1鋼結(jié)構(gòu)與建筑的關(guān)系  

在我們生存的世界中，結(jié)構(gòu)俯拾皆是，小到原子分子，大到天體星系，無(wú)不有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)支撐，小單元按照自然規(guī)律緊密結(jié)合，形成了大千世界。建筑物也是如此，由梁、柱、樓板、基礎(chǔ)、樓梯、門(mén)窗等基本構(gòu)件以一定邏輯連結(jié)構(gòu)成。通常意義上，“建筑結(jié)構(gòu)是在一個(gè)建筑空間中用各種基本結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合建造成的有某種特征的機(jī)體，為建筑物的持久使用和美觀需求服務(wù)，為人們的生命財(cái)產(chǎn)提供安全保障[1]。”結(jié)構(gòu)就像是建筑的骨骼，支撐著建筑物，同時(shí)賦予建筑物以力的美感及特殊的空間感受。隨著時(shí)代的發(fā)展、材料的推陳出新、技術(shù)的推進(jìn)，鋼結(jié)構(gòu)從小眾走向大眾，在越來(lái)越多的公共和私人建筑中得到了全方位的應(yīng)用。  

“鋼結(jié)構(gòu)建筑是指由鋼板、型鋼、鋼管、鋼繩、鋼束等鋼構(gòu)件，用焊、鉚、螺栓等方式連接而成的建筑[2]?！? 

房屋的結(jié)構(gòu)處于自然環(huán)境之中，需要承受自然的各種荷載，在別的設(shè)施出現(xiàn)之前，它就已經(jīng)被建造出來(lái)。從建筑師的角度出發(fā)，它是提供安全保障的建筑技術(shù)基礎(chǔ)，約束著也開(kāi)拓著建筑的空間和造型，推動(dòng)著新時(shí)代的建筑變革。建筑創(chuàng)作中的“結(jié)構(gòu)表現(xiàn)主義”將結(jié)構(gòu)技術(shù)和建筑藝術(shù)、內(nèi)容以及形式完美結(jié)合，創(chuàng)造了新的美學(xué)價(jià)值和文化性格?！捌ぶ淮妫珜⒀筛健?，可以說(shuō)，建筑結(jié)構(gòu)是建筑存在的前提，并且對(duì)空間氛圍有舉足輕重的影響。其中的鋼結(jié)構(gòu)更是在時(shí)代發(fā)展的進(jìn)程中漸漸成為主流，助力無(wú)數(shù)建筑大師創(chuàng)作出新奇而富有革命性的作品。  

遇到雷雨天氣，屋頂?shù)匿摌?gòu)件能夠收集雨水并排水，可兼作天溝，還能充當(dāng)接閃器，把雷電引流到籠式避雷網(wǎng)上，這樣屋面就沒(méi)有突出的避雷針或避雷帶，從而能保持完整的立方體形態(tài)。  

水立方的建筑表皮就是它的建筑結(jié)構(gòu)，它體現(xiàn)了氣泡在水中上升的動(dòng)勢(shì)，通過(guò)激發(fā)人們對(duì)氣泡的記憶和聯(lián)想讓整座建筑變得輕盈，同時(shí)配合結(jié)構(gòu)使用的透光膜材料能更好地模擬泡泡的形態(tài)，消減建筑的體量感和厚重感。  

2鋼結(jié)構(gòu)與建筑概念  

每當(dāng)發(fā)生產(chǎn)業(yè)革命或是時(shí)代產(chǎn)生了急速變遷，專業(yè)領(lǐng)域的邊界就變得模糊不清，角色轉(zhuǎn)換促成了行業(yè)壁壘的打破，與此同時(shí)，工程師和建筑師可能從親密的合作者變成一個(gè)人同時(shí)扮演的兩個(gè)角色。這個(gè)時(shí)代涌現(xiàn)出了一些大師，他們部分是建筑設(shè)計(jì)師，部分是結(jié)構(gòu)工程師，部分是糅合兩者的催化劑。但他們也并不總是使建筑裸露它們的骨架，仿佛是一具出土的化石，或是為了概念的構(gòu)思和表達(dá)壓制結(jié)構(gòu)的張牙舞爪。它們兩者：既不能東風(fēng)壓倒西風(fēng)，也不能西風(fēng)壓倒東風(fēng)，而應(yīng)該是互相融合妥協(xié)、相輔相成的。下面就通過(guò)幾個(gè)建筑概念和結(jié)構(gòu)表達(dá)完美結(jié)合的案例來(lái)闡明筆者的觀點(diǎn)[3]。  

