结构材料的错位

01非钢莫属——木网架的挑战

▲ 小国町民体育馆

日本于1985年，通过试验和计算，首次出台了将木材作为结构材料的法案。1988年，小国町民体育馆拔地而起，跨度66mX50m，为原木（雪松）拱形网架结构，网架主要支撑在三边的混凝土结构上，入口侧为空腹钢桁架，通过小尺度的构件格构而成主要结构，属于典型的出道及巅峰。

▲ 小国町民体育 馆入口幕墙

▲ 小国町民体育 馆室内看台

网架的节点为螺栓球，与木结构连接也是常见的钢插板，对应于螺栓作用位置，应力较为集中，大家都知道，木材的顺纹方向抗拉压能力很强，横纹方向力学性能较弱。结构师松井源吾通过试验研究在对应螺栓位置加压注入环氧树脂有效的控制了横纹受拉后的下陷及受压后的上凸。

▲木材横纹性能

 

▲节点螺栓处注入环氧树脂

▲螺栓球节点

因为采用的是原木，所以后期的干缩开裂尤其需要重视，小国町民体育馆每隔3年进行一次开裂、腐朽和变形的监测。由于设计时对安全度的把控，修补的工作还是较少的。

▲ 小国町民体育 馆 夜景

之所以采用木网架，取材于本地，室内温暖的观感自然不必多说，加之高大空间的防火要求可以放宽，建筑策略上是合适的；结构层面，网架节点铰接的形式天然匹配木结构节点的固有属性，只承受轴力的木杆也是高效的；政策层面，由于之前的限制，木结构在大型建筑建造中的空白期持续了20多年，85年法令颁布之后，原本被钢结构制霸的大跨建筑中多了一丝木结构的可能性，小国町民体育馆就是第一个日本85后原木构大跨建筑。

 

02预制混凝土的钢构性格

钢结构的天生预制性以及弯曲性让其作为线性/非线性空间的王者，混凝土的现浇流塑性以及免维护性让其体块的质感孤独求败。而预制混凝土的出现，让“乐高混凝土”的可能性发光发热，相较于预制+节点后浇，预制+预应力技术让混凝土的拼装逻辑变得好玩有趣。

▲马德里水文研究中心

西班牙建筑师 Miguel Fisac （1913–2006）设计的马德里水文研究中心的屋面采用预制的混凝土空心单元组装而成，跨度约22m，每个构件约1m宽2m高，通过后张法施加预应力，像糖葫芦串成整体简支梁。

▲预应力筋布置

▲体块模板

▲静载试验

之所以拆分为很多标准的预制小段，是因为当时没有输运以及整体吊装大吨位构件的条件。

▲体块吊装

空心的截面有效的提高了材料的利用率，构件主要分成跨中，支座以及悬挑三种类型，预应力筋的布置也是顺应简支梁弯矩的趋势，截面上部在所有工况下均受压，所以只要相互贴合便可传递压力，无需纵向钢筋。

▲截面类型

▲有序的构件

意大利建筑师 Angelo Mangiarotti 设计的巴兰扎特玻璃教堂也是分块预制混凝土构造。

▲玻璃教堂

截面成X形，上侧受压区形成封闭的空腔，方便屋面板搁置也保证了压区的侧向稳定，屋面板也是菱格纹，保证了屋面整体的水平刚度。

▲X梁

柱头处依据受力需求做成实体，更加凸显中部X的纤薄，收分关系简洁合理。

▲梁柱节点

 

▲剖面与细部

在这个教堂中，高效的结构、屋面排水构造、幕墙、装饰以及氛围的营造有机的整合，简洁明快，以上两个案例的通过预制与预应力的结合，让混凝土的建造充满乐趣。

 

位于日本茨城县北部五浦县的 五浦美术馆 (1997),是一个占地6000m左右的中等规模美术馆。由于现浇混凝 土 赶不上很短的工期要求,而靠近海边也不适合采用钢结构，虽然设计和准备工作非常辛苦,但工厂大量预制好了运到现场组装就能完成建造，大大缩短了工期。 从剖面可以看出为桁架结构,某种程度上说，这是将预制混凝土当作钢结构来使用。

▲五浦美术馆

▲体系图解

最终，美术馆使用了多达1200个小构件。为此,调动了从北海道到关东地区五个预制工厂一起生产,最后用船运到离现场最近的港口。最大的构件长达24m，最小的下弦材梁截面只有40cm X 30cm,与钢结构构件相当，精心设计的节点拼缝展现了外露的结构美感。

▲混凝土桁架根部节点

▲混凝土 桁架跨中节点

03混凝土的木构魅影

丹下健三的一系列公共建筑尤其是厅舍建筑可以看到来自柯布西耶的现代主义影响和日本传统的碰撞，因此呈现了日本文脉下特有的钢筋混凝土建筑。 日本传统建筑的发展过程有两条源流： 一是始于绳文时代的竖穴式建筑，体现了人民大众的生命力； 一是始于弥生时代的高床式建筑，代表作是“桂离宫”等贵族建筑。

