大跨建筑是技术要求最高、影响范围最广、多学科综合性最强的建筑类别。在古代，科学知识以哲学的形式而整体存在，手工业时期的艺术、建筑、结构、技术、材料、数学、装饰等方面的内容都由一人或几人来共同负责，当时的建筑师即一个系统化的设计工厂，外界的信息经由他内在系统化的思考最终形成整体化的建筑作品得以建造；而后，随着人类对世界条分缕析地深入认识，近代科学开始了学科的分化，从而促进了职业的分化，出现了建筑师、结构工程师、设备工程师、项目预算师等，每一学科都得到飞速、深入的发展，却常常造成支离、脱节的现象，多专业的配合度成为了衡量建筑作品优秀与否的指征；随着这些问题的不断发展，长期分化的独立学科的综合整合已经在当下的建筑业内呼之欲出，直至复杂性科学和数字技术的渗入，传统分散的各个环节可以被整合在一个完整的系统之中，综合性地从理论、方法和工具层面解决大跨建筑创作中极其复杂的问题，就此，大跨建筑的技术与艺术实现了又一次高度完美的融合。

一、“复杂”的表象与“整合”的逻辑

大跨建筑是将建筑表现力与技术制约性这对矛盾高度融合的综合体。在众多技术中，结构创新无疑是主导大跨建筑创作的最为重要的一环，空间、形象以及生态界面等设计目标皆以结构形态为物质载体，以结构的布置方式作为整个建筑系统建构方式的基点，所以在大跨建筑中，结构是整个建筑系统彼此支持和协调的基础。基于强大的数字技术的发展，建筑形态获得前所未有的自由度，甚至结构形态也可以一定程度地挣脱传统结构受力体系的束缚。但是，如若所谓奇观造型一旦缺失技术逻辑，就暴露出其内部结构的混乱与尴尬，所以，其自由“复杂”的结构形态背后必然存在着逻辑更加严谨的技术“整合”。正如法国建筑理论家维奥莱· 勒· 杜克（Eugène Emmanuel Viollet-le-Duc）19世纪50年代在其著作《建筑谈话录》（Entretiens sur l'architecture）中提出结构理性主义，主张建立一种以逻辑、气候、经济以及精巧的工艺生产和实用要求为基础的、作为建造艺术的建筑学思想。

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“复杂”的结构体系——“整合”的基点

从表面上来看，自由的结构形态似乎可以脱离现实世界的束缚，但事实上，复杂的结构形态绝非能够脱离结构逻辑而存在，更不会是违反结构逻辑的。无论是何种美学下呈现出何种形式的大跨建筑结构体系，首先都应该是符合世界先进的空间结构要求、具有科技含量的结构体系。王仕统在《大跨度空间钢结构的概念设计与结构哲学》一文中总结，张拉整体体系（连续拉、间断压）、膜结构、开合结构、折叠结构和玻璃结构等是世界大跨度空间结构的发展方向；陆赐麟先生在《近年我国钢结构工程设计与实践中的问题与思考》中提到，“大型建筑结构向轻型化发展——围护材料轻型化、高强化，承重结构空间化、张力化，制造加工自动化、流水化，施工安装集成化、整体化”。这些资料表明了大跨建筑最明晰、最基本的发展方向，包括表皮、结构、加工与建造等类别的要求，不可本末倒置，那些为追求新奇特而应用效率低、成本高的结构体系无疑是逆向而驰。

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“复杂”的理论平台——“整合”的概念

在人们对技术信息的不断熟悉以及对大众传媒的操作控制日益增强的今天，形式魅力和感染力的泛滥显然更加难以控制，所以对整个建筑系统进行概念上的清晰辨析和智慧决策是极其重要的。大跨建筑复杂结构形态，是以复杂性科学为理论支撑、以数字技术为技术支撑，具有整体性、综合性的概念，是混沌外显与有序本质的统一。复杂结构形态中的“形”为形式（form），是外显结果，分解为几何、材料和构型三个层面；“态”为性能（performance），是内部逻辑，分解为技术性能、空间性能与美学性能三个层面；“形”表现为趋向自由、连续、流动、动态、随机、瞬时、不规则、不对称，是建筑设计最大程度地表现其内部逻辑“态”的结果，亦是物质载体。建筑师可通过几何、材料和构型这三者的设计与创新来实现建筑空间性能、技术性能与美学性能最综合、最优化的有机形态。

