（结构）

2019年，小i 和几位建筑师同事针对“结构表达的关键要素”这一主题，做了一个系列的调研和对谈。本文是继"简洁 (Concise)"、“秩序 (Order/Sequence)”、“异规（Informal）”之后的第四篇——极限（Ultimate）。

极限（Ultimate）

01 如何理解“极限的结构”

从远古时代，人们只能用茅草搭建不足1 0平方米的简陋房屋，到今天可以建设高至1000m的摩天巨塔，人类的建筑历史就是一步步突破极限的过程。 而这一突破极限的过程，与其说是建筑技术不断进步的过程，倒不如说是人们一次次打破固有思维的过程，而这一过程也在不断的挑战着建筑给人们感官上的刺激，他们或是结构杆件相互搭接时，四两拨千斤的巧妙、或是巨型结构构件的张力带给人的震撼。

高线公园

Vessel 观光台

高线公园作为旧遗址改造，需要保留原有轨道高架的基础上给城市提供最大程度的公共空间，因此保证原有结构的完整性及安全性是这个项目的关键。但Vessel观光台作为高线公园游览线路上最重要的城市标志，要给人们带来足够的震撼感，这时便是突破极限的好时机。

02 如何获得“极限的观感”

材质的反差

布拉加市政球场

布拉加市政球场坐落于卡斯特罗的山坡上，与周边宁静幽美的自然景观不同，以素混凝土为材料的看台倾斜着拔地而起，充满着粗野主义的力量和张力。而看台上的楼梯顺应其倾斜的走势，从高大的混凝土片墙上水平生长出来，仿佛混凝土都失去了重量。最为惊人的是两侧看台由天幕覆盖，悬索贯穿整个球场，形成一道道优雅平缓的弧线。刚与柔、力量与灵动都完美的结合于这座球场。

布拉加市政球场

混凝土作为“极重”的材料观感，在这个体育场中被打破，看台采用片状的混凝土构件形成主结构以及楼梯等构件。内部通过柱头的铰接支座托起斜向看台，有种举重若轻的感官。

布拉加市政球场

作为“极”轻的代表，顶棚拉索的出现与混凝土形成鲜明的对比，或者说更加强化了斜向混凝土看台的律动。像是一台织布机，在极具冲击力的景观中体现出十足的肌肉感和不朽的风貌。

布拉加市政球场

宇土市立网津小学面环山，面向海湾并坐落于迷人的农村平原。通过有效地利用场地，学校为孩子的自由学习提供了一个宽敞的环境，低矮的建筑体量提供了开阔的视野，薄而连续的屋顶与周围环境保持协调。

宇土市立网津小学

通过拱顶以及其下支撑柱的错位，实现采光通风，并且创造了连续绵延的空间——虽然每个筒拱拱顶覆盖8米跨度的单一空间，但各个筒拱彼此交叉后形成了连续的关联，以此创造了建筑的空间自由。值得一提的是，这个8m的拱跨，连保温层一起只有130mm厚度，所以异常的轻盈。

形体的反差

丝带教堂Ribbon Chapel位于广岛县尾道市Bella Vista Soa and Marina度假酒店的花园内。场地位于半山腰上，可以观赏到濑户内海全景。

丝带教堂

第一眼看上去，似乎不大容易直观的看出结构是如何成立的。仅能看到内圈的细柱，造成其撑起了整个结构的错觉。

丝带教堂

实际上，100mm的立柱设置在内圈坡道螺旋，仅抵抗竖向荷载；内外圈坡道螺旋在相同标高的交接处设置连接，相互支撑，这样形成了一个三维的侧向支撑体系来抵抗竖向及水平荷载。

丝带教堂

从而结合建筑功能与流线完美的将结构藏于其中，同时在坡道中设置TMD保证了行走的舒适度，以及采用隔震技术最大程度的减小地震力，种种技术上的措施以及结构的消隐实现了整个建筑的精美表达。

在大型公建中，一般会采用高效的空间结构以及有力的构件去实现跨越，但有时形体的反差可以带来别样的效果。在波尔多体育馆中，体育馆纯粹且清晰的几何形体激发出了纪念性的且优雅的感觉。让人经不住想去与经典的庙宇进行对比，但却不会有庙宇那种肃穆，巨大的楼梯模糊了室内与室外的界限。楼梯旁数不尽的柱子伴随着进出体育馆的游客。楼梯与柱子的融合共同形成了开放与欢迎的姿态。

