建筑材料與建筑形式

建筑材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計理念結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展，自工業(yè)革命以來發(fā)生了幾次井噴式的大發(fā)展，產(chǎn)生過許許多多的優(yōu)秀工程師和美輪美奐的傳世之作。既然題目限定為近百年來，為方便起見，我把敘述范圍限定為自20世紀(jì)初以來大規(guī)模應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的新材料，包括鋼筋混凝土、高強結(jié)構(gòu)鋼、鋼索、玻璃、膜、現(xiàn)代意義上的工業(yè)加工木材。討論的范圍不包括新材料的本構(gòu)關(guān)系與其力學(xué)性能、計算方法之間的關(guān)系，僅著眼于新材料與結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)選型之間的關(guān)系。此外，我把范圍限定在我比較熟悉的建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，不涉及不熟悉的橋梁結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)、道路結(jié)構(gòu)等其它領(lǐng)域。如此一來，這個問題就相當(dāng)于一篇20世紀(jì)初以來建筑結(jié)構(gòu)材料與建筑結(jié)構(gòu)形式之間的關(guān)系的綜述。水平有限，不能提綱挈領(lǐng)，只能管中窺豹，分成幾個部分說一下自己的理解，不當(dāng)之處，還請大家指正。鋼筋混凝土-結(jié)構(gòu)藝術(shù)鋼筋混凝土出現(xiàn)于19世紀(jì)末期，在20世紀(jì)初開始大規(guī)模應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，并迅速得到廣大結(jié)構(gòu)工程師的喜愛。即使在21世紀(jì)的今天看來，鋼筋混凝土依然是人類所能想到的最完美的建筑結(jié)構(gòu)材料。不僅僅是力學(xué)性能、耐久性、經(jīng)濟性能優(yōu)秀，更重要的是，混凝土具有前所未有的極其優(yōu)異的可塑性能，讓人類終于可以完成自由形狀的結(jié)構(gòu)形式。各種各樣的幾何形狀，只要你想得到，并且能用木材、塑料、或者鋼材做出模板來，在其中澆筑混凝土就能得到這個形狀的混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計與雕塑藝術(shù)的界限變得模糊起來，這一點是鋼材、木材、磚石材料幾乎永遠(yuǎn)無法做到的。從20世紀(jì)初期一直到20世紀(jì)六十年代的這段時間可以說是鋼筋混凝土發(fā)展的黃金時期，活躍于這期間的多位“鋼筋混凝土詩人”把混凝土結(jié)構(gòu)的藝術(shù)推上了一個又一個高峰。這些杰出的工程師包括但不限于：羅伯特■邁拉特、愛德華■托羅哈、費利克斯■坎德拉、奧韋■阿魯普、海因茨■伊斯拉。