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“复杂”的技术支撑——“整合”的实现

整合的实现需要强大而复杂的数字技术作为支撑，数字化工具是以数字信息为核心的集成技术，将现实中的现象转化为计算机共通的数据语言，进行运算、输出等工作。以信息数据为基础的建筑信息模型（building information modeling）具有可视化、协调性、模拟性及优化性的特点，可以实现大跨建筑形态的有机性，将功能、生态、美学有机地融于大跨建筑结构形态这一物质实体中，使设计、加工与建造协同工作，达成建筑发展的高效率与高性能化。这种集成设计是一种多专业配合的设计方法，它把看上去与传统建筑设计毫无关系的方面集合到一起以实现共同的利益，最终目的是以较低的成本获得高性能和多方面的效益。其可以控制的内容是非常具体的，包括建筑的空间、流线、结构、采光、采暖、通风、声景、视线、景观等各个方面，并最终控制建筑的形式，贯穿从建筑朝向与布局、建筑整体形态的把握，到中间层次的结构、表皮、设备布置，再到更为具体的门窗布局及开启方式、建造节点设计等全过程。

二、形象、结构、空间的契合

从建筑本原来看，结构是物质层面的，是创造大跨度空间及塑造大跨建筑形象的物质载体。自由流动的结构形态应是建筑形象与内部空间一体化的综合表达，避免为片面追求建筑外部形象而不顾及内部空间的功用效率，更不可违背结构的真实与效率，三者应是统一而丰富的。

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结构与形象

对于大跨建筑来说，结构技术是影响建筑形象的最主要因素。苏格兰爱丁堡大学建筑学教授Angus J. Macdonald认为，“当实现跨度技术因素突出到足以作用于建筑的美学讨论范畴之内的情况下就可以认为其为大跨建筑，”同时，也强调了大跨建筑中结构与形象一分为二的统一关系。随着建筑美学的更迭，建筑师追求突破经典几何的自由建筑形态，可以通过合理的结构布置与几何调度，创造有机的建筑形象，展示复杂结构形态的艺术魅力。

将此设计理念运用得最为纯熟的当属著名结构工程师塞西尔·巴尔蒙德（Cecil Balmond）及其团队ARUP公司。巴尔蒙德开启了数字技术下结构异规的新时代，颠覆了传统结构的表达方式，实现了更丰富的结构形态，推动了非线性大跨建筑的发展。巴尔蒙德与众多先锋建筑师合作建成了很多优秀建筑作品，如ARUP公司与日本建筑师坂茂（Shigeru Ban）合作设计的法国蓬皮杜-梅斯中心（Centre Pompidou-Metz）（2010年建成），屋顶描摹中国草帽的意象，整个屋顶由6层叠层木材（Laminated timber）从三个方向纵横交错编织而成，形成大小变化的蜂窝式网格，仅需由屋顶向地面延伸出的4条编织柱便足以支撑5 000 m2的空间。再如与伊东丰雄（Toyo Ito）合作设计的实验性建筑2002年蛇形画廊展亭（Serpentine Gallery Pavilion 2002），结构由正方形旋转剪切算法生成貌似随机的建筑形态，结构相交线形成的不同的三角形、梯形上覆盖着玻璃或钢两种材质，看似随意，实则是建筑内部与外部使用者视线设计的物化。

 蓬皮杜-梅斯中心、 2002年蛇形画廊展亭

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结构与空间

大跨建筑的存在源于人类对可提供公众集会的大空间的需求，老子曰：“埏埴以为器，当其无，有器之用； 凿户牖以为室，当其无，有室之用； 故有之以为利，无之以用。”大跨建筑的屋盖所覆盖的空间十分巨大，涵盖的功能多样，且各个功能对空间体量与形态有各自的需求，如果设计得当，复杂的结构形态可以更好地满足这种需求差异。