波尔多体育馆

通过加密柱子布置，减轻每根柱子所分担的轴压力，进而获得长细比较大的柱子，通过柱子围合出有趣的空间，与庞大的体育馆形态形成鲜明的反差。

同样悬挑结构先天上会给人一种心理上不稳定的观感，长悬挑结构更能让人第一眼看上去“有违力学原理”。釜山电影中心，位于釜山市一处沿海的新开发的区域，这里沿袭着典型亚洲式的大规模开发模式,同时其也是目前世界上最大的悬挑结构。

釜山电影中心

这个悬挑结构从尽端到支撑点的距离有85m，同时也并非一种简单的直线形态——悬臂的下表面崎岖不平，这也对整个桁架的不同截面提出了不同的形态要求。在另一个尽端增加的拉杆，使整个屋顶的形变减少了15%。　虽然建筑方案原本没有这个杆件，但由于作用明显，而且本身尺度相对来说也比较纤细，不会对建成效果造成太大的影响，因而得以采用。

釜山电影中心增加拉杆方案

中间“喇叭花“钢筒通过参数化建模，来模拟其形态和受力状况的关系。根据结果，对这个体块进行调整，向前端倾斜，一方面减少悬挑长度，另一方面顺应其压力传递方向，平滑过渡，有效的降低了形变。

前倾喇叭花方案

双曲螺旋体量在受力上存在一些弱点。在细腰处螺旋结构在向内凹的区域会受到向内挤压，而在外侧会受到过多的拉力。由于拉力和压力较大，在弹性模量，也就是材料本身特性不发生改变的情况下，结构工程师已经不可能通过扩大截面来解决问题了。

喇叭花受力较大区域

这时，结构师不得不回到方案最初的阶段，了解建筑师当时要坚持的是什么，结果发现在方案阶段，螺旋体量的底部原本并非透明，而是一个实体。

初始方案下端实体

因此决定在受力最大的部分采用钢筋混凝土的压力环。在压力环的下面也不再用钢网架，而是采用片状混凝土结构。通过这一措施，该体量的形变减少了25%。

下端钢筒替换为混凝土结构

交接处拉力与压力环

最终实现效果

屋顶空间桁架与双曲圆锥两种不同结构单元的交接处，由于也同时承受着巨大的压力和拉力，因此分别增加了上部的拉力环和下部的压力环。最终建筑也实现了当初设想的效果，视觉观感十分极限。

超尺度的构件

东京国际会议中心是日本首个被国际建筑师大会(UIA)认证的综合文化设施设计。建筑包括4栋兼有会议\展览\剧院\商业功能的方形综合楼、1个平面呈梭形的玻璃大厅和会议楼、地下展览大厅和车库等，建筑的连廊、幕墙、屋面等设计也颇具特色，是日本最大胆和富有想象力的建筑结构之一。

东京国际会议中心

屋顶结构为梭形平面，全长约207m，平面最宽处32m。底面设计成像船底的悬链形，最厚处高度12.5m。屋顶结构由横向纵向两种结构组合而成。 通过巨构形成屋顶主结构。

东京国际会议中心

最吸引眼球的当属中间的巨柱，跨度为124m，屋盖再从柱子向两端再各悬挑45m。大柱子为双层钢管制作，并内灌混凝土，同时将雨水立管和电气管线也藏在其中。与其它构件连接处的作用力巨大，均采用了大型铸钢件。巨形柱在+27.5米标高截面最大，上下两端线性收缩。巨柱柱脚设计为铰接，只承受轴向力，柱子截面最小。在防火方面，巨形柱+32.5米标高以下都采用了FR耐火钢。

东京国际会议中心

日本HOKI美术馆，乍一看长廊悬挑极大，而且从边上开的槽来看，也不是一个箱型的截面。那这个悬挑是什么原理呢？

日本HOKI美术馆

美术馆悬挑的长廊的确不是外圈完整的箱形截面，但仔细看，有块腹板设置在长廊中间，正好可以用来分隔空间并引导流线，参观者沿着长廊走到悬挑端头，掉头往回走。

隐藏的腹板

而这块腹板在外面是看不见的。所以悬挑的奥秘就在于这块腹板和一边的钢板组成的隐藏的超尺度的“箱型截面”。也正是悬挑结构腹板的“隐藏”，使得HOKI美术馆长廊的悬挑产生了更大的震撼。

