历史建筑修复与改造中钢结构的应用

近年来，钢结构在历史建筑修复与改造领域中的应用越来越多。本文从钢结构介入历史建筑的方式展开，通过列举多个建筑案例说明钢结构作为加固结构、附加结构和新建筑结构介入历史建筑的方式，并以此为基础，探讨钢结构介入历史建筑的现实意义。

钢结构是由钢材构件组成的结构，是主要的建筑结构类型之一。各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接，因其强度高、自重轻、施工简单等优点广泛应用于跨度大、高耸、承载重的结构。近年来，除了频繁现身超高层、桥梁、大型厂房等一些传统钢结构应用领域，历史建筑修复与改造领域中也出现了钢结构的身影。

◆ 加固结构

钢结构常作为保护改造中的加固结构，用来加强原有结构的稳定性。在西班牙Garcimu?oz古堡（图1、图2）的修复改造项目中，建筑师一方面利用钢结构对城堡退化的结构进行整体加固，便于建筑后续的维护和保养；另一方面巧妙地运用钢结构本身的特性将人迹罕至的建筑遗址改造为现代感十足的公共场所，弥补了当地在文化设施方面的缺失。由于当地法律法规的限制，这个项目设计必须作为一个临时建筑，保留在未来被改造或替代的可能性，拆卸方便并可重复利用，对历史建筑破坏较小的钢结构自然成为了建筑师的首选，同时多变的钢结构也更能适应古堡的各种结构缺陷。

图1 Garcimu?oz古堡外部视角

图2 Garcimu?oz古堡内部空间

而在台湾彰化县地方产业交流中心及谷仓博物馆的改造设计中，建筑师通过介入一个新的钢结构系统，整合了3栋独立的建筑，连成一个整体作为产业交流中心（图3~5）。钢结构代替了原来旧建筑的屋瓦和灰泥墙面，在加固结构的同时清楚地展现出屋顶的木结构和砖墙的细部构造。它同时也可以被看作一个巨大的屋顶，将历史建筑内部和建筑之间的空地整合成一个宽敞的室内空间。行走其中，人既能看到优美轻盈的钢结构骨架，又能看到老建筑朴实无华的细部构造，新与旧的碰撞寓于其中。

图3 产业交流中心外景

图4 产业交流中心室内屋顶空桥

图5 产业交流中心纵剖面

◆ 附加结构

“房中房”是历史建筑改造中非常常见的一种改造方式，是指在原有的历史建筑里再建造一个“房间”，在不破坏原有建筑风貌的前提下满足现代的使用要求，一般用于外壳比较脆弱的历史建筑改建。例如日本神山町的某百年牛棚的改造（图6），建筑师通过在牛棚中插入两个钢结构的玻璃盒子，使之再生成为IT公司的办公室。新植入的钢结构通过顶和卡的方式，承受了牛棚的部分荷载，增强了牛棚的抗震能力。这种改造方式使原有的建筑外壳与保温、隔热等实用功能分离，转变为纯粹的欣赏对象，也最大程度地展示了历史肌理（图7）。

图6 牛棚外观

图7 钢结构脱离牛棚独立存在

除了在历史建筑内部植入“房中房”之外，还有一种反向的做法，即将历史建筑包在新建筑内部，也可以做到最大限度保存历史建筑本体。例如法国弗雷斯诺国家当代艺术中心设计项目中（图8、图9），建筑师伯纳德·屈米先在老建筑周边加了一圈实体建筑，再在其上罩了一个大跨度的钢桁架屋顶。巨大的屋顶保证了老建筑免受风雨侵蚀，同时也与老建筑一起创造出了一个巨大的灰空间（也称为“泛空间”，最早由日本建筑师黑川纪章提出，其本意是指建筑与其外部环境之间的过渡空间，旨在达到室内外融合的目的，常见形式包括建筑入口的柱廊、檐下、露台、阳台、门斗和雨蓬等?）。“站在巨大的金属屋顶和瓦屋面中，是一大片通透的空间，视线穿过金属吊杆和周围两三层高的老房子的屋顶，远处教堂的尖顶依稀可见。”