体育建筑的座席区是空间性能要求最高的区域，融合了座席数、观众视线设计、交通疏散、遮阳通风等技术要求十分复杂。考克斯建筑事务所（Cox Architects）设计的墨尔本矩形体育场（Melbourne Rectangular Stadium）（2010年建成，3万座），利用复杂形态的屋盖实现了结构与空间的完美契合，其灵感来源于布克敏斯特· 富勒（Buckminster Fuller）的网格球顶，由水泡形的仿生球状网壳构成的屋盖与矩形座席空间科学吻合： 一方面，屋盖结构精巧，较一般的悬臂结构节省了50%的钢材； 另一方面，独特的悬臂设计能够为下面的座席提供绝佳视野。

三、表皮、结构、设备的共生

克里斯汀· 史蒂西（Christian Schittich）在其著作《建筑表皮》中提出建筑是由承重结构、技术设备、空间顺序和建筑表皮四个部分组成。其中，承重结构、技术设备和建筑表皮均属实体范畴，而这三者的共生所创造的生态价值、科技价值与美学价值决定了复杂结构形态未来的发展方向。从建造逻辑上来看，表皮、结构与设备应由统一、多层级的网格进行控制，以结构布置方式为主要控制网格，并兼顾表皮与设备的布置方式，由此具有不同技术功能层共同叠加成统一有机的整体，将建筑美学表达与生态控制融为一体。

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结构与表皮

随着技术的发展，大跨建筑结构体系已转向轻型化，结构形态由厚重转为轻巧，由强化凸显转为弱化消隐，逐渐形成结构表皮化与表皮结构化的审美倾向。大跨建筑的表皮成为其传达信息的重要媒介，有时表达地域文脉，有时传播商业文化，有时传达结构肌理，在大跨建筑创作中具有特别重要的意义。另一方面，得益于新型建筑表皮材料的开发与应用，如具有多种性能的玻璃、膜材，表皮可以成为结构，或者可以成为影响结构形态设计的最重要的因素，同时在太阳光引入方面具有极强的生态意义。

由马希米亚诺· 福克萨斯（Massimiliano Fuksas）设计的法国斯特拉斯堡天顶音乐厅（Zenith Strasbourg）（2008年建成，1.2万座）仿佛一个橙色发光体，其外部几何形状是由两个椭圆形折叠旋转而成，旋转并置的钢骨架外包裹着由有机硅胶混合玻璃纤维制成的橙色金属表皮，半透明材质的表皮白天是不透明的，夜晚在灯光的投射下几乎完全透明，像是一盏魔幻的灯。冯·格康、玛格及合伙人建筑师事务所（gmp）设计的2011年深圳世界大学生运动会体育中心（2011 年建成，一场两馆），其中体育场屋面结构（长310 m，宽290 m）由伸出的长65 m的悬臂和以三角面为基本单位的单层空间折板网架钢结构构成，形态如钻石般闪耀。

2012年伦敦奥运会水上运动中心 、 2011年深圳世界大学生运动会体育中心

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结构与设备

大跨建筑由于尺度巨大，占据大量的社会和自然资源，因此设计愈发关注自身的生态价值。在传统大跨建筑设计中，通常将节能设备作为辅助设施被动地弥补物理舒适度的不足，却又造成巨大的能源负荷。在非线性大跨建筑的设计中，自由的结构形态与表皮、设备一体化形成生态界面，智能化地主动应对空间舒适性需求（风、光、热等），提高结构与表皮的物理性能，降低整体的能耗。

英国尼古拉斯· 格雷姆肖（Nicholas Grimshaw）设计的位于英国康沃尔郡的伊甸园项目是较早的大规模生态穹顶，在双层圆球网壳结构中安装有可开启窗、换气设备等设施，以维持穹顶内部空间适宜植物生长的温度与湿度。蓝天组[Coop Himmelb(l)au]在西班牙萨拉戈萨足球场方案设计（2008 年）

