邢 義 杭

(河北工程大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院,河北 邯鄲 056038)

1 建筑與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

建筑與結(jié)構(gòu)的關(guān)系是一個(gè)常談常新的話題，在工程實(shí)例中，在建筑理論的發(fā)展歷史里，建筑與結(jié)構(gòu)雖然有不同的專業(yè)范疇，但它們一直結(jié)合緊密。

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展較快，從北京唯美動(dòng)人的水立方體育館到廣州挺拔輕快的“小蠻腰”電視塔，建筑美學(xué)都得到空前的發(fā)展，美學(xué)是人類欣賞藝術(shù)的重要組成部分，也是社會(huì)文化的載體。從設(shè)計(jì)研究和工程實(shí)踐上來(lái)看，鋼材能夠形成很多結(jié)構(gòu)體系，比如網(wǎng)架、殼體、懸索、充氣結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)等等，設(shè)計(jì)師選用這類新型體系為我國(guó)創(chuàng)造出了大量的優(yōu)美建筑，但是我國(guó)對(duì)于建筑美學(xué)和鋼結(jié)構(gòu)交叉學(xué)科的研究還存在很大空白，這是建筑領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿σ彩切聲r(shí)代的挑戰(zhàn)。

1.2 古代研究

在古代中國(guó)，建筑工作者統(tǒng)稱為工匠，工匠就是要將一座建筑物徹底完成，包括規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)甚至還要參與施工和監(jiān)理，比如曹操建造鄴城和宇文愷營(yíng)建東都洛陽(yáng)。還有我們熟知的維特魯威，本是一名軍事工程師，但他留給后人的經(jīng)典《建筑十書(shū)》卻成為最早的建筑學(xué)知識(shí)體系?？梢?jiàn)，要想真正做好建筑設(shè)計(jì)，就不能忽略建筑、結(jié)構(gòu)等其他學(xué)科之間的關(guān)系。

1.3 現(xiàn)代研究

現(xiàn)代很多建筑師做設(shè)計(jì)有個(gè)通病，就是割裂了建筑與結(jié)構(gòu)的直接聯(lián)系，這會(huì)造成工程技術(shù)的脫節(jié)，一個(gè)方案經(jīng)過(guò)多方面的設(shè)計(jì)變更就會(huì)變得面目全非。還有些設(shè)計(jì)過(guò)于強(qiáng)調(diào)藝術(shù)審美，雖然增大了建筑美學(xué)的靈活度，但也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)，比如悉尼歌劇院，建筑師約恩·烏松以橘子皮為創(chuàng)作的靈感，雖然設(shè)計(jì)出優(yōu)美的建筑體態(tài)，建筑方案也贏得大設(shè)計(jì)師沙里寧的喜愛(ài)，并且中標(biāo)，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常困難，力學(xué)計(jì)算也相當(dāng)復(fù)雜，如果沒(méi)有新技術(shù)，建筑造價(jià)高昂，難以實(shí)現(xiàn)。后期多虧結(jié)構(gòu)師的努力幫助，研究出新型模板，把歌劇院的“殼”成功建造出來(lái)，最終將這個(gè)杰出的設(shè)計(jì)構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?？梢?jiàn)，結(jié)構(gòu)對(duì)于建筑美學(xué)的實(shí)現(xiàn)有很深入的影響。

1.4 鋼結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)是一種金屬材料，輕質(zhì)高強(qiáng)，質(zhì)地均勻，H型鋼、工字鋼、槽鋼、角鋼以及冷彎薄壁型鋼等制成的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)多適用于高層建筑、外形復(fù)雜的藝術(shù)館、大跨度體育館等公共建筑以及工期緊張的工程。鋼結(jié)構(gòu)時(shí)常給人一種簡(jiǎn)潔、明快、富有力度的感覺(jué)，對(duì)于建筑的審美來(lái)說(shuō)，可以發(fā)揮技術(shù)上的支撐，比如建筑美學(xué)中的統(tǒng)一、均衡、比例、尺度、韻律等等藝術(shù)手法都可以依托鋼結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。與鋼結(jié)構(gòu)相比，混凝土結(jié)構(gòu)有自重大、材質(zhì)不均勻、易出現(xiàn)裂紋、抗拉能力差等缺陷，而且混凝土的大量數(shù)據(jù)還需要在實(shí)驗(yàn)室獲得，施工復(fù)雜、后期養(yǎng)護(hù)繁瑣，可以說(shuō)混凝土結(jié)構(gòu)不適用于外形多樣的大空間建筑。鋼結(jié)構(gòu)在受力方面也有許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)殇摬馁|(zhì)地均勻，所以運(yùn)算相對(duì)簡(jiǎn)潔，因此，鋼結(jié)構(gòu)建筑方案的設(shè)計(jì)非常大膽，力學(xué)審美也時(shí)常令人傾倒。

