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淺談鋼結(jié)構(gòu)的材料屬性和結(jié)構(gòu)形式間的“反本真”表達，從結(jié)構(gòu)審美的角度審視建筑材料

● 前言

鋼材具有優(yōu)良的材料屬性，具有一定強度，塑性、韌性、耐熱性好，均質(zhì)，可焊，便于加工等。在建造技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)今，鋼材在建筑結(jié)構(gòu)中的運用越來越廣泛，鋼結(jié)構(gòu)形式也愈發(fā)多樣而精彩。隨之而來的有樸實無華的鋼結(jié)構(gòu)“本我”的結(jié)構(gòu)形式的體現(xiàn)，也有一些出于建筑師、結(jié)構(gòu)工程師對鋼材的創(chuàng)新應(yīng)用嘗試——用鋼材來表達其他材料組成的結(jié)構(gòu)模式，即鋼材的“反本真”表達。這些“反本真”結(jié)構(gòu)表達的嘗試打破了人們對材料屬性的固有認知，引發(fā)了建筑界對鋼結(jié)構(gòu)真實性問題的討論。本文將從案例出發(fā)，通過重點分析鋼材如何表達石構(gòu)邏輯、木構(gòu)邏輯，以及討論其表達限度的界定，來探索鋼材“反本真”表達結(jié)構(gòu)美感的實現(xiàn)方式。

● 鋼結(jié)構(gòu)用于表達磚石建筑結(jié)構(gòu)邏輯的歷史淵源

我們往往認為，西方石構(gòu)建筑所呈現(xiàn)的的空間結(jié)構(gòu)形式是源于石塊的材料屬性，經(jīng)長期探索、優(yōu)化所得出的內(nèi)在力學(xué)邏輯和外在表現(xiàn)形式相符合的合理形式，殊不知其建筑結(jié)構(gòu)語言也存在一些不合理的成分。馬里奧·薩瓦多里曾指出了哥特式建筑建構(gòu)邏輯的不合理性：“如果能有效地抵抗外推力，那么兩個交錯穹隆拱頂即便沒有拱肋也是可以自行支撐的（如圖1所示）。不過這些設(shè)計師卻用拱肋來突顯穹隆及邊拱的作用，也因此模糊了人們的視覺判斷，認為這些拱肋負責(zé)將重力傳遞至柱墩上……似乎表明大教堂內(nèi)部有一個虛假的框架結(jié)構(gòu)。”也就是說，人們感受到的結(jié)構(gòu)邏輯和真實的結(jié)構(gòu)邏輯是不一致的。哥特式建筑的尖拱券的誕生，與其說是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果，不如說單純只是服務(wù)于神話空間形式和象征性裝飾的產(chǎn)物。

反觀歷史上材料屬性和結(jié)構(gòu)形式間不一致的現(xiàn)象，可窺探勒·迪克從結(jié)構(gòu)理性主義角度“轉(zhuǎn)譯”哥特式建筑的重要性。他根據(jù)鐵等材料的受力特點勇于表達哥特式建筑的形式邏輯，提出了“鋼結(jié)構(gòu)序曲”的音樂廳方案。這種材料符合哥特式建筑的“框架模式”傳力特點：力沿著拱交線由肋傳向柱并且通過兩側(cè)的飛扶壁與端部厚實的拱壁形成一個側(cè)移框架來抵抗水平推力（圖2）。鋼鐵優(yōu)良的可塑性使它具有天生的預(yù)制性，用作哥特式建筑穹頂空間所需要的彎曲的肋骨拱結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以更“誠實”地表達材料特性和建筑構(gòu)造。建造邏輯與鋼鐵的材料屬性相適應(yīng)，空間邏輯借由建造邏輯產(chǎn)生優(yōu)美的曲線和輕盈修長的飛升感。與原來的石構(gòu)邏輯強調(diào)空間韻律感和構(gòu)件裝飾性相比，鋼鐵材料偏向于詮釋結(jié)構(gòu)理性。因此，該方案在觀念上讓材料“錯位”的嘗試從一定程度上來說比原來的石構(gòu)體系更能體現(xiàn)建造和材料的“真實性”。

（a）磚石拱肋肋骨拱受力圖（b）鐵質(zhì)拱肋肋骨拱受力圖

圖 1 傳統(tǒng)哥特式建筑和勒·迪克音樂廳方案肋骨拱力流對比圖

圖 2 傳統(tǒng)哥特式建筑和勒·迪克音樂廳方案結(jié)構(gòu)對比

勒·迪克音樂廳方案的“反本真”表達反而走近了“真實性”，然而，金屬結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的一些初期應(yīng)用并不都能恰到好處地轉(zhuǎn)譯磚石結(jié)構(gòu)邏輯。用鑄鐵和玻璃建成的水晶宮雖遵循了視覺和內(nèi)部結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一的邏輯，卻在審美上存在著一定的欠缺，所以在當(dāng)時也有很大的爭議。

