几乎每个建筑时代都跟结构的探索相关联,人们通常会得出“建筑等同结构”的结论。或许因为在当时,建筑师的努力主要就集中在结构的问题上,但那不是无视两者区别的理由。毫无疑问,建筑师对结构的掌握,至少达到精通的程度,就像思想家对语法的掌握。而且,结构远远比语法困难和复杂,建筑师应该在这个方面做出很大的努力,毕竟这是他职业的重要组成部分。但是他不应该止步不前。

勒·柯布西耶 Le Corbusier

01 作为工程学的结构:建筑物如何站起来

存在100%安全可靠的结构吗?

正常使用状态下,结构的冗余是否是必然的?

“结构效率”与“结构合理”之间是否存在必然的联系?

严格地说,建筑在审美方面唯一的题材就是作用力和刚性之间的斗争。它的难度在于使这一斗争完善、明晰地显露出来。解决问题的办法在于:剥夺这些力传导的最短途径,并使它们沿着迂回的途径传导。因此,这种斗争就被延长了,力的的作用变得可见了……

亚瑟·叔本华 Arthur Schopenhauer

工程式态度:为利用其结构属性而配置材料,用最少的材料来最大化地围合空间。从一个角度来看,这是西方传统(建筑本应厚重,并暗示永恒)的反面。而从另一个角度看,它又很好地符合哥特式的传统。对于维奥莱·勒·杜克来说,高耸的法国哥特式建筑可以被解释为高效利用材料的结果……在任何情况下,材料的经济性都不能自然而然地获得劳动力的经济性、资本的经济性。而在小的尺度上,它甚至不会产生出合适的建筑形式。

爱德华·R·福特 Edward R. Ford

可以将自主性结构系统分为两种:有效截面系统(active cross-section)和主动式系统(active form)。如果一个部件的尺寸符合万有引力定律,它本身是稳定的,并且水平力作用力可以在它的横截面内传递,我们就说它是“有效截面”的结构。当受力构件的形式与内部力流路径相吻合时,我们可以建造更纤细的“主动式”的结构。“主动式”的结构通常劳动密集度更高,但需要的材料更少,结构力的传递路径也更清晰,而“有效截面”的结构消耗更多的材料,力的路径更迂回,但通常施工更方便,造价更低。

安德烈·德普拉泽斯 Andrea Deplazes

即使完全或部分地忽略结构上的原则,也可以设计出满足美感要求的建筑物,例如将一栋木造神庙转变成石造结构的想法,就使希腊人创造出了建筑上的一大巨作──帕特农神庙,然而若从纯粹结构的角度来判断,帕特农神庙根本不是“正确的”。另一方面,有些工程师不断地鼓吹人们可以不考虑美学,他们认为“正确的”结构自然会让它散发出美感来。然而事实上有太多的例子说明“正确的”结构很可能看起来很“丑陋”。

马里奥·萨瓦多里 Mario Salvadori
图源: Heino Engel. 《Structure Systems》.
图源: Heino Engel. Structure Systems
常用结构材料容重抗拉强度设计值抗压强度设计值弹性模量
钢材78 kN/m³200~400 Mpa200~400 Mpa200,000 Mpa
混凝土23 kN/m³1~2 Mpa7~30 Mpa21,000~31,000 Mpa
木材4.80 kN/m³2~10 Mpa9~16 Mpa7,000-13,000 Mpa
砌体19 kN/m³0.1~0.2 Mpa 1~6 Mpa5,000~25,000 Mpa

结构矛盾:作用效应 VS 结构抗力

极限状态设计作用组合永久作用可变作用伴随可变作用
承载能力极限状态基本组合1.3 Gk1.5 Qk1.5 ψc · Qk
正常使用极限状态(不可逆)标准组合Gk Qkψc · Qk
正常使用极限状态(长期效应是决定性因素)准永久组合Gk Qkψq · Qk
GB 55001-2021 工程结构通用规范

以建筑结构中安全等级为二级(γ0=1.0)、设计使用年限为50年(γL=1.0)的钢筋混凝土轴心受拉构件为例。设永久作用标准值的效应NGk=10kN,可变作用标准值的效应NQk=20kN,钢筋强度标准值fyk=400N/mm2,求所需钢筋面积As取γG=1.3,γQ=1.5,γs=1.1,作用组合的效应设计值Nd=γGNGk+γQNQk=1.3×10+1.5×20=43kN,取Rd=Asfyks=Nd=43kN,则As=43×1.1/(400×0.001)=118.3mm2

结构的精神就是一种对力的抗争,是一个”迂回“的游戏,追求力传递的简短直接意味着妥协。结构合理性的评判应具有多元的价值取向,是在空间尺度与布局的诉求、材料经济性、劳动经济性、建筑氛围之间寻找一个平衡点。

02 作为秩序的结构:结构与形式

如果结构冗余是必然的,是否可以明确区分冗余部分与非冗余的部分?