2.1輕盈  

從古至今，人們一直對(duì)天空有著無(wú)限的好奇，也一直沒(méi)有放棄讓建筑實(shí)體飄在空中的嘗試，希望能夠讓重力消失。隨著時(shí)代發(fā)展，結(jié)構(gòu)承載力越來(lái)越強(qiáng)，建筑也隨之從敦實(shí)變得輕巧，但大多數(shù)時(shí)候，結(jié)構(gòu)還是對(duì)建筑實(shí)體脫離地面產(chǎn)生了阻礙。鋼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和應(yīng)用，使大家對(duì)“輕盈”的印象大大地豐富了。  

2.1.1水立方——上升的氣泡  

為了貼合國(guó)家游泳館所包含的水元素，國(guó)家游泳館的概念就是它的名字——水立方。維埃爾和費(fèi)蘭在1993年造出的由14面體和12面體作為兩種單體經(jīng)嵌合和重復(fù)構(gòu)成的肥皂泡，迄今為止仍是分割三維空間的最優(yōu)方案，水立方的設(shè)計(jì)師將它作為結(jié)構(gòu)概念，既具有水的美感，又能體現(xiàn)數(shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)邏輯。  

建筑師用鋼網(wǎng)架和充氣枕組合而成的膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)了水立方的概念。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地下和基礎(chǔ)部分，通過(guò)鋼筋和地上的鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)焊接起來(lái)，構(gòu)成了一個(gè)立方體狀的鋼質(zhì)籠子。在屋頂部分，槽形鋼構(gòu)件固定著一塊塊充氣枕，還是通過(guò)焊接的方式與組成四面外墻的架子連接起來(lái)。  

遇到雷雨天氣，屋頂?shù)匿摌?gòu)件能夠收集雨水并排水，可兼作天溝，還能充當(dāng)接閃器，把雷電引流到籠式避雷網(wǎng)上，這樣屋面就沒(méi)有突出的避雷針或避雷帶，從而能保持完整的立方體形態(tài)。  

水立方的建筑表皮就是它的建筑結(jié)構(gòu)，它體現(xiàn)了氣泡在水中上升的動(dòng)勢(shì)，通過(guò)激發(fā)人們對(duì)氣泡的記憶和聯(lián)想讓整座建筑變得輕盈，同時(shí)配合結(jié)構(gòu)使用的透光膜材料能更好地模擬泡泡的形態(tài)，消減建筑的體量感和厚重感。  

2.1.2里斯本世博會(huì)葡萄牙館入口——飄動(dòng)的帳幔  

作為一個(gè)跨度達(dá)70多m的大跨結(jié)構(gòu)，如想實(shí)現(xiàn)柔和的氛圍，覆蓋的頂部只能有輕盈的感覺(jué)，不然則會(huì)落入沉悶壓抑的窠臼中。  

入口選取帳幔的概念，帳幔具有數(shù)學(xué)上的懸鏈線形態(tài)，既具有可計(jì)算性又具有自然的美感，同時(shí)從力學(xué)上說(shuō)，懸鏈線也讓材料的內(nèi)部應(yīng)力最小，是力學(xué)的最優(yōu)解方案。鋼索的柔性正好可以自然地在適當(dāng)壓力下達(dá)到懸鏈線的形態(tài)。在選材初期，原本的計(jì)劃是用織物包覆，但織物需要更多鋼索穩(wěn)定，反而破壞了應(yīng)有的柔和的感覺(jué)，于是后期選擇了剛性的混凝土材料，做成輕薄的瓦狀砌塊，懸掛在鋼索上，提供給鋼索所需的壓力。  

在鋼索兩端留出兩條邊不放置混凝土砌塊，讓光線灑落下來(lái)，通過(guò)漫反射讓光線充盈在整個(gè)通道里，中和了所連接的兩邊建筑中磚塊帶來(lái)的利落線條。  

2.1.3波爾多住宅——飛翔的盒子  

在設(shè)計(jì)之初，庫(kù)哈斯的建筑概念就是“飛翔的盒子”，追求的空間感覺(jué)是輕盈和漂浮，為了達(dá)到這個(gè)目的，必須讓支撐結(jié)構(gòu)消隱在視線范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的“桌子”形態(tài)可以實(shí)現(xiàn)底層架空，但這實(shí)在過(guò)于庸常，也缺少飛翔的輕盈感。于是巴爾蒙德從“桌子”出發(fā)，先將四條“桌腿”錯(cuò)動(dòng)開(kāi)來(lái)，再將其中的兩條翻轉(zhuǎn)到頂上，利用粗壯的鋼梁、墜重物的鋼索和混凝土核心筒形成支撐和懸掛相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。而后利用坡地的地形，將部分結(jié)構(gòu)體掩藏起來(lái)。  