最上圖是費利克斯■坎德拉1957年設(shè)計的羅斯馬南泰阿斯餐廳，跨度30米的花瓣狀殼體厚度僅為4厘米，堪稱是整個結(jié)構(gòu)工程歷史上的不朽杰作。左下圖是愛德華■托羅哈1951年設(shè)計的正十二面體煤炭倉庫，充分體現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)的可塑性能。右下圖是奧韋■阿魯普（奧雅納的創(chuàng)始人，其實奧雅納就是他名字Arup的官方文雅化的翻譯）1933年與建筑師勒貝特金合作設(shè)計的倫敦動物園企鵝池，兩塊受扭的曲線混凝土板，隱喻了企鵝搖搖擺擺的憨態(tài)可掬。雖然這些混凝土藝術(shù)品用料很省，本身又有極大的美學(xué)價值，但它們的最大缺點就是需要大量的勞動力，復(fù)雜模板的搭設(shè)、鋼筋網(wǎng)片的布設(shè)，這些工序必須現(xiàn)場手工完成，無法工業(yè)化操作。20世紀(jì)70年代以后，隨著勞動力價格的持續(xù)上漲，這類混凝土結(jié)構(gòu)的施工費用水漲船高，在高度工業(yè)化的鋼結(jié)構(gòu)的競爭下徹底喪失了經(jīng)濟優(yōu)勢，逐步退出歷史舞臺。自20世紀(jì)70年代以后，除了瑞士的海因茨■伊斯拉還在堅守著混凝土藝術(shù)最后的余輝之外，混凝土殼體幾乎銷聲匿跡。不過，近些年來約格■施萊希和其它工程研究人員和工程師提出了用充氣氣球替代傳統(tǒng)模板、用噴涂速凝混凝土替代傳統(tǒng)混凝土的工藝，也許在未來還能看到混凝土藝術(shù)重新活躍在結(jié)構(gòu)工程的舞臺上。鋼筋混凝土和鋼材一結(jié)構(gòu)框架與建筑外皮的分離梁柱框架可以稱之為20世紀(jì)的代表性結(jié)構(gòu)體系，這樣的結(jié)構(gòu)形式不可能由之前占主導(dǎo)地位的磚石材料實現(xiàn)。框架結(jié)構(gòu)的概念在20世紀(jì)初期出現(xiàn)，隨著彎矩分配法、D值法等力學(xué)計算方法的成熟和鋼材、鋼筋混凝土這兩種合適材料的發(fā)展而迅速普及?？蚣荏w系的意義在于使得結(jié)構(gòu)骨架與建筑外皮徹底分離，一定意義上，結(jié)構(gòu)工程師與建筑師的職責(zé)徹底分道揚鐮。對于磚石砌體結(jié)構(gòu)，建筑表皮和結(jié)構(gòu)骨架其實是同一個東西，就是那些厚重的砌體墻。框架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，不僅僅讓結(jié)構(gòu)高度可以提高、重量可以減輕，更重要的是，它讓建筑物的外皮徹底解放，不再承擔(dān)任何結(jié)構(gòu)作用。這一條是很多建筑創(chuàng)作的前提，也是勒■柯布西耶現(xiàn)代建筑五原則的必備條件。從此，建筑可以不再是千篇一律的磚石墻體。里面是同樣的結(jié)構(gòu)框架，外面的表皮可以隨心所欲，玻璃、石材、磚頭、塑料、金屬、木材、竹子、泥坯、樂高...幾乎任何材料都可以充當(dāng)建筑墻體。右上圖是高迪1910年設(shè)計的米拉公寓，左圖是設(shè)計于1925年的外灘12號匯豐銀行大樓，右下圖是設(shè)計于2003年的同濟大學(xué)土木學(xué)院樓。三者看上去極不相同，但在結(jié)構(gòu)意義上其實是一樣的，都是鋼框架。拿掉米拉公寓的奇幻風(fēng)格的外墻、匯豐銀行大樓富麗堂皇的外墻、同濟土木樓板材和玻璃的外墻，剩下的結(jié)構(gòu)骨架幾乎是一樣的。盡管像渡邊邦夫這樣的工程師認(rèn)為這種隱藏結(jié)構(gòu)骨架的做法是一種不誠實的設(shè)計，但總體來說，它造就了我們今天所見的建筑外觀百花齊放的局面。高強混凝土一超高層建筑20世紀(jì)30年代的紐約處在高層建筑發(fā)展的井噴期，克萊斯勒大廈、帝國大廈都是這個黃金時代的產(chǎn)物。但這些鋼框架結(jié)構(gòu)的潛力有限，帝國大廈的高度已經(jīng)是這一類結(jié)構(gòu)形式的極限。隨著60年代法拉茲■汗提出筒體結(jié)構(gòu)的新概念，高層建筑才正式步入超高層時代。希爾斯大廈和紐約世界貿(mào)易中心雙子樓，都是鋼筒體，雖然結(jié)構(gòu)效能很高，但對于工業(yè)基礎(chǔ)薄弱的非歐美國家來說，可能還是太過昂貴。而應(yīng)運而生的高強混凝土，既能滿足筒體結(jié)構(gòu)的需求，又能維持較低的結(jié)構(gòu)造價，真正做到了讓超高層建筑在全球范圍內(nèi)遍地開花。上海浦東陸家嘴的金茂大廈和環(huán)球金融中心，都是混凝土筒體的典型。內(nèi)部一個巨大的高強混凝土筒體，外部8根或者4根巨型柱，再配合加強層伸臂桁架和外圍環(huán)帶桁架，就構(gòu)成了這些超高層的主要受力體系。包括臺北101、馬來西亞石油雙塔、以及國內(nèi)大量的類似超高層建筑，都是如此。作為結(jié)構(gòu)工程的里程碑，828米高的迪拜塔采用的也是混凝土束筒外加魚骨狀翼墻體系。強度等級C80乃至C100以上的混凝土的應(yīng)用，讓超高層建筑不再遙不可及。高強結(jié)構(gòu)鋼-超現(xiàn)實結(jié)構(gòu)隨著建筑思潮的發(fā)展，建筑的語義、文脈發(fā)生了劇烈的變化，出現(xiàn)了很多前所未有的設(shè)計。我用“超現(xiàn)實結(jié)構(gòu)”這個詞，指代類似CCTV新樓、鳥巢、深圳證券交易所這樣的新奇結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)40年代到50年代是混凝土殼的鼎盛時期，現(xiàn)在則是空間鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的時代?，F(xiàn)代的高強結(jié)構(gòu)鋼，以各種各樣的形式出現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)中，把一個個令人瞠目結(jié)舌的設(shè)計從藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實。

