建筑理念的结构设计思维探微范文

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1结构设计与建筑设计的互动

反观德国与瑞士的建筑思想，工学的影响一直伴随着建筑设计的进程。建筑师在做方案设计时就非常注重结构设计的训练，将具体的结构操作当作解决建筑问题的方法。而又由于良好的工程学教育背景，建筑师将看似不同领域的结构设计方法用进建筑设计中，反而推动了建筑设计理念的创新。在实际案例中如何将桥梁的结构方案引入建筑中去解决问题，这样的思路在瑞士巴塞尔沃尔学校的承重墙拉索（图1~2）、瑞士库尔奥托广场大楼为了制造底层大空间而埋藏在立面预制件中的斜拉索（图3~4）、北京“鸟巢”相互咬合的顶盖桁架结构（图5~6）中都有所体现，都可以说是以结构工程师的角度创造性地解决了建筑中的问题。这种设计的产生，一方面需要建筑设计与结构设计自始至终的紧密配合；另一方面也需要建筑师与结构工程师双方对工作内容足够的理解。建筑设计就如同科学研究一般由问题主导，以结构设计的不同概念带来不同的建筑设计结果。这种基于建筑思考的结构设计，并非否定图像操作与空间意向的价值，而是作为另一种思考建筑问题的方式以期引起建筑师与建筑专业学生的关注。

结构设计如何超越原本技术性、经济性等层面，建筑设计如何不沦为只关注表面象征性、美学特性的产物，这些都要求达到一种结构设计与建筑设计的综合互动。在这种情形下，作为设计主导的建筑师必须通过一种跨学科的对话和交互的策略——即通过基于建筑理念对结构设计思维的重新诠释，将其纳入到建筑师的思考范畴，以期达到结构与建筑在设计上的良好融合。

2基于建筑思考的结构设计

建筑中的结构设计不能仅仅作本位的思考。假设将所有的建筑结构都从设计之初就强制定义成方格网梁柱的话，任何的操作都只会局限在这些格子中。而无论是我们所谓大跨度设计的问题，还是大空间设计的问题，都是由结构之外的空间问题所引发的。下文就从国内外实际案例分析出发，从工程项目的地理环境、地块的城市设计考量、建筑活动场所的创造三方面来探讨在建筑设计中发现问题，并通过结构设计来解决问题的设计思维。

2.1由地理环境决定的结构策略

大多数瑞士北部案例都选用了“实体结构”作为结构原型。虽然这个现象与德国、瑞士的建筑师所接受的教育不无关系，而地理与气候的因素可能是更为重要的设计条件。我们知道瑞士北部位于西欧的阿尔卑斯山区，有两个基本的地域环境特征：一是山地与坡地地形；二是气候寒冷。如果让我们除开由于天然石材丰富而流传下来的石墙建筑传统的因素，那么气候的原因便决定了建筑的结构类型。在瑞士库尔奥托广场大楼的案例中，建筑的外墙与走廊的隔墙成为了建筑的承载结构，而这些墙体又都是厚重并且施加保温层的（图7）。当我们考虑到寒冷的气候时，便容易理解其中的道理，如果在这样的条件下设计一个杆系支撑结构的建筑，其围护结构在施加保温层以符合热工需求之后，并不能保持轻盈的状态。

而如果设计的概念希望诚实地表达结构特征的话，这并不会是一个理想的状态。而在瑞士格劳宾登第二峡谷步行桥的案例中我们也看到，同样是由于气候，对结构的设计所考虑的主要是冬季的积雪荷载而非使用者通过时的活荷载。设计根据这个因素推导出了力学图像并最终完成设计（图8~9）。当我们换一种地理环境，我们可以看到东京普拉达旗舰店案例。这个建筑设计通过精妙的几何控制得到立面上的传递荷载的构件。而密集的斜向构件也能提供良好的水平向抗侧力。我们知道日本是一个地震多发的国家，对于建筑的抗震要求是相当高的。普拉达旗舰店的菱形立面结构则在几何上提供了可以传递竖向荷载的几何可变格构，使得建筑的主要结构能够通过变形来消解地震的水平与竖向震动而产生的多余荷载。同时，建筑中的楼板与立面的连接方式也使得在产生地震时，楼板与竖向结构并不成为一个刚性的整体去强行抵抗地震力而造成破坏，而是会随地震而摆动。这样能够有效地消耗地震的能量，而保护楼板不受破坏（图10~12）。根据地理环境的不同而作出有针对性的设计策略，并不仅仅停留在结构设计的层面，这种方法广泛适用于建筑设计的每一个环节。而结构的选择与构件的设计作为建筑设计的重要部分，符合地域特征的考虑会大大提升建筑完成之后的性能。