偏心卻均衡的支撐，讓這座“盒子”狀的建筑好像是即將發(fā)射的導(dǎo)彈一樣充滿動(dòng)態(tài)。經(jīng)過(guò)精確計(jì)算各種情況下的承載力，鋼梁和鋼索的支撐和張拉滿足了建筑物的穩(wěn)定性，卻給人即將傾覆的危險(xiǎn)感，加強(qiáng)了飛翔和運(yùn)動(dòng)的氛圍。從建筑學(xué)角度來(lái)說(shuō)，視覺(jué)效果的不穩(wěn)定性和實(shí)際感受的安全性的沖突，更體現(xiàn)了矛盾的美感。  

小結(jié)：由以上三個(gè)案例可以看出，設(shè)計(jì)靈感經(jīng)常來(lái)自于自然界或者生活經(jīng)驗(yàn)，并從中抽取數(shù)學(xué)邏輯進(jìn)行概念生成，與輕盈相關(guān)的聯(lián)想是漂浮，是舞動(dòng)，是上升的氣泡，是飄蕩的帳幔，基于數(shù)學(xué)上的規(guī)律、科學(xué)的發(fā)現(xiàn)和鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)大的承載力和靈活性，解決了從自然語(yǔ)言到建筑語(yǔ)言的轉(zhuǎn)譯。  

2.2仿生  

鋼結(jié)構(gòu)因其機(jī)動(dòng)性和靈活性，可以很好地模擬自然界中動(dòng)植物的骨架體系。原生生物經(jīng)由自然環(huán)境的錘煉，其生物結(jié)構(gòu)骨架異常符合力學(xué)原理，是建筑概念無(wú)限的靈感寶庫(kù)。許多建筑師遵循著力學(xué)原理和形體類比的原則，設(shè)計(jì)出建筑的結(jié)構(gòu)模型，最后得到了各種各樣新奇的地標(biāo)性建筑。形體建構(gòu)的模式可以分為生長(zhǎng)、網(wǎng)織、運(yùn)動(dòng)和表層四種模式  

2.2.1生長(zhǎng)模式  

模仿樹(shù)的形態(tài)創(chuàng)造大面積覆蓋的灰空間（沒(méi)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅有頂?shù)拈_(kāi)放空間）已經(jīng)是非常成熟的設(shè)計(jì)手法，比如卡拉特拉瓦設(shè)計(jì)的BCE商業(yè)街。支撐體系模仿樹(shù)冠的形態(tài)結(jié)構(gòu)，最上層的枝杈支撐著玻璃頂，將重力荷載和活荷載等一層一層地向下面的枝杈傳遞，接近于軸向傳力，最終通過(guò)豎立柱傳到地面。樹(shù)的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)抽象和簡(jiǎn)化之后充分發(fā)揮了抗壓性能，創(chuàng)造出了通透開(kāi)敞的大空間。  

2.2.2網(wǎng)織模式  

自然界中有許多網(wǎng)織狀的生物結(jié)構(gòu)，如蜘蛛網(wǎng)、果實(shí)的經(jīng)絡(luò)、鳥(niǎo)類的巢穴等。人類通過(guò)模仿蜘蛛網(wǎng)的構(gòu)造方式，用鋼材創(chuàng)造了懸索結(jié)構(gòu)，大幅提升了建筑空間的跨度，這就是網(wǎng)織模式中的一種。  

2.2.3運(yùn)動(dòng)模式  

動(dòng)物的骨骼系統(tǒng)一直在運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化和自然選擇，形成了越來(lái)越符合力學(xué)規(guī)則的形態(tài)。這樣的形態(tài)能夠有效引導(dǎo)和分散外力，對(duì)內(nèi)臟器官起到良好的保護(hù)作用。在骨骼系統(tǒng)中，關(guān)節(jié)作為連接節(jié)點(diǎn)起著至關(guān)重要的作用，還能夠?qū)ατ幸欢ǖ木彌_作用。建筑師或結(jié)構(gòu)工程師時(shí)常將關(guān)節(jié)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈感來(lái)源。比如卡拉特拉瓦就是一個(gè)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)引入建筑領(lǐng)域的大師，他擅長(zhǎng)利用幾何結(jié)構(gòu)的形變創(chuàng)新連接方式，發(fā)掘建筑潛在的機(jī)械潛質(zhì)，他的許多作品都有動(dòng)態(tài)效果，使得靜態(tài)結(jié)構(gòu)能有呼之欲出的視覺(jué)感受，還有些建筑結(jié)構(gòu)本身能夠通過(guò)可活動(dòng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的折疊和開(kāi)合，如同機(jī)械一般運(yùn)動(dòng)起來(lái)。  