如果可以区分,冗余部分在形式上是否是自足的?

如果两者无法区分,建筑的形式(作为秩序的结构)是否依赖于结构的形式(作为工程学的结构)?

如果我们以人类的智慧,会确定无疑地给蜥蜴一个钢的下巴,给磨齿兽一个铸铁的头骨,而忘却那所有生物都见证的宏大法则:秩序和系统比力量更高贵。

约翰·拉斯金 John Ruskin

鸟蛋是一个独立住所的典范,它不是被它的居住者所创造,也不是居住者的大小和形状的表现形式,只是它的居住者需要它,它才将自己的形状和尺寸提供给居住者。从本质上讲,这样一个容器的形状源自于它自己的需要—稳定、简洁等,对所有容器来说都是这样,包括人类建筑。

鲁道夫·阿恩海姆 Rudolf Arnheim

我们必须选用一些在我们建成后不会过时的、永恒不变的东西,其答案显然是结构的建筑。它并不昂贵,然能持续长久。它来自严格的逻辑,而不是一时的冲动。

密斯·凡·德·罗 Ludwig Mies Van der Rohe

巴塞罗那馆可被称为开放的平面(open plan),这与“体积规划 ( Raumplan )或自由平面(free plan)形成对比。这样说是因为巴塞罗那馆的柱子设置,完全不同于柯布西耶的柱子处理,虽然围合的元素与建构的元素都被区分开来,而后者使得围护墙能够自由地移动。

范斯沃斯住宅中,密斯引入了外侧柱的做法,通过提出柱子符号的概念来反思结构。密斯运用柱子方式的变化,表明了他从抽象向真实的转变:表现柱子的符号就是真实的柱子,暴露在实际楼板的外侧。所以说,范斯沃斯住宅抛出了两个问题:其一,结构再现相对于结构本身的问题;其二,去除柱子的空间整体价值。

从某个角度来讲,密斯的建筑发展,是对多米诺图解中水平连续空间的持续批判……对密斯来说,柱子界定并限制空间单元;而对柯布西耶来说, 空间围绕着柱子流转,所以柱子更像是支点而非转角。

彼得·艾森曼 Peter Eisenman

密斯对空间创造的敏感反映在对结构施加的秩序中,他很少考虑建筑“想要成为什么”。勒·柯布西耶感觉到了空间“想要成为什么”,但是他很不耐烦地忽略掉了秩序而直接奔向形式。

路易斯·康 Louis Kahn

勒·柯布西耶致力于将空间的形式从承重层面的影响中解放出来,路易斯·康却把空间与结构视为密不可分。

伯纳德·卢本 Bernard Leupen

你应该记得路易斯康,他区分所谓的服务空间与被服务空间,或许你也记得密斯和柯布,他们试图引入人际活动与生产过程的秩序,这是回归到结构为主的方法吗?我真的很钦佩他们的思想,我惟一的批判是,他们对秩序太过于着迷,深信自己有义务透过建筑的方式来表达,我对此感到困惑,也觉得难以置信。他们有一些论述完全令人无法置疑,但是完全以建筑的语言来表达时,却又让人难以接受。

雷姆·库哈斯 Rem Koolhaas

03 作为想象的结构:轻与重/ 知觉与移情

“结构”真的存在吗?它是否只是一个用来解释事物的人造概念?

如果“结构”只是一个人造概念,它是否只存在于经验当中?