图8 法国弗雷斯诺国家当代艺术中心建筑南立面外景

图9 法国弗雷斯诺国家当代艺术中心屋顶内的透视

屋顶加建的改造方式类似于上文提到的“反房中房”，也是历史建筑改造中的常用方法。加建的屋顶多为钢结构大跨度透明玻璃屋顶，即使不是透明屋顶也会在顶部开设天窗，从而使内部空间获得明亮的光线。加建屋顶后，原来的室外空间成为宽阔开敞的无柱空间，无论用于展览还是公共空间都能很好地适应需求，所以成为博物馆改建的一种发展趋势。以大英博物馆为例，串联展厅环绕中心庭院的平面布局缺乏一个核心空间，也无法容纳博物馆日益增加的人流。因此，建筑师诺曼·福斯特设计了一个巨型屋顶将整个中心庭院覆盖（图10）并在院子中部新建了一个圆形的图书中心，增设了咖啡等服务设施。整个加建的屋顶为钢结构大跨度透明玻璃屋顶，仅靠中心的图书馆和四边建筑的外墙来支撑，形成了一个宽阔开敞的无柱空间。原本无组织的室外空间摇身一变，成为整个博物馆的核心空间，游客可在中庭和展厅之间自由穿梭，参观的流线更加丰富，博物馆的公共性、开放性、休闲性也大大提高。

图10 大英博物馆玻璃钢结构屋顶扩建

◆ 新置入建筑

与前两种钢结构介入历史建筑的方式不同，新置入建筑的方式大多更强调新建筑本身而非老建筑。换句话说，也就是老建筑成为了新建筑的衬托。与其说是对老建筑的改建，不如说是结合老建筑进行的新建筑设计。

在德雷斯顿军事历史博物馆改造项目中，建筑师丹尼尔·里伯斯金大胆地打破了原建筑的对称性，在原建筑中增加了一个重达14,500t、高5层的楔形混凝土和钢的组合结构，以一种强劲的姿态“穿透”了具有135年历史的军械库，提供眺望现代德累斯顿壮观视野的同时也指向战争期间轰炸开始的区域（图11、图12）。钢结构在塑造异形建筑空间方面相比钢筋混凝土结构更具优势，异形新建筑与对称老建筑、新立面的透明性与老建筑的封闭感，形成强烈对比，象征着开放的民主社会冲破过去严厉的专制主义的束缚，获得新生。由此可见，钢结构也可以作为设计概念的一种表达方式。

图11 德雷斯顿军事历史博物馆建筑外观

图12 德雷斯顿军事历史博物馆观景平台内部

建筑界的“女魔头”扎哈·哈迪德也做过有关历史建筑的改扩建项目，其中最具有标志性的当属比利时安特卫普港口大楼。甲方只要求老建筑能够完整地保留下来，对于新建筑并没有其他限制要求，这就给了扎哈事务所更多的设计空间。建筑师让新的建筑体量悬浮于老建筑之上，这既是对原始立面的尊重，也是对原有设计中未建成塔楼部分的补充。新建筑如同船头一般指向斯凯尔特河（图13），将建筑与河流联系起来。值得一提的是，安特卫普港口大楼在结构上也做出了一些创新，采用了倾斜的钢结构，支撑悬浮建筑的立柱数量极少，钢结构跨度大的优势在此刻尽显无遗（图14）。

图13 安特卫普港口大楼外观

图14 安特卫普港口大楼一层大空间

◆ 保护历史建筑

钢结构连接通常使用螺栓的方式，施工过程大多也基于此，对历史建筑本来结构的破坏较少，能够较大程度地保留历史信息。同时，在加固结构方面，多变的钢结构也可以适应历史建筑中不同的结构缺陷。对于像西班牙Garcimu?oz古堡这样的临时改造，钢结构便于安装拆卸、绿色节能可重复利用的优势便被完全地展现出来。钢结构跨度大的优势也使在历史建筑上增建巨型屋顶以保护历史建筑，使其免受雨雪侵蚀成为可能，例如法国弗雷斯诺国家当代艺术中心。

作为一种现代的结构材料，钢材与老的建筑材料之间产生的材质对比经常为建筑师所青睐。在历史建筑修复与改造中合理地使用钢结构，使现代结构作为图底，往往能起到凸显历史建筑的效果。例如上文提到的彰化县地方产业交流中心及谷仓博物馆的改造设计项目，钢结构的屋顶并没有喧宾夺主，加固结构的同时将人们的目光聚焦于老建筑的构造细部，低调地作为“图底”的角色存在。日本百年牛棚的改造亦是如此，采用钢结构和玻璃，使后来加建的结构消隐在原有的建筑外壳之中，使外壳转变为纯粹的观赏对象，最大程度地展现了历史肌理。

随着历史建筑保护思想不断发展，越来越多的历史建筑保护措施不再局限于修复和改造，更多的建筑师将目光投向历史街区的复兴，尝试使用现代结构给予历史建筑新的活力，使之成为城市的新地标。钢结构在建造异形建筑上的优势和与老建筑的材质反差使新建筑凸显于老建筑，向外辐射新的活力。上文提到的安特卫普港口大楼就是典型的例子，夸张的形体、悬浮的体量、华丽的立面使新建筑在环境中脱颖而出，成为安特卫普这座港口城市精神的新象征。