2.2.4表層模式  

自然界中有許多兼具輕巧質(zhì)地和均勻曲度的薄殼結(jié)構(gòu)，比如動(dòng)物的頭蓋骨、貝殼和海螺殼等。它們的表面結(jié)構(gòu)很精巧，雖然很薄但非常耐壓，受到的壓力均布在整個(gè)表面上。在細(xì)胞層面上，生物體內(nèi)充滿了組織液、血液和淋巴液等液體或氣體，單個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞膜依靠?jī)?nèi)部的細(xì)胞液膨脹保持形狀不變，抵抗外部作用力。類似充氣薄膜的結(jié)構(gòu)中，外應(yīng)力分布在外表層，根據(jù)細(xì)胞脹壓原理，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種充氣膜結(jié)構(gòu)，這種建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是輕盈和別致。薄殼結(jié)構(gòu)和充氣膜結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為表層模式仿生。  

3小結(jié)  

建筑作為一門(mén)兼具理工和藝術(shù)特色的學(xué)科門(mén)類，與純藝術(shù)的區(qū)別在于它是要被實(shí)際建造的，需要借助技術(shù)和結(jié)構(gòu)的力量才能呈現(xiàn)出最大的美感。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，一次又一次的材料革命帶來(lái)了建筑業(yè)的巨大變革，建筑師所能發(fā)揮的余地也越來(lái)越大，鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代科技的產(chǎn)物，也在許多次嘗試之后得到了建筑師越來(lái)越廣泛的青睞和靈活的應(yīng)用。  

建筑設(shè)計(jì)從屬于設(shè)計(jì)，其落腳點(diǎn)是美學(xué)，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，遵循的法則在于力學(xué)規(guī)律。美學(xué)和力學(xué)都是大自然的產(chǎn)物，在一定程度上是相輔相成的，但人類對(duì)于這些的認(rèn)識(shí)經(jīng)過(guò)了很多曲折。在古代，由于建筑工匠既要設(shè)計(jì)圖稿又要親自建造或督建，很多古建筑都能完美體現(xiàn)當(dāng)時(shí)美學(xué)和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。要雄渾莊嚴(yán)，在古希臘就是高聳的柱林，高度讓人心生畏懼；在西漢就是高臺(tái)樓闕，壘土做栱、大氣磅礴。在現(xiàn)代，結(jié)構(gòu)技術(shù)日新月異地發(fā)展，新材料層出不窮，讓新的空間可能性也呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。洛可可時(shí)期的建筑師沉溺于細(xì)部的精雕細(xì)琢而掩藏了真實(shí)的結(jié)構(gòu)。但隨著時(shí)間過(guò)去，人們漸漸意識(shí)到理性且充滿力量的建筑結(jié)構(gòu)也可以有簡(jiǎn)潔明快的美感，充當(dāng)建筑的造型。  

文中提及的案例，基本是以自然界中的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行抽象，以現(xiàn)在最具靈活性的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)譯為建筑語(yǔ)言，用鋼架串上膜表達(dá)氣泡，用鋼索和混凝土瓦表達(dá)帳幔，用異形柱表達(dá)樹(shù)，用螺旋形鋼架扭成“小黃瓜”，用肋架和拉索表達(dá)翅膀，用弧形鋼架表現(xiàn)蛋殼。方案的生成過(guò)程就是從自然環(huán)境獲取概念，從概念中抽取結(jié)構(gòu)，用現(xiàn)有最適宜的鋼材去表達(dá)結(jié)構(gòu)，暗合生命的出現(xiàn)與生長(zhǎng)過(guò)程。這樣做出來(lái)的建筑具有獨(dú)一無(wú)二的特點(diǎn)，或與自然環(huán)境和諧，或與地理文脈和諧，或與建筑自身和諧，是對(duì)建筑師訴求的滿足[5]。  

結(jié)構(gòu)不只是教科書(shū)上一板一眼的鋼梁、鋼柱、鋼桁架、鋼網(wǎng)架，在對(duì)案例的分析中發(fā)現(xiàn)，建筑的生動(dòng)和活力來(lái)自于對(duì)結(jié)構(gòu)的靈活運(yùn)用，而不是生搬硬套，結(jié)構(gòu)的意義不僅在于支撐，同樣在于塑造。自然造物，萬(wàn)物有靈，渾然一體，我們對(duì)建筑的設(shè)計(jì)追求也在于此，而鋼結(jié)構(gòu)作為骨骼，內(nèi)臟被容納，皮肉要附庸，隨著建筑概念而生長(zhǎng)，也影響著概念的整體表達(dá)。