左上圖是塞西爾■巴爾蒙德為雷姆■庫哈斯操刀的CCTV新樓，俗稱“大褲衩”，拋開造價、景觀、社會影響等其它因素，單從建筑結(jié)構(gòu)出發(fā)，它是一個前所未有的嘗試。它的網(wǎng)格立面同時也是它的抗側(cè)力鋼筒體，網(wǎng)格布局按照應(yīng)力分布進行布置和調(diào)整，傾斜雙筒體加連體大懸臂，放在以前，沒有人敢想象這樣的建筑結(jié)構(gòu)。右上圖是塞西爾■巴爾蒙德所在的奧雅納為庫哈斯操刀的深圳證券交易所新樓，大體量懸挑，又是一個超現(xiàn)實構(gòu)想。左下圖是塞西爾■巴爾蒙德為伊東豐雄（今年普利茨克獎得主）操刀的蛇形畫廊，匪夷所思的鋼網(wǎng)格體系。右下圖的仙臺媒體中心也是伊東豐雄的代表作，同樣也是一個超現(xiàn)實鋼結(jié)構(gòu)。與其合作的佐佐木睦朗設(shè)計了鋼束筒和蜂窩狀鋼樓板，用類似造船的工藝來造房子，這在以前也是不可想象的。鋼索一張拉整體體系從力學(xué)概念上來說，軸心拉壓的效率要遠(yuǎn)勝受彎，但之前的磚石材料幾乎沒有受拉性能。隨著鋼索這種具有極強受拉能力的材料出現(xiàn)，全部構(gòu)件都保持軸心受力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系成為現(xiàn)實。這也就是最早由巴克明斯特■富勒提出的所謂張拉整體體系（著名的富勒烯就是為了紀(jì)念他）。左圖中美國藝術(shù)家KennethSnelson的作品NeedleTower就是一件張拉整體體系的藝術(shù)品。右圖中約格■施萊希設(shè)計的羅斯托克展覽會的標(biāo)志塔也是如此。

左圖中美在實際工程領(lǐng)域，約格■施萊希的施梅豪森核電站索網(wǎng)冷卻塔和基樂斯山索網(wǎng)觀光塔都是張拉體系的例子。左圖中是施梅豪森核電站索網(wǎng)冷卻塔，建成于1974年，1991年因為電站停止運營而被炸毀。施萊希非常惋惜和遺憾，十年后，在施萊希的大力推動下，右圖的這座索網(wǎng)觀光塔在斯圖加特落成。一方面是為德國和諧社會添磚加瓦，另一方面也可以看作是施萊希對自己之前被強拆掉的杰作的緬懷和紀(jì)念。即使在常規(guī)結(jié)構(gòu)體系的局部也可以應(yīng)用張拉體系，最常見的就是張弦梁體系，比如浦東機場的大跨度候機樓，采用的就是張弦梁。隨著高鐵建設(shè)熱潮的興起，部分新建的高鐵車站也采用了張弦梁。玻璃+索網(wǎng)一索網(wǎng)玻璃體系

一定意義上，建筑是一門操縱光的藝術(shù)。玻璃是完成這個使命的絕佳材料，早在中世紀(jì)的大教堂里，彩色玻璃已經(jīng)開始充當(dāng)極其重要的角色。但受制于玻璃本身的力學(xué)性能，其應(yīng)用受到了很多限制。隨著現(xiàn)代鋼材的發(fā)展成熟，由纖細(xì)的金屬框格甚至是金屬索網(wǎng)搭配玻璃組成的玻璃穹頂或者幕墻得以實現(xiàn)。大家最熟悉的例子應(yīng)該是貝聿銘的盧浮宮金字塔。約格施萊希的大批作品都堪稱是索網(wǎng)玻璃體系的精品，比如上圖中的漢堡城市歷史博物館玻璃屋頂和下圖中的慕尼黑凱賓斯基酒店玻璃幕墻。