“结构”就是在目击者眼中显现为结构性的东西。

巴蒂斯塔·瓜里尼 Battisa Guarini

当承重情况不为人所知,那么将其真实承重情况隐藏起来也就不算欺骗了,它只是让人以为真实的承重情况就是如此。

约翰·拉斯金 John Ruskin

建筑并非必须展示其结构不可,我们也不能抱怨它隐藏了结构,这就如同我们人体的外表隐藏了大部分骨骼一样……不让人们知道所承受的重量,同时隐藏承重的手段,只把人们心目中足以承受重量的支撑部分显露出来,这并不是欺骗……倘若骨架用木制而不是石制,粉刷后看起来和石制一样,那么毫无疑问,这就是欺骗,绝对不可原谅……引进一些本该具有或者宣称具有某种作用的结构,但是实际上却没有,更应受到谴责。

约翰·拉斯金 John Ruskin

年轻的建筑师们常常问到的一个问题是:有没有必要展露结构?……对不起!展露结构,对于急于证明自己能力的工艺美术专业的学生来说,是无可厚非的。万能的大自然让我们的手腕和脚踝显露在外面,但其他部分可没有显露着……除了展露结构,建筑还有别的意义及目的。

勒·柯布西耶 Le Corbusier

当上帝中心论逐渐式微,就兴起用新主体和新客体的术语来解释每种说教的需求。维特鲁威说,建筑应该坚固、适用、美观。阿尔伯蒂暗示,这不是维特鲁威真正的意图。阿尔伯蒂提出,维特鲁威的意思并非建筑物应该“是”符合结构的,而是说它们应该“看起来像”符合结构的。

彼得·埃森曼 Peter Eisenman

材料以及方法的经济性被着重强调,当约阿尔伯特描述“节约”的时候,他指的并不仅仅是“浪费”的对立面,而也是为了做出“无重量感的元素”。

姬莲·奈勒 Gillian Naylor

我们不要认为了解结构特性是欣赏结构美感的必要条件。双曲拋物面屋顶是最有效的屋顶结构形式之一,普遍为人们所赞美,但大部分人并不了解它的结构原理。

马里奥·萨瓦多里 Mario Salvadori

我们对视觉力的经验所知甚少,它可能是肌肉运动知觉直接遗留下来的,也可能归因于我们借助观察到的现象来理解物体。没有物理公式自动地对视觉效果做出反应的保证,即荷载看起来就是它“是”的方式。因为我们是在做空间的心理体验,因此更多地依赖于观者如何看待空间位置并赋予它以结构的。建筑师必须决定他想让其建筑承载多少重力以及他想把重力放在哪里,这就是风格的实质。

鲁道夫·阿恩海姆 Rudolf Arnheim

康的作品中最引人注目的特质是:某些通常被与“轻”材料相关联的构造,最终是由“重”材料来实现的。对于耶鲁大学艺术馆的天花板来说,有什么比那用“重”的混凝土做成的“轻”钢结构空间框架更具魅力呢?对于理查德医学研究大楼来说,有什么比那用预制混凝土呈现的轻质,如木构般的结构更具魅力呢?

爱德华·R·福特 Edward R. Ford

没有必要特意去做“新的形态”,而且计算机做出来的形态并不美。即便是考虑实际的过程,以人的感觉为起点很重要。然而,由于并非直接就可以实现,需要采用计算机的优化手段,来做出想要的造型。结论还是,只有以人的感觉为好的,才是真的好。以现代人的感觉来说,比起稳定的事物,更喜欢不稳定的事物。安定的形态,比如像圆形、穹顶这样,总让人觉得矮墩墩的。已经让人觉得无聊厌倦。可如果不是以这样朴实的感觉为基础,就不会做出既丰富又好的事物了吧。

佐佐木睦朗 Mutsuro Sasaki

铁的用途就是将很高的承载能力浓缩到纤细的结构上……铁拓展了空间。墙面可以变成透明的玻璃外壳……这导致了新的设计规则。

希格弗莱德·吉迪恩 Sigfried Giedion

纤细与粗壮/结构与尺度

在小尺度中成立的结构放大到大尺度不一定能成立。截面尺寸、自重、应力、挠度都会随绝对尺寸呈指数增长,而不是线性增长。因此,结构构件的“合适比例”只在特定的尺度范围内才有意义。

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同比例的结构,由于挠度与应力随着绝对尺寸增大而使结构失效
图源:柯特·西格尔 Curt Siegel 《 现代建筑的结构与造型 》

如何表现轻?

  1. 使用透明、轻薄的材料。
  2. 化整为零,缩小构件的截面尺寸,变得纤细。
  3. 构件隐藏,只展现一部分。

如果表现重?

  1. 使用厚重的材料。
  2. “独石”的意向。
  3. 结构冗余。

结构建筑师