鋼結(jié)構(gòu)還常常與其他建筑材料聯(lián)合使用，比如鋼木結(jié)構(gòu)、鋼材和玻璃的組合等等。現(xiàn)代設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)做支撐，其他建筑材料作為維護(hù)的建筑現(xiàn)象十分常見(jiàn)。

2 鋼結(jié)構(gòu)與建筑美學(xué)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)美學(xué)

節(jié)點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)建筑中作用十分顯著，是必不可少的部分。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)由以下幾部分組成：節(jié)點(diǎn)區(qū)、被連構(gòu)件、連接件或者連接材料等等。鋼結(jié)構(gòu)是一個(gè)組合體，需要連接，現(xiàn)在常用的連接方式是焊接、普通螺栓和高強(qiáng)螺栓連接。埃菲爾鐵塔屬于鉚釘連接，現(xiàn)在已經(jīng)使用不多。

在邯鄲北湖公園有座鋼結(jié)構(gòu)的橋梁，跨度不大，橋梁的連接方式是六角頭的普通螺栓連接。普通螺栓一般分為三級(jí)，根據(jù)受力的種類又分為抗剪螺栓、抗拉螺栓和同時(shí)承受剪拉的螺栓，為保護(hù)結(jié)構(gòu)，螺栓的節(jié)點(diǎn)處一般添加墊板。北湖橋上整齊又密實(shí)的螺栓連接就是非常典型的節(jié)點(diǎn)形態(tài)，不但保證了橋梁的受力，而且設(shè)計(jì)師故意將節(jié)點(diǎn)構(gòu)件裸露，隨著湖水的倒影，螺栓處的節(jié)點(diǎn)更加表現(xiàn)出橋梁的堅(jiān)固和美觀。力學(xué)和美學(xué)有相通之處，比如古代趙縣的趙州橋，隋朝匠師李春設(shè)計(jì)，歷經(jīng)一千多年屹立不倒，橋身的力學(xué)模式經(jīng)過(guò)現(xiàn)代技術(shù)的驗(yàn)算接近完美。趙州橋在力學(xué)上的杰出設(shè)計(jì)從客觀上也促成了美學(xué)的成功，許多游客觀賞趙州橋，都會(huì)贊嘆美觀的橋身。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的材料美學(xué)

鋼材富有金屬光澤，在陽(yáng)光照射下還能變色。鋼材的這種美學(xué)屬性是其他建筑材料所不具備的。鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)并未普及，這種結(jié)構(gòu)體系的巨大潛力也必將帶來(lái)一種流行的材料美學(xué)。

北京的體育館鳥(niǎo)巢就是將結(jié)構(gòu)不加裝飾的裸露在外側(cè)，高大的鋼結(jié)構(gòu)在空間上并沒(méi)有像通常的建筑那樣將柱子和梁區(qū)分出來(lái)，反而相互斜交形成美觀的外形，鋼結(jié)構(gòu)的材料美學(xué)在鳥(niǎo)巢這座建筑中成為吸引世人的一大亮點(diǎn)。

紐約的古根海姆博物館是解構(gòu)主義大師蓋里的優(yōu)秀作品。這座建筑，大量使用鋼材，并且盡量減少修飾。金屬的外形使整座建筑顯得神秘又震撼，奇特的形態(tài)和光亮的金屬外表皮在陽(yáng)光的照射下發(fā)出耀眼的銀光。這就引出一個(gè)聯(lián)想，在魏晉時(shí)期，嵇康酷愛(ài)打鐵，他還修建一座水池，打鐵累了就在水池中沐浴。當(dāng)嵇康打鐵時(shí)，他古銅色的肌肉，充分展示著力學(xué)與美學(xué)的完美結(jié)合，與古根海姆博物館的建筑設(shè)計(jì)有著異曲同工之妙。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)的空間美學(xué)

空間是建筑最重要的組成部分，可以說(shuō)在建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，空間處理的優(yōu)劣將決定方案的成敗。而建筑空間的形式取決于結(jié)構(gòu)，即承重體系和維護(hù)體系。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)的跨度越來(lái)越大，風(fēng)格也日趨多樣，鋼結(jié)構(gòu)由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，逐漸在建筑空間的設(shè)計(jì)中占有重要的地位。

鋼結(jié)構(gòu)是一種桿件化的結(jié)構(gòu)體系，與混凝土相比，擁有輕巧的質(zhì)量和較小的截面尺寸。鋼結(jié)構(gòu)的建筑，能在建筑空間上形成穿透性和靈活性。