2.2由城市设计引发的结构命题

在谈论城市设计之前，我们先将这个概念延伸到建筑与场地环境相关的层面。当我们再去看瑞士格劳宾登第二峡谷步行桥案例时，可以将关注点放在这个设计的体系策略和输入参数上。作为桥梁主索两端的方向向量t与向量s，以及桥面的曲线形态向量x的集合，都是通过对峡谷两边的分析而得出的结论（图13~14）。场地中的自然高差通常会是比较显而易见的影响因素，而这种因素则又会决定结构选型，例如在第二峡谷步行桥中选用了悬索作为最合理的解决方法；而高差的存在与使用者能够行走的坡度限制则会成为桥面曲线生成的依据。同样是场地状况而产生的命题，在瑞士巴塞尔沃尔学校的案例中，一个已经存在的前储油罐坑成为了左右建筑结构策略的因素。通过对这个坑的利用策略分析，建筑师得出了需要制造地下与底层大空间，而上层小空间的设计策略，因此才会出现悬挑的楼板和需要斜拉索的承重墙的最终设计（图15）。

而考虑城市活动引入建筑设计策略的案例则是北京国家体育场“鸟巢”。作为为奥林匹克运动会所开辟的园区，“鸟巢”的场地中并没有类似自然高差或者现存基地状况的参考。而对园区城市设计的考虑，以及对于建筑主要功能达成之后的持续性功能进行的探讨，则体现在“鸟巢”的建筑与结构设计上。在进行城市研究之后，设计师赫尔佐格与德梅隆提出一个区别于体育活动的公共场所的概念，并且根据这个概念，“鸟巢”的看台部分、看台与建筑表皮之间被刻意塑造出了一系列可以直接到达的半室外空间。而巨大的桁架柱与看台“碗”结构的策略则是很好地将两个区域区分开，立面上的楼梯则为这些半室外空间提供了更丰富的使用与可达性（图16~17）。“鸟巢”结构系统的视觉结果为这个建筑带来了很强的标志性，因此“鸟巢”也能成为这个城市区域的“吸引子”③，配合提供活动的场所而成为城区内十分重要的活动设施。结构设计与城市设计之间并不一定是直接的“因”与“果”的关系。更有可能是相互推导、相互促进的状态。因此在考虑这两方面因素的时候需要时常跳出工作状态，从另一个方面来审视设计的成果。

2.3为使用者活动创造的结构构件

建筑最终目的是归于使用，因此建筑使用者的细心设计会很好地提高建筑设计的品质。如果将这种关照结合在结构设计之上，更能提升建筑的使用效率。在克里斯汀•凯瑞斯的设计的瑞士霍尔德班克豪瑞能力中心的案例中，结构的设计并没有直接提供使用者关怀的细节，而是跟随在空间操作的动作之后，强化了空间的感受。建筑中梭形的立柱顺着中庭的开设方向斜向支撑，在符合承载要求的前提下，将自身的尺寸压缩，以提供一个连续无遮挡的室内视觉空间（图18~19）。在北京“鸟巢”的设计中，立面的楼梯不仅作为强化立面整体结构的稳定性的元素，也给城市介入的活动提供了更多的空间元素。这些楼梯可以成为活动的额外看台，或者如同纽约大都会博物馆门前的大台阶，这些楼梯本身也可以成为小规模活动的发生地（图20~22）。

综上所述，影响结构设计的因素并非只针对结构与构件本身起作用，而是整个建筑设计的推进策略。在考虑建筑设计策略问题的时候，我们更应该分析建筑所在的条件、建筑的构筑体会遇到怎样的外部影响、我们设计的建筑会如何运作、建筑会创造怎样的场所、而建筑的使用者在建筑中又有怎样的感受，从而通过结构设计去解决建筑问题，其目的是追求“高效”的建筑设计成果，从而避免沦为意象、象征等这样流于形式的命题。

3结语

在中国，由于结构设计在建筑学中教育的倾向、建筑师与结构工程师观念的差异，建筑设计的过程与结构设计的过程往往是脱节的，从而对建筑设计与结构设计在思维上的统一造成了困难。然而我们现在也非常高兴地看到，许多的大型设计咨询公司在进行建筑设计的时候会与客户协商聘请结构顾问公司，在设计的前期就介入。这是一个非常好的现象，使得将结构的思维引入建筑设计成为可能。随着许多境外大师诸如赫尔佐格与德梅隆、扎哈•哈迪德、雷姆•库哈斯在国内项目的实施，国内的设计院也积累了很多处理复杂的结构问题以及于设计早期就介入结构思维的设计方合作的经验，使得建筑师与结构工程师的合作更加紧密、彼此观念交流更加顺畅。而如何基于建筑理念来进行结构设计，更是需要建筑师走出结构设计的传统思维，从如工程项目的地理环境、地块的城市设计考量、建筑活动场所的创造等更多方面来思考，使得结构设计能真正与建筑设计紧密互动，带来理念以及技术上的创新。

作者：王俐林峰单位：上海交通大学船舶海洋与建筑