圖 3 水晶宮

石構(gòu)教堂建筑的拱券和柱塑造的空間特征，不僅是權(quán)力或信仰等意識形態(tài)的象征，而且真實表達了材料屬性和結(jié)構(gòu)邏輯。每一塊石材所搭建的狀態(tài)都在“真誠”地表達著受力方式。以傳統(tǒng)美學(xué)標準評判，水晶宮由鋼鐵和玻璃所呈現(xiàn)的形態(tài)無法準確把握拱券結(jié)構(gòu)體系的尺度感受、力量表現(xiàn)、韻律、節(jié)奏與變化感等。鉚、套和螺釘?shù)冗B接件代替了傳統(tǒng)的磚石砌疊技術(shù)，花房式的鐵質(zhì)梁柱骨架結(jié)構(gòu)用來演繹傳統(tǒng)的承重墻結(jié)構(gòu)體系的空間效果。其結(jié)構(gòu)邏輯所體現(xiàn)的是工業(yè)時代機械化特質(zhì)，從中讀不到對古典拱券結(jié)構(gòu)本質(zhì)的“真誠”信仰。因此，水晶宮即使在材料的創(chuàng)新應(yīng)用——使空間跨度被突破、工期被大大縮短——上來說是具有里程碑意義的，但從結(jié)構(gòu)審美上來說可能并不是一次成功的“反本真”表達。

● 基于木構(gòu)建筑建造邏輯的鋼結(jié)構(gòu)表達

仿古建筑通常以木構(gòu)還原木構(gòu)，往往得其體制而失其神韻，模糊彼此、降低了真實性的案例不在少數(shù)。長安塔卻大膽使用“反本真”表達方式來演繹材料屬性和結(jié)構(gòu)形式之間的錯位。本著“天人合一”和向傳統(tǒng)文化致敬的態(tài)度，長安塔（圖4）在造型上承襲了隋唐時期傳統(tǒng)木塔的“方形錐狀”，建造手法上卻運用了混凝土核心筒+鋼框架結(jié)構(gòu)，以鋼材和玻璃代替木材和磚瓦。本文暫不論及裝飾構(gòu)件的材料轉(zhuǎn)譯，下就結(jié)構(gòu)材料方面略微展開討論。

圖 4 長安塔遠景及側(cè)視圖

首先是現(xiàn)代框筒結(jié)構(gòu)的運用。為提高建筑剛度和強度，以框筒在塔的中部加固支撐，不影響塔內(nèi)空間的同時滿足了核心筒內(nèi)電梯、樓梯布置的功能需求。其次是桁架、拉索等鋼結(jié)構(gòu)特有受力方式的使用，滿足了模仿古建筑懸挑出檐和屋面加固的需要（圖5）。這些表達現(xiàn)代感的結(jié)構(gòu)并沒有被刻意隱藏起來。而是被真實地暴露于公眾視野中，成為這座塔的建筑語言中不可分割的一部分——新舊材料的沖突讓人更加饒有興趣地去閱讀其結(jié)構(gòu)，去思考每一個構(gòu)件的受力方式。

圖 5 長安塔結(jié)構(gòu)立面布置示意圖

此外，鋼制斗拱解決了挑檐的問題。為制作斗拱，通常以一體化形態(tài)出現(xiàn)的鋁鎂錳合金被分割成一段段的小構(gòu)件，參照隋唐時期大尺度斗拱的模數(shù)化組裝，呈現(xiàn)出與木制斗拱相同的層層傳遞的力流分布（圖6~7）。合金斗拱的“反本真”表達體現(xiàn)在其受力形式上，而“本真性”則體現(xiàn)在以下兩個方面：一是其裝配構(gòu)件干凈利落，沒有木構(gòu)件的諸多裝飾性雕刻，符合鋼材硬度大、不易打磨的特質(zhì)，一定程度上體現(xiàn)了當(dāng)代技術(shù)美感；二是連接節(jié)點根據(jù)材料屬性推測，為焊接或螺栓連接，與木制斗拱的榫卯連接區(qū)分開來。

圖 6 木制斗拱（左）和長安塔的鋼制斗拱（右）

圖 7 木制斗拱和鋼制斗拱的力流對比圖

木塔通常用斗拱斜接的做法來解決結(jié)構(gòu)外圈梁框架柱的縮進而導(dǎo)致的上下柱錯位的問題，而基于鋼框架的長安塔采用的是牛腿式內(nèi)折轉(zhuǎn)換節(jié)點（圖8~9），這種似是而非的建筑語言抽象地表達了木構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)邏輯，有仿古建筑“修舊如新”的特質(zhì)。此外，與木材制作相比，鋼材節(jié)點的耐久性更強，抗震性能更好，裝配效率也更高。

圖 8 長安塔的牛腿式內(nèi)折轉(zhuǎn)換節(jié)點

圖 9 木塔和長安塔解決框架柱縮進的轉(zhuǎn)換節(jié)點的力流對比圖

由此可見，用現(xiàn)代材料表達傳統(tǒng)建造工藝或是用現(xiàn)代技術(shù)表達傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯，難點在于如何化解審美傾向和結(jié)構(gòu)效率間的矛盾。現(xiàn)代元素往往形式單調(diào)且缺乏文化積淀，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯又無法滿足當(dāng)代建筑在結(jié)構(gòu)強度和空間功能方面的需要——兩者在本質(zhì)上就存在隔閡，像兩個對立統(tǒng)一面存在于建筑結(jié)構(gòu)表達的矛盾統(tǒng)一體之中。