膜材料一膜結(jié)構(gòu)/充氣結(jié)構(gòu)20世紀(jì)涌現(xiàn)的眾多優(yōu)秀新材料之一就是膜材料，雖然過去也有類似概念的膜材料和膜結(jié)構(gòu)，比如游牧民族的氈房，但其性能、耐久性都不太令人滿意?，F(xiàn)代膜材料的出現(xiàn)為現(xiàn)代輕型結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了新的選擇。弗雷■奧托與約格■施萊希設(shè)計的1972年慕尼黑奧運會主體育場就是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)的代表作。rd此外，膜材料還為充氣結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供了絕佳的材料。充氣結(jié)構(gòu)可以分為兩種。第一種是作為主體結(jié)構(gòu)的充氣結(jié)構(gòu)，比如上圖中川口衛(wèi)設(shè)計的1970年日本大阪世博會上的富士館，就是一個典型的充氣結(jié)構(gòu)。日常生活常見的各種商業(yè)活動放置的充氣拱門，也可以看做這樣的充氣結(jié)構(gòu)。第二種則是作為局部結(jié)構(gòu)的充氣結(jié)構(gòu)，比如水立方的ETFE膜充氣氣泡外墻。對于水立方追求的這種特殊視覺效果，玻璃、塑料等傳統(tǒng)材料都不太合適，可能只有充氣膜能完美的達(dá)成這種朦朦朧朧的設(shè)計意圖。rd現(xiàn)代工業(yè)化木材一現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)木材是一種歷史很悠久的建筑結(jié)構(gòu)材料。在我國主要是以穿斗框架的形式存在，在北美的拓荒期則是那種原木壘成的小木頭房子。隨著現(xiàn)代木材工業(yè)的建立，天然木材進一步深加工為類似型鋼的標(biāo)準(zhǔn)化“型木”以及其它膠合木材、復(fù)合木材，木材的利用效率和應(yīng)用范圍得到了大幅提高。尤其是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的所謂2乘4體系，在北美地區(qū)已經(jīng)成為絕對的市場主流，超過80%的北美住宅都是采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化木材的木剪力墻體系。木材的力學(xué)性能雖然不是很突出，但其強度質(zhì)量比相對比較高，且受拉受壓性能平均，有一定的延性，可以看作是整體弱化了的鋼材。從這一點出發(fā)，木材也能達(dá)成類似于鋼材的效果。

二戰(zhàn)前夕，因為納粹德國瘋狂備戰(zhàn)，民間金屬資源短缺，工程師只能采用木材代替鋼材，上圖中位于伊斯馬寧的這座純木結(jié)構(gòu)的通信塔高度為驚人的164米，德國工程師的能力簡直讓人難以置信。

二戰(zhàn)前夕，因為納粹德國瘋狂備戰(zhàn)，民間金屬上圖為當(dāng)代德國工程師約格■施萊希2002年設(shè)計的羅斯托克會展大廳，木結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)格筒殼，可以與鋼結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)殼相媲美，而又具有木材所帶來的特殊美感。橡膠材料/軟鋼材料一消能減震裝置隨著設(shè)計理論的發(fā)展，設(shè)計思路和指導(dǎo)思想也在發(fā)生變化，比如對于抗震設(shè)計，已經(jīng)從磚石結(jié)構(gòu)的“硬抗”轉(zhuǎn)為消能減震裝置的“四兩撥千斤”。隨著現(xiàn)代橡膠、軟鋼這些合適材料的出現(xiàn)，消能減震裝置真正開始大規(guī)模應(yīng)用在抗震設(shè)計中。比如基礎(chǔ)隔震技術(shù)已經(jīng)在日本得到了相當(dāng)程度的推廣應(yīng)用，也就是整個建筑結(jié)構(gòu)不與地基土接觸，所有的柱子都落在橡膠墊上。軟鋼、橡膠等各種粘滯材料構(gòu)成的耗能阻尼器、耗能支撐等等也取得了大范圍的應(yīng)用。總結(jié)材料和形式是結(jié)構(gòu)工程的一體兩面，缺一不可。人類歷史上罕見的天才達(dá)芬奇構(gòu)想了很多新穎合理的設(shè)計，但受限于當(dāng)時的材料水平，很多都無法付諸實施，只能停留在紙面上；同樣，我們有了鋼筋混凝土，但如果沒有配套的新的合理的設(shè)計理論，還是停留在用混凝土塊壘長城、壘金字塔的水平，那現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)就無從談起。其實不只是結(jié)構(gòu)工程，在機械工程、航空工程、工業(yè)工程等其它領(lǐng)域也是如此，只有材料應(yīng)用和設(shè)計理論的協(xié)同發(fā)展，才能取得新的工程學(xué)成就。圖片來源羅斯馬南泰阿斯餐廳JotDownCulturalMagazine正十二面體煤炭倉庫倫敦動物園企鵝池PenguinPoolLondonZoobyBertholdLubetkin外灘匯豐銀行大樓外灘12號匯豐銀行大樓米拉公寓德國凱撒旅游集團同濟大學(xué)土木大樓/photo/426CCTV新樓CCTV中央電視臺的新樓深圳證券交易所新樓探營