▲民居建筑

▲桂离宫

从广岛和平纪念中心到香川县厅舍的混凝土表达，可以看到丹下对于日本传统建筑的理解从弥生到绳文的转变。在 广岛的和平纪念中心 ，柯布的要素被融合进建筑，立面上的预制混凝土遮阳百叶设计来自拉图莱特修道院,一层的半室外架空层设计来自马赛公寓，这些要素同时也可以理解为 桂离宫似的弥生传统（开放性、纯粹美学与白色）或日本传统町屋的直棱窗在现代建筑中的再现 。

  ▲和平纪念中心

▲香川县厅舍

在香川县厅舍中,传统木结构建筑的美再次通过钢筋混凝土表现出来, 钢筋混凝土梁做成类似木结构的样子,带有绳文时期（民居、土间与日常）的木结构性格。

▲外露结构梁

外立面上可以看见，框架挑梁一分二，每个断面为300mmx600mm，中间次梁断面为114mmx600mm，形成木结构搭接的造型，唤起日本传统的美感。 混凝土的可塑性,可以让它得以像变色龙般表现出不同材料的性格。

一楼大堂局部用了密肋梁，框架梁中部开槽，可能是想整体看上去和边上的梁尺度相近，从而不会显得框架梁太笨重。

▲混凝土细节

 

04仿木构的铸铁桥建造

伊尔福德桥（1779)位于英国西部的史罗普郡,最初是一座石桥,由于沿河有好几家小型炼铁厂,所以最后用铁建造了该桥，这是最早的铸铁桥。

▲伊尔福德桥

当时还未掌握铁件之间的连接方法，所以采用了类似木材的连接方式，拱梁单侧开梯形槽,两个拱梁之间用一个酷似麻花的构件嵌入固定，这种原始方法虽然“技术稚拙”，却是一座朴素优美的桥,其姿态反映出当时人们对拱券和石材的依恋及挑战铸铁这种新材料的精神,在设计上带有令人愉悦的张力。

▲木贯式节点

以此为开端,技术的进步是飞速的,人们迅速积累了钢铁相关的知识经验。然而，在理解钢结构特性之前，木构形式和钢材特性的错位所带来的“误用”，赋予该时期很多铸铁桥特有的古朴优美的性格。

 

05一点思考

以上设计案例依托材料的替换、构件设计、建造方式以及技术迭代，挖掘了材料的各种可能性，用钢结构的模式去设计木结构，用木结构传统的方式去设计混凝土，用钢结构的方式去布置预制混凝土等等……这些材料用截然不同的结构姿态来展示自己，让观者甚至能捕捉到设计师的幽默感，不禁会心一笑。虽然这些案例看起来材料是错位的，但是他们的结构完成的相对合理高效，可以说是巧妙异化了材料的固有认知。

▲BCE商业城（左）圣家族大教堂（右）

但是，若仅仅是套用另一种材料的结构形式进行生硬的替换，效果则不大理想。建筑师内藤广曾这样评价卡拉特拉瓦的BCE商业城项目，“ 我认为钢铁自有适合钢铁材料的造型,他的设计（后期）多多少少让人感觉是想通过结构来创造惊人效果,所以我并不是很喜欢,我问结构大师川口卫先生对现在的结构工程发展状况怎么看,他说，‘我现在被称为善后工程师’。就是说本来简单就能解决的问题非要绕着弯地复杂化而变成难题,结构师却不得不做出回应,我也有同感啊。”

  ▲KAIT PLAZA

联想到最近饱受争议的石上纯也的悬垂的钢板，超尺度的钢板构成的无柱空间，给钢板带来了一丝膜结构的性格。刨去合理性，建筑师的私心不说，可以说是探索“材料的极致可能”的尝试，小i 觉得在校园教学层面，这种探索对于学生没有束缚的放飞设计是有启发的，然而在实际建造中，结构师究竟是无条件的技术善后还是基于合理近旁的配合值得成为另一个讨论的话题。

参考文献：

1)内藤广. 结构设计讲义. 清华大学出版社, 2018.

2)马国馨. 丹下健三[M]. 中国建筑工业出版社, 1989.

3)日本建筑构造技术者协会, 滕征本. 日本结构技术典型实例100选[M]. 中国建筑工业出版社, 2005.

4)渡边邦夫. 结构设计的新理念·新方法[M]. 中国建筑工业出版社, 2008.

5)John Chilton BSc  PhD  C.Eng  MICE - Space Grid Structures-Architectural Press (2000)

6)AV.Monografias101(2003)

7)LOS HUESOS DE FISAC LA BUSQUEDA DE LA PIEZA IDEAL