應(yīng)用木構(gòu)建筑的建造邏輯模仿木構(gòu)件的受力方式，這種鋼結(jié)構(gòu)的新嘗試突破了人們對鋼材的固有認知，提高了建造效率和建筑的耐久性，促進了新舊文化的融合。由于各種材料性能之間本就有共通之處，因此，突破材料固有屬性的結(jié)構(gòu)形式有其存在的合理性和發(fā)展的可能性。長安塔鋼結(jié)構(gòu)的“反本真”表達從材料屬性與結(jié)構(gòu)形式的對應(yīng)性上來說并不是“正確”的，但它是合理且高效的，再加上仿古建筑向文化致敬的精神性需要，可以說長安塔的建造符合結(jié)構(gòu)美學(xué)要求。

● 鋼材“反本真”的過度表達

建筑材料的“反本真”表達是一個不斷突破思維定勢的過程。運用得當(dāng)，可讓人耳目一新；但若結(jié)構(gòu)形式過度脫離材料本質(zhì)屬性或硬套，其價值便有待商榷。

鋼板因密度、硬度大的特點與膜結(jié)構(gòu)相比在跨度上有所局限。建筑師為追求鋼板大跨度和輕薄感的完美結(jié)合，在許多案例中都做了結(jié)構(gòu)方面的嘗試。有的在中間加細柱支撐，在滿足荷載承受能力的前提下把對空間消隱感的破壞降至最低。繼神奈川工科大學(xué)Kait工坊之后，在校園一角開建了一個多月的半戶外廣場。石上純也對“超平”消隱空間的進一步嘗試也是對鋼板“反本真”表達的挑戰(zhàn)。它采用極大跨度的懸垂鋼板試圖模仿膜結(jié)構(gòu)的張拉受力邏輯，以此營造一種無邊際的流通空間，讓人感受到與地面一體化的平面方向的張力。可以說這是石上純也在材料極限邊緣的一次試探，鋼板尺度的應(yīng)用打破了常規(guī)，必然以獨特的技術(shù)和額外的造價為代價。考慮到石上純也和結(jié)構(gòu)工程師小西泰孝以往的合作成果——神奈川工科大學(xué)Kait工坊，通過每根細鋼柱的剛接或鉸接的選擇來施加預(yù)應(yīng)力，以及兩張實現(xiàn)了“不可思議”跨度的超薄鋼板桌——推測該半戶外廣場也是通過預(yù)先設(shè)計上拱形態(tài)鋼板的預(yù)應(yīng)力手段來實現(xiàn)大跨度無柱空間的（圖10）。從建筑結(jié)構(gòu)的角度看來，這種形式忠實于力學(xué)表現(xiàn)卻不忠實于鋼材本身，筆者尚且把該半戶外廣場案例中鋼板的“反本真”運用視為一種嘗試性的探索，但有過度的傾向，僅限于嘗試。

圖 10 石上純也的鋼板桌和半戶外廣場的受力分析

● 結(jié) 語

本文所討論的鋼結(jié)構(gòu)的“反本真”表達體現(xiàn)在鋼材的材料屬性和鋼結(jié)構(gòu)形式間的美學(xué)沖突之中。同樣是以鋼材表達磚石拱券結(jié)構(gòu)邏輯，勒·迪克音樂廳方案建構(gòu)了鋼材與哥特式空間優(yōu)雅風(fēng)格間的沖突關(guān)系，而水晶宮則是一種效率優(yōu)先式的妥協(xié)。長安塔以鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)譯木構(gòu)建筑為邏輯，材料的錯位被安置得恰到好處。而Kait工坊超尺度的垂懸鋼板則超越了“反本真”表達的合理限度。由這些例子可見的是，“真誠”的結(jié)構(gòu)表達既不是結(jié)構(gòu)美感的充分條件，也不是必要條件。即使一種結(jié)構(gòu)“正確地”表達了材料的本身屬性，它可能被設(shè)計得很平庸。如果一種材料被套用為了另一種材料所常對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模式，這種“反本真”表達不一定是“正確的”，但如應(yīng)用得合理，充分利用了材料特性，它所呈現(xiàn)的姿態(tài)就可以是“美”的。當(dāng)然，一味追求跳出對一種材料結(jié)構(gòu)形式的固有認知，忽視結(jié)構(gòu)效率或違背形式邏輯去刻意“反本真”，這種表達則可能不符合結(jié)構(gòu)審美。學(xué)會辯證地看待結(jié)構(gòu)材料的“身份錯位”現(xiàn)象是欣賞建筑結(jié)構(gòu)之美的前提條件，也是鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的種子健康生長的土壤。

（責(zé)任編輯：何雯麗）