北京的國(guó)家大劇院，其建筑師保羅·安德魯經(jīng)歷過(guò)建筑、工程和美學(xué)的深度體驗(yàn)和學(xué)習(xí)，并且以前經(jīng)常設(shè)計(jì)機(jī)場(chǎng)這類大空間建筑，他對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料的性能、受力非常熟悉。安德魯?shù)拇髣≡悍桨革L(fēng)格簡(jiǎn)潔大方、空間跨度大、功能靈活。大劇院是典型的大跨空間結(jié)構(gòu)，美學(xué)經(jīng)過(guò)規(guī)范設(shè)計(jì)，外形是半個(gè)橢圓，周圍是水池，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，建筑和水的倒影結(jié)合在一起，很像一枚蛋。從大劇院內(nèi)部可以清晰的看到結(jié)構(gòu)形態(tài)，頂部是鈦鋼的板殼結(jié)構(gòu)，側(cè)面是鋼網(wǎng)架搭配著弧形玻璃幕墻，空間的穿透性良好，視覺(jué)審美震撼，尤其是雨季，流水自上而下，配合外部的水池，仿佛模糊了室內(nèi)外空間的界限。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)建筑實(shí)例

在天津，有座綜合性的鋼結(jié)構(gòu)建筑——天津市自然博物館，位于天津市河西區(qū)，與天津博物館、天津圖書(shū)館和天津大劇院相鄰，是天津市的標(biāo)志性建筑之一。

天津市自然博物館的結(jié)構(gòu)選型主要是空間網(wǎng)架、殼體結(jié)構(gòu)、變截面箱形梁和鋼管圈梁等。博物館的構(gòu)思新穎，它運(yùn)用仿生原理，將整座建筑的外型設(shè)計(jì)為一個(gè)“展翅飛翔的天鵝”。天鵝的頸部是建筑的走廊，兩邊是水池。走廊后部尺度陡然增大，就是環(huán)形弧狀的“天鵝身體”，也是建筑的主體部分，整座建筑搭配天藍(lán)色的玻璃幕墻，流線順暢，韻律和諧，貼近自然，還和天津這座濱海城市的風(fēng)格結(jié)合到了一起。

博物館主要使用大跨空間結(jié)構(gòu)，主梁是多組變截面鋼框架梁，并有次梁、加勁肋和多組鋼架支撐、上部裝飾玻璃幕墻，形成曲面，下部配合使用了混凝土立柱。鋼材質(zhì)量輕盈但在工程中容易失穩(wěn)，鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)壓能力較弱，大風(fēng)過(guò)后，有的輕型鋼結(jié)構(gòu)屋架會(huì)被掀翻。因此，鋼結(jié)構(gòu)建筑一般配合混凝土使用，因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)自重大、抗壓能力強(qiáng)，相對(duì)穩(wěn)定。在博物館的1層大廳就建造了一排清水混凝土V形柱。清水混凝土的立柱不用裝飾，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)曲面梁起到了支撐作用，也增加建筑的自重。在類似天鵝頸的走道，設(shè)計(jì)師使用八個(gè)傘狀環(huán)形鋼柱作為支撐體系，上部的環(huán)形圈梁均勻承受水平荷載，斜向和豎向的壓力、剪力通過(guò)圈梁傳遞給柱子。這種設(shè)計(jì)方案受力均勻，最重要的就是將穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)與優(yōu)美的建筑造型成功結(jié)合起來(lái)。

博物館的屋蓋使用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，和國(guó)家大劇院的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類似，節(jié)點(diǎn)處采用多種形式的板膠節(jié)點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)受力靈活、造價(jià)不高，在國(guó)內(nèi)工程中首次采用。鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)多用于公共建筑，在博物館中實(shí)現(xiàn)了大跨度、大空間、采光合理、功能分區(qū)靈活的優(yōu)勢(shì)。天津市自然博物館是多種類型的鋼結(jié)構(gòu)與建筑美學(xué)組合設(shè)計(jì)的成功案例，也在建筑學(xué)科的前沿開(kāi)闊了新技術(shù)、新體系的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語(yǔ)

本次論文以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，初步探討了結(jié)構(gòu)與建筑的關(guān)系，同時(shí)以鋼結(jié)構(gòu)與建筑美學(xué)結(jié)合為論述重點(diǎn)，表達(dá)了結(jié)構(gòu)與建筑的密切聯(lián)系。在未來(lái)的建筑發(fā)展中，建筑的審美趨于多元化，而結(jié)構(gòu)與建筑也將愈走愈近，并且可以創(chuàng)造更多的奇跡。