在當代的建筑界中，建筑結構設計一體化的需求越來越強烈，成為一種重要思想和潮流。結構不僅是提供承載能力的支撐，也可以作為建筑表達“美”的載體。

▲ 巴黎世博會機械館

國際上一些優秀的結構設計師和設計事務所，如Jorg Schlaich、 Ove Arup、坪井善勝、木材俊彥等，采用輕盈、高效的結構形式，創造出許多令人印象深刻的造型，將結構技術作為一種“美”在建筑藝術中恰當地表達。

▲ heathrow airport terminal 5

建筑結構融合設計正是展現結構之“美”的最好載體。

如何定義結構之美

SchlaichBergermann Partner的Mike Schlaich在《Elegant structures》一文中很好的闡述了這一問題，本文在此基礎上引用并加以說明。

    

以上兩張人像照片都給人美的感覺，但此美與彼美是否有所不同？

同樣，下面兩張圖中的沙發設計給人的感覺是否也有所不同？

   

文章認為，好的結構的“美”用優雅（Elegant）一詞來表達更合適，因為好的結構是一種特定的美，甚至比美更勝一籌。

結構的優雅可能是美與一種特定品味的結合，可以引領社會文化，有點像時髦的模特或者明星。

結構的優雅可能是美與輕盈、通透、靈動的結合，即將脫離地心引力，仿佛一位優雅的芭蕾舞演員。

結構的優雅也可能是美與流線般形態的結合，比如一輛高貴的跑車或游艇。

結構的優雅還可能是一種感官上純粹、極簡的美，簡無可減，像黑白照片一樣。

以上是對結構“優雅”的一個主觀的定義，這些描述相互之間是有交集的，比如流線型可能會帶來動態、飛翔的感覺，也可能會帶來感官上的純粹，本身也是一種特定的品味。

總結一下，結構在建筑中表現的目標可以提煉為：美得有品味（能影響社會文化），如行云流水般輕盈、通透、靈動，簡無可減。

結構與建筑如何更好地融合

羅馬建筑師Vitruvius在公元前25年就提出一個好的結構設計要基于以下三個要素：Firmitas, Utilitas and Venustas，可以理解為安全性、功能性、美觀性。

后世的建筑師和結構工程師都是圍繞著這三個主題進行探索和實踐。

下圖中包含了產生優雅的外露結構的若干原則，這些原則都體現了美和優雅的元素，并且不是孤立的，而是作為一個整體。

這些原則大致可以歸納為以下幾個方面：

（1）  結構一般原則，包括安全性、可靠性、經濟性，施工便利性，滿足建筑基本功能等；

（2）  高效結構原則，包括明晰性（優先選擇力學概念簡單清晰的合理結構體系）、高效率（合理的結構即是將適宜的材料予以最大效能的利用）、創新性（實現明晰和高效率的途徑）等；

（3）  與建筑表現有關的原則，包括真實性（形式與結構在原則上和邏輯上相符）、有表現力、有美感等；

（4）  與整體考慮有關的原則，包括統一性（結構整體與細部的統一，結構與建筑功能的統一）、對社會和生態的影響、與環境相協調等。

接下來作者將從多個層次，分析結構與建筑融合設計的不同切入點。本文主要是從設計案例出發，歸納、借鑒。下一篇文章將以虹橋機場T1航站樓為例，介紹建筑結構融合設計在自己項目中的實踐。

傳承與發展，從經典項目中吸取更多的營養

經典項目隨著時間流逝逐漸沉淀為建筑文化，其中蘊含著豐富的語言，建筑結構融合設計更要從中吸取營養，實現傳承和發展。

形式的巧合

經典項目三鉸拱橋和懸挑雨篷的曲線形態不謀而合，在法國的Licorne Soccer Stadium結構中采用的豎向懸臂形式也隱約可見懸挑雨篷的形象，而比利時的一座自行車橋根部也是這樣的曲線形態，但現在采用鋼結構材料，截面尺寸比混凝土結構更小。

比利時的某人行橋與著名的甘特橋、SBP的鐵路橋有形似之處，但更顯得輕盈。

Y形柱的新生

從奈爾維的小羅馬體育館Y形柱，到安藤忠雄的Y形柱，馬德里機場和浦東機場T2的鋼結構Y形柱，舊金山某交通車站的變換后的Y形柱，在傳承中有發展，產生不同的建筑效果，體現了一種生長的力量。

樹形柱的風潮

從圣家族大教堂的樹形柱，到卡拉特拉瓦的樹形柱，某大學的樹形柱，到斯圖加特機場和沙特某機場的樹形柱，再到TT設計的網格狀樹形柱，出現了一股樹形柱的風潮，只要有變化、夠美觀、有新意，相信未來仍然會有發展。

希斯羅機場T5的分叉柱和虹橋機場T1改造項目中采用的分叉柱也可看作是樹形柱的一種，從傳承中得到發展，取得較好的效果。

結構與光帶共舞

從奈爾維的側天窗和頂部光帶，到坎德拉造型別致的落地窗和教堂天窗，到吉隆坡機場和舊金山機場的屋面天窗，再到普爾科沃國際機場現代感的天窗，有時候與外露結構沒有特別的關系，但是結構與光帶的完美結合可能產生特殊的效果，需要我們加以探索發展。