极限观感的悬挑

3 建筑与结构的对谈

建筑师 A：胡实        结构师 S：彭超

A ：追求极限的建筑就如同“走钢丝”。在百米高空，手中拿着长长的平衡杆，双脚交叉，踩在仅有直径不到10cm的钢丝上 —— 走钢丝一直被认为最具技巧与耐心的极限运动，人们惊叹于这项运动带来的视觉震撼、也会惊叹于运动员优秀的平衡能力。但不要忘了让运动员可以走过钢索的不仅仅是技巧和胆识，还有他手上的平衡杆。最初看到走钢丝这项运动时，人们都会多少有些不解，附带着那么长那么重的一根杆子岂不是增加了难度，但仔细想来，当我们想要达到身体平衡时，往往就会张开双臂进行调节，而平衡杆就是一个更加敏锐的调节器。

S ：高度的极限，跨度的极限一直是工程师与侧向力、重力抗争的两个维度，“极限”或许是在大空间中的举重若轻；亦或者是小空间中的消隐漂浮，大多将重要的结构巧妙的藏起来，让人一下子看不透结构的奥秘。我们常说艺高人胆大，胆大的前提是艺高，于正确的力学假定、合理的分析模型以及对计算结果准确的概念判断，同时结构师需要充分了解建筑师最在意的突破是什么，哪些是可以妥协的。

A ：但一位走钢丝运动员除了有平衡杆外，最重要的是他要有勇气挑战这项极限运动。就如同如果想要做出突破极限的设计，首先要有突破极限的思想和勇气，不要被现有的规矩和常识束缚

S ：勇气值得鼓励，但是例如釜山电影中心这样的建筑，对于建筑师来说，他可能就是单纯的要一个不可思议的标志性的悬挑结构，看上去有违力学原理。但这意味着结构工程师需要投入大量的精力与重力及地震力做抗震。这种看上去的“轻盈”是建立在消耗大量建材的基础上的，是通过“沉重”表现出来的。这个项目的结 构工程师提出这样的疑问，建筑师的这个方案构想真的合理吗？为什么需要用如此巨大繁琐、难度极高、消耗大量材料的结构来实现它？这对于一个电 影中心真的合适吗？在当今的时代和社会背景下，做这样的设计是否符合能耗的需求，对社区定位的需求？结构工程师应该在多大程度上对方案的效果进行支持，又如何找到合理的定位？少柱子带来的极限是否也会让建筑师产生惰性？合理的放置柱子一样会带来极限的体验？ 这些问题的探讨可能超出了建筑设计和结构设计本身的范畴。

 

4 相关案例介绍

大英博物馆中庭 British Museum Great Court (2000)

建筑师： Foster and Partners             结构师： Buro Happold Consulting Engineers

密尔瓦基美术馆MILWAUKEE ART MUSEUM（2001）

建筑师： Santiago Calatrava SA

GuilleminsTGV Railway Station

建筑师： Santiago Calatrava SA          结构师： Bureau d'études Greisch

 

丝带教堂RibbonChapel（2013）

建筑师： Hiroshi Nakamura & NAP   结构师： Ove Arup & Partners

 

波尔多法院BordeauxLaw Courts（1998）

建筑师： Richard Rogers Partnership             结构师： Ove Arup & Partners

乔布斯 剧院SteveJobs Theater (2017)

建筑师： Foster and Partners             结构师：EckersleyO'Callaghan & Arup

5 设计要点小结

有句话说的好“好的结构都是在规范的边缘试探”。而无论是更大跨度的梁、更高尺度的柱、更厚重的材料都有其突破极限的可能性。虽然我们前面从材料、形态、尺度三个层面讨论了如何突破“极限”，但最重要的还是要突破对事物固有的判断——混凝土可上天、螺旋结构也可以稳定、细杆也可以撑起整个体育馆。只有从最根本的结构体系或样式有所突破，才能给建筑空间带来更大的突破。