萨拉戈萨足球场方案

中在结构层之上沿水平方向布置金属百叶控制自然空气的渗透流通，适当覆盖的半透明织物在引入阳光的同时还能起到遮阴挡雨的作用，以期为座席区、通道区以及运动场地及草地提供舒适的气候条件，减少照明、空调及制冷等设备能耗。福斯特及合伙人事务所（Foster + Partners）设计的柏林自由大学文献学图书馆（The Philological Library of the Free University of Berlin）（2005年建成），4 层的阅读空间被一个完整的、像素化的生态穹顶所覆盖，结构内外双层表皮间的空腔形成可以输送新鲜空气和废气的运输管道。这里全年有近60% 的时间实现自然通风，运营费用与一般的全空调图书馆平均值相比降低35%，总成本与同期建造的德国其他大学图书馆的平均值相比低10%。

柏林自由大学文献学图书馆剖面

四、设计、加工、建造的协同

复杂结构形态的实现得益于数字技术在建筑领域的迅速发展和应用，三维、动态、无缝的数字设计、加工与建造的产业链是直接作用于复杂结构形态的核心技术。纵观建筑历史，设计方法工具、建造工具、建造流程与逻辑，无不深刻地影响着建筑范式的革命，而现在，数字化技术正以前所未有的速度使建筑行业发生巨大的转型。数字化工具实现了建筑信息在各个环节中的有效输入和输出，实时共享设计成果，并具有极高的可控性和精确度。于是，从复杂形态表达到建设项目全过程，再到全生命周期管理的各个环节都得到协同控制，相关专业工种之间传统的线性设计过程转变为一种网络化的交互过程，大大提高了复杂形体的设计及建造效率，同时也拥有了更高的质量与完成度。

凤凰传媒中心是我国较早将尖端的数字信息技术手段运用在管理、设计、建造全过程的作品。第一，该项目以CATIA作为数字技术平台建造1:1 足尺比例的虚拟化建筑元件。以“莫比乌斯曲面”作为整个几何控制系统构建的基石，外壳钢结构几何控制系统构建是在基础控制面之上，依靠数字技术生成两组三维的“基础控制线”（包括控制外壳钢结构梁的主控制线和次控制线），这两组NURBS样条曲线与未来外壳钢结构梁的生成具有严格的衍生关系，是构建外壳钢结构系统的重要参照。第二，以BIM平台实施“三维协同”的数字化的全新工作模式。在三维协同状态下，建筑师、结构工程师、机电工程师可以基于同一个全信息建筑模型完成设计成果的交流与传递。

凤凰传媒中心

NBBJ 建筑公司与CCDI 悉地国际合作设计的杭州奥林匹克运动中心（预计2015年完工，8万座体育场、1万座网球场），造型源自钱塘江沿岸的冠状植被“白莲花”，花瓣般的钢结构屋盖形态轻盈柔美。设计师采用了参数化程序和建筑信息模型技术开发和优化3D钢结构模型，在调节整体形态的过程中及时对整体结构性能进行计算，并对形态控制进行反馈，协同控制表皮几何形态及结构构件布置。

　杭州奥林匹克运动中心

结语

面对新的自由时，重新定义真正的需求，才不会陷入到自由的危险之中。数字技术带给大跨建筑创作的绝不仅仅是形式上的自由，而是从理论、方法和工具层面解决了大跨建筑创作的极其复杂的问题，将传统分散的各个环节整合在一个完整的系统之中，实现有机、生态、高效、高质且具有复杂形态的大跨建筑作品。复杂结构形态代表着大跨建筑正转向科技化、系统化、精致化的建筑图景。在这里，技术与艺术在数字技术支撑下走向了历史上最为完美的融合。

知识点：大跨建筑复杂结构形态的创作逻辑

浅谈大跨建筑的结构形式