從建筑結構融合設計目標出發的整體性啟示

將建筑結構融合設計的目標和原則落實到具體設計中，我們發現，自己目前設計中有所欠缺的內容可以概況為以下幾個英文單詞：Elegant, Light，Transparency, Simplicityand Clarity。下面分別介紹。

優雅的形態和布置

從線、面、體各個層次，采用曲線形、拱形、螺旋形、S形、樹葉型、弧形和球形曲面、自由曲面等形態，直線類形態時可采用立體切割形態（案例數量較少），這些形態能帶來舒展、自由、靈動的視覺體驗。

優雅的結構布置方式和內部劃格也是一種幾何形態，通過陣列、徑向和環向、交叉布置方式，形成三角形、四邊形、菱形等連續的規則或漸變網格，能帶來韻律、秩序和節奏感。

當代建筑是多樣性的，與有序、韻律相對立，在特定情況下，某些看似雜亂但錯落有致的布置方式，也有可能被認為是優雅的形態。

輕盈的體系和桿件

采用受力直接的拉壓體系截面纖細，因而比受彎體系更顯得輕盈，對視覺影響小的細吊索、細張弦等能提升輕盈感。

在荷載較小時采用大長細比的柱子，或將抗側力體系與豎向體系分開，能帶來輕盈感。

可通過懸挑、分叉集中等體系選擇，盡可能減少落地構件，達到表現輕盈需求的效果。大構件的離散化如網格筒也是實現輕盈效果的一種方式。

懸挑收邊結構本身或建筑實現極為輕薄的造型，通過細節處理帶來視覺上的輕盈感。

選擇外露的吊掛平臺、吊掛樓梯等輕巧結構，可以用較小的代價達到點睛的效果。

通透的玻璃結構

配合玻璃透光的主結構采用單層的輕薄結構，主結構與玻璃次結構的構造合二為一能做到最大程度的通透；當不能合二為一時，盡可能不在主結構上簡單重疊次結構或通過一定的顏色差異區分，以減小次結構的影響。

跨度不大的結構可以選用扁形構件甚至鋼片，實現通透的目的?？缍容^大時，圓管構件和三角形截面的構件在不同角度下都能達到更通透的目的。

清晰的受力表達

清晰的表達，指外露的構件或者部件的作用是易于讀懂的，符合結構受力基本原理的，每個結構都遵循基本的受力原理，越是簡單的原理越容易被清晰的表達，包括節點連接方式。

采用剛接拱形結構、兩鉸拱結構、三鉸拱結構等設計，桿件截面大小變化或者拉索桿件的采用，與彎矩圖相符，都能清晰的表達結構。

曲面形和折板形梁式結構、圓形平面的單邊支撐懸挑結構、帶有后座桿件的懸挑結構等以簡單的結構原理為基礎發展而成，不是最經濟的結構形式，但仍可能是清晰表達的結構。設計這類結構的前提是對結構基本原理有清晰的認識，結合工程條件變化無窮、靈活應用。

清晰的表達可能不是完全根據受力得到，不完全忠實于受力，有時候會表現為略微偏離合理的受力，有時候會表現為外包造型的藝術化處理。

簡單純凈的結構

簡單的結構與通透的結構、清晰的受力有重疊之處，從體系上來說，結構中的構件都有其存在的必要，沒有多余構件，某些情況下為了提高冗余度而存在的構件也有其必要性。

從構件層次來說，兩端鉸接柱的變截面處理、懸臂梁的變截面、梁上開洞處理、空腹桁架的采用等，都屬于簡單純凈的結構，把構件上不需要的部分去除了，形成結構語言。

構件和節點設計的其他啟示

構件設計

因制作方便，圓管在曲面結構中應用有優勢，管件相交方便，效果較好。需要三向相交時，可以采用矩形截面與圓管混合的形式。

因為線條和陰影帶來的視覺影響強于平面，十字形柱在荷載較小時可能會是合適的選擇，多邊形柱也可以考慮，甚至對較大的柱子進行不規則體面切割成多維變截面。某些情況下橢圓形比圓形更有美感，橢圓形柱截面也可能是一種選擇。

拱形和曲梁中采用的異形截面，使相對單調的結構富有活力。

外露桁架結構的弦桿外觀尺寸保持不變，可以通過厚度調整，腹桿外觀尺寸如需變化也應與長度相適應，沒有突變。

柱子和梁截面的細部線條裝飾在視覺上有其作用，但國內較多項目的此類構件平直度不夠，與焊縫設計有關。

以法國邯錫教堂為參考，小柱距承重結構的均勻圓柱高度與直徑比值為25是比較適宜的；以大柱距的支撐屋蓋懸臂鋼管混凝土柱采用變截面形式，外露高度與底部最大直徑之比大約小于8時就顯得笨重，宜大于10。

 

節點設計

不同類型的多桿件相交不一定都要一個平面內，有時候允許偏心連接可能帶來便利。

將起結構作用的加勁板、連接板等部件藝術化，切割、圓弧倒角處理，細節精致的藝術產品。

便于現場連接的設計基礎上進行藝術化處理，現代工業化特征。

造型漸變，從鉸接節點到實體和大面的“過渡”做法，符合力流擴散的基本原理，清晰的表達。

基于拓撲分析和優化手段，可能采用這樣的拉索連接節點設計，頗具未來感，而且材料用量大大減少。

本文授權轉載自公眾號iStructure（id:iStructure2017)

作者：張耀康