根据上文的分析，我们可以发现有趣的一点。利用钢结构与历史建筑的对比，建筑师既可以令历史建筑凸显出来，也可以让新结构脱颖而出。但这往往不取决于建筑师的个人意愿，而是要根据改造前专业人员对历史建筑的价值分析进行决策。如果历史建筑的本体性历史价值很高（例如建筑所包含的历史信息作为史料非常重要，建筑形制在当今非常稀少等），建筑师往往会选择让历史建筑作为“图”，凸显于现代结构的“底”之上；如果历史建筑的本体性历史价值不高，同时又需要一个标志性的新建筑来展现新的风貌，激活历史街区，那么建筑师往往会选择在保留完好历史建筑的前提下，让现代结构作为“图”，凸显于历史建筑的“底”之上。然而在历史建筑保护领域，让历史建筑成为新建筑的衬托一直是备受争议的话题，一味凸显新结构、新建筑往往会造成对历史建筑的忽略与轻视。如何合理使用钢结构等现代结构，找到新旧之间的平衡，是当今从事历史建筑修复与改造项目的建筑师需要思考的重要问题。

◆ 适应现代功能

随着现代社会的发展，历史建筑所能满足的功能需求已经远远跟不上现代人的要求。推倒历史建筑重建的做法显然不可取，此时以适应现代功能为目的的历史建筑改扩建就成了最好的做法。玻璃由于其通透的特点和强烈的时代感，深受历史建筑改扩建设计的青睐——既富有现代感，又能消隐于历史建筑之中不喧宾夺主。但由于玻璃本身为脆性材料，强度低，只能作为小型的受力构件，很难独立塑造大尺度空间。而钢结构强度高、自重轻，很适合营造大跨度的建筑空间，恰好与玻璃形成了互补关系，两者经常结合在一起出现在历史建筑改扩建项目中。大英博物馆的改造就是一个典型的例子，巨型的玻璃钢结构屋顶覆盖住建筑之间的室外空间，将其整合为一个核心空间，丰富了参观流线，完善了建筑功能，也提升了空间的品质。

法国弗雷斯诺国家当代艺术中心的巨型钢桁架屋顶与老建筑屋顶之间的巨大灰空间丰富了整个建筑的空间层次，但也因为没有顾及建筑的第五立面——屋顶而在现在的历史建筑保护领域引起了一些争议（屈米在做这个项目时历史建筑保护界对于建筑遗产的第五立面还并没有像现在那么重视）。虽然它做到了最大限度地保存历史建筑本体，丰富了原有的空间层次，但它也反转了历史建筑原本的内外空间关系，剧烈地改变了遗产地的空间氛围和形式特征，所以这种做法放到现在依旧是不常见的，通常情况下也不会这样做，更多的还是采用玻璃与钢结构相结合的屋顶改造方式而非纯粹的钢结构屋顶。

◆ 表现设计概念

表现设计概念这一现实意义往往出现在新置入建筑的改造方式中。钢结构相比于传统结构在建造异形结构方面更具优势，这也成为建筑师表现他们设计概念的方式之一。例如上文提到的德雷斯顿军事历史博物馆改造项目中用楔形混凝土和钢结构冲破了老建筑的形式来表现民主冲破专制的束缚，安特卫普港口大楼的船形造型指向安特卫普的母亲河斯凯尔特河以展现港口城市的精神风貌。

随着时代的不断发展，人们对于历史建筑保护的思想不再局限于单纯使其回到原来状态，而是利用钢结构等现代结构对历史建筑进行改造，使其在现代社会重焕生机，甚至新旧结合使之成为新的城市地标以激活整个历史街区。人们逐渐意识到，保护历史建筑绝不是“博物馆式”的保护，而是要让历史建筑与当今时代相结合，既要保留原有的历史风貌，也要与时俱进，这样的历史建筑才会拥有长久的生命力。

伴随着钢结构这种材料的发展，它的各种物理性质都在不断地加强，更能被用于体现当代科学技术的先进性，更能反映当代的美学特征，也更易满足当代的改造需要。可以预见，在未来，钢结构介入历史建筑修复与改造的程度将会越来越高。但还是那句话，如何合理使用钢结构，在新旧之间找到平衡，将会是从事历史建筑修复与扩建项目的建筑师需要审慎思考的重要问题。