【结构大师说】结构和建筑：相遇、同行又分开—说一只教学楼

Volta Schulhaus，Basel，建筑师：Miller&Maranta，结构师：Juerg Conzett

本期【结构大师说】，要跟大家分享一篇高层次的文章，由一个普普通通5层高的教学楼引发的一系列关于结构和建筑的思考！

这是一座外表看起来普普通通的教学楼，5层高，走近了还会看见地下有个体育馆。水泥外墙和金属窗框带有强烈的工业感，略显冰冷，但却是一个类比周边，照顾氛围的好例子。这个楼就是Volta Schulhaus，在大Basel北部的工业区，可以说是Miller & Maranta最为人所知的作品。

立面上下结构不对位

但对于我个人而言，这个立面存在着反常之处。上下层的柱子并不对位，这是反常规的做法，或者是特殊结构的表达。但可以确定的是这预示了内部空间的变化，需要深入的阅读。

【城市考虑】





Miller&Maranta首先碰到的问题是建筑体量。从城市的角度，建筑要连接东北的工业建筑和西南典型的Basel联排住宅。所以关键是占住基地的东南角，并延续北面工业用房的体量。M&M在这使用了一个非常简单的方形体量。

基地尺寸有40米*35米。这就等于放弃了做一个进深15-20米的普通教学楼。为了照顾内部的采光，M&M在体量中间开了四个采光井。

40米*35米的基地

M&M最终确定的建筑体量

平立剖基本信息

标准层平面

首层平面

剖面

【结构的介入】

教室和体育馆的关系是一个讨论的重点。前者小空间，可以做小跨度；后者大空间，一定要大跨度。简单的解决方法是把两者分开做，各自做结构。

教室体育馆分开布置。例子：Botta在Chiasso的中学

或者像Leutschenbach一样，大空间在上，小空间在下。通常的解决方案是“下面柱网上面大跨”，这也正是Christian Kerez早期模型所显示的。但是后来由于不可知的原因，CK和Joseph Schwartz用牛刀宰鸡，通体巨构，玻璃也逃到了结构之内（随之带来了一系列保温层和结构交接的问题）。在我看来，这有过度表达结构的嫌疑。

教室在下，体育馆在上。例子：Kerez的Leutschenbach学校

但在M&M这个案子里，基地下面有个大坑，原来是放储油罐的，很自然的会想到把体育馆做在这，但结构上就意味着大空间在下，小空间在上，增加技术难度。M&M可以选择上下全做大跨度结构，上面的教室可以自由布置，但M&M要坚持“结构和空间互动”的原则，一定要上面小空间结构，下面大空间结构。更严格的原则是“结构要限定空间”。

教室在上，体育馆在下。本案

【建筑与结构互动】
由于上面两条苛刻的原则，限定体育馆的两堵墙变成了上面仅有的支撑。上面的教室被一品品可以悬挑的墙所限定，这些墙贯穿4层，高15米，长40米，跨28米，挑12米。但由于采光井的存在，楼板要开洞；由于走廊的存在，墙要被通高打断。这些都增加了结构难度。但M&M和Juerg Conzett讨论了开洞的位置，以协调楼板里预应力钢筋微妙的通道，以及构件的平衡。最终通过“墙梁体系”实现了双方的构想。我们完全可以想象这其中建筑师和工程师的合作会密切到何种程度。

墙体的打断，不同难度结构解决方案对比

完整的墙和楼板

楼板开洞（采光井）

墙体断开（走廊）

外力分析

Structure as Space中的外力分析

墙体内力分析

墙体在建筑中位置

墙体尺寸

墙体拉压趋势

主要拉力走向即预应力钢筋位置

楼板内力分析

楼板位置

墙体在楼板上的投影

楼板配筋位置

【结构和建筑的独立工作】
在这之后，M&M要考虑建筑内外的氛围：这要通过材料，开窗尺寸去实现；接下来要考虑如何在建造上实现上述做法：外挂的混凝土饰面，夹在中间的保温层，窗框和保温的交接等等。而Conzett要考虑的问题是具体的混凝土标号，配筋的位置和尺寸，预应力钢筋的先张后张等等。

在墙体布置完成的瞬间，结构和建筑的工作其实就分开了。这之后当然还有当然还会尺寸上的协调以及伴随而来的各种反复，但“建筑方案设计”和“结构概念设计”上的互动就结束了。

【知识上在何处分开】
实现这种高水准的合作，无疑需要建筑结构双方都互懂对方的知识，但问题是懂到何处，如何确定知识分开的临界点？作为建筑学学生，我只能说清在结构的路上要走到何处：弄懂“结构的布置”离不开“构件间外力”，和“构件内力”的分析，这一切的最终目的是清楚力流走向，然后“设计力流”，和结构方面的思考方式挂钩。有了力流的走向就可以“划分构件”，比如做墙就知道预应力筋的走向，做桁架就可以知道拉压杆的布置。

在刚才所有描述结构的关键词中，没提到的恰恰是最常见的是“结构体系”：梁柱、拱、悬索，这些是“面向知识分类”的话语。而如果“面向解决问题”，需要的是知道力如何走，如何在力流上给材料。把这些总结成关键词就是“力流设计”和“构件划分”。


【力流设计与构件划分】
关于“力流设计”，在瑞士学校会有相关的建筑学课程，由工程师开设：ETH的研究生结构设计课1&2，由Joseph Schwartz主讲。USI的结构课5&6，由Monotti主讲。但值得注意的是这都是“设计课”，要“设计”，要“分析案例”；不是计算课，学简支梁配筋计算，或是砖柱的失稳验算。瑞士的系统好，但国内的建筑学结构教学也同样有所作为，比如华东高校的建筑系一直有着参加结构设计大赛的传统。

在这种教学体系下走出的瑞士明星建筑师，多半都有良好的结构素质：Miller，Kerez不胜枚举。但值得注意的是这种素质体现在从结构的角度修改建筑设计，而非与结构师有深度的共同语言。所以某种程度上讲，知道“实现同等荷载，木要比钢重量轻”，或者考一个结构二注并非瑞士明星建筑师的必须。

关于“构件划分”，至今并无任何课程可以打通这个关节，可能只能通过设计中的反复锤炼。这是个耐人寻味的话题，需要另开篇幅讨论。


【建筑师的结构意识】
到头来，“力流设计”和“构件划分”是要解决如何设计结构的问题，这是建筑师的结构意识的重要组成部分。比如墙受弯的传统原理，在新的时代里，瑞士建筑师们用混凝土做了多次精彩的演绎。

墙受弯原理解释

Juerg Conzett 在 《Structure as Space》中对该原理的解释

该原理最简单的情况

案例一：墙的水平变形

原理层面的变形

实例：一墙之宅

案例二：墙的水平移动

原理层面的变形

实例：Voltra Schulhaus

案例三：墙的竖直移动

原理层面的变形

实例：Chur某办公楼

案例四：墙的空间移动

原理层面的变形

实例：Kerez自宅

结构意识另外一个重要方面是“表达”。诚实或者不诚实，这是建筑师的个人选择。诗意或者不诗意，这是建筑师的个人素养。说清楚这种极其个人化、案例化的事情，不是这篇短文的目的。