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从结构审美的角度浅谈钢结构的材料属性和结构形式间的“反本真”表达

2022-06-17 09:28:13

       随着建造技术日新月异地发展,建筑界也不断推陈出新,更新了材料与结构的错位式表达。钢材由于具有广泛的适用性,常被用于表达其他材料的结构逻辑。本文通过对比分析钢结构“反本真”表达的古今案例,总结钢材的材料属性与其所应用的非对位结构形式间的辩证关系,探讨合理的材料错位限度,从结构审美的角度审视建筑材料,尤其是钢材的“反本真”表达。

 

●  前  言

       钢材具有优良的材料属性,具有一定强度,塑性、韧性、耐热性好,均质,可焊,便于加工等。在建造技术不断发展的当今,钢材在建筑结构中的运用越来越广泛,钢结构形式也愈发多样而精彩。随之而来的有朴实无华的钢结构“本我”的结构形式的体现,也有一些出于建筑师、结构工程师对钢材的创新应用尝试——用钢材来表达其他材料组成的结构模式,即钢材的“反本真”表达。这些“反本真”结构表达的尝试打破了人们对材料属性的固有认知,引发了建筑界对钢结构真实性问题的讨论。本文将从案例出发,通过重点分析钢材如何表达石构逻辑、木构逻辑,以及讨论其表达限度的界定,来探索钢材“反本真”表达结构美感的实现方式。


●  钢结构用于表达砖石建筑结构逻辑的历史渊源

       我们往往认为,西方石构建筑所呈现的的空间结构形式是源于石块的材料属性,经长期探索、优化所得出的内在力学逻辑和外在表现形式相符合的合理形式,殊不知其建筑结构语言也存在一些不合理的成分。马里奥·萨瓦多里曾指出了哥特式建筑建构逻辑的不合理性:“如果能有效地抵抗外推力,那么两个交错穹隆拱顶即便没有拱肋也是可以自行支撑的(如图1所示)。不过这些设计师却用拱肋来突显穹隆及边拱的作用,也因此模糊了人们的视觉判断,认为这些拱肋负责将重力传递至柱墩上……似乎表明大教堂内部有一个虚假的框架结构。”也就是说,人们感受到的结构逻辑和真实的结构逻辑是不一致的。哥特式建筑的尖拱券的诞生,与其说是结构优化的结果,不如说单纯只是服务于神话空间形式和象征性装饰的产物。

       反观历史上材料属性和结构形式间不一致的现象,可窥探勒·迪克从结构理性主义角度“转译”哥特式建筑的重要性。他根据铁等材料的受力特点勇于表达哥特式建筑的形式逻辑,提出了“钢结构序曲”的音乐厅方案。这种材料符合哥特式建筑的“框架模式”传力特点:力沿着拱交线由肋传向柱并且通过两侧的飞扶壁与端部厚实的拱壁形成一个侧移框架来抵抗水平推力(图2)。钢铁优良的可塑性使它具有天生的预制性,用作哥特式建筑穹顶空间所需要的弯曲的肋骨拱结构构件可以更“诚实”地表达材料特性和建筑构造。建造逻辑与钢铁的材料属性相适应,空间逻辑借由建造逻辑产生优美的曲线和轻盈修长的飞升感。与原来的石构逻辑强调空间韵律感和构件装饰性相比,钢铁材料偏向于诠释结构理性。因此,该方案在观念上让材料“错位”的尝试从一定程度上来说比原来的石构体系更能体现建造和材料的“真实性”。

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(a)砖石拱肋肋骨拱受力图          (b)铁质拱肋肋骨拱受力图

图 1  传统哥特式建筑和勒·迪克音乐厅方案肋骨拱力流对比图

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图 2  传统哥特式建筑和勒·迪克音乐厅方案结构对比

       勒·迪克音乐厅方案的“反本真”表达反而走近了“真实性”,然而,金属结构在建筑领域的一些初期应用并不都能恰到好处地转译砖石结构逻辑。用铸铁和玻璃建成的水晶宫虽遵循了视觉和内部结构相统一的逻辑,却在审美上存在着一定的欠缺,所以在当时也有很大的争议。

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图 3  水晶宫

       石构教堂建筑的拱券和柱塑造的空间特征,不仅是权力或信仰等意识形态的象征,而且真实表达了材料属性和结构逻辑。每一块石材所搭建的状态都在“真诚”地表达着受力方式。以传统美学标准评判,水晶宫由钢铁和玻璃所呈现的形态无法准确把握拱券结构体系的尺度感受、力量表现、韵律、节奏与变化感等。铆、套和螺钉等连接件代替了传统的砖石砌叠技术,花房式的铁质梁柱骨架结构用来演绎传统的承重墙结构体系的空间效果。其结构逻辑所体现的是工业时代机械化特质,从中读不到对古典拱券结构本质的“真诚”信仰。因此,水晶宫即使在材料的创新应用——使空间跨度被突破、工期被大大缩短——上来说是具有里程碑意义的,但从结构审美上来说可能并不是一次成功的“反本真”表达。


●  基于木构建筑建造逻辑的钢结构表达

       仿古建筑通常以木构还原木构,往往得其体制而失其神韵,模糊彼此、降低了真实性的案例不在少数。长安塔却大胆使用“反本真”表达方式来演绎材料属性和结构形式之间的错位。本着“天人合一”和向传统文化致敬的态度,长安塔(图4)在造型上承袭了隋唐时期传统木塔的“方形锥状”,建造手法上却运用了混凝土核心筒+钢框架结构,以钢材和玻璃代替木材和砖瓦。本文暂不论及装饰构件的材料转译,下就结构材料方面略微展开讨论。

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图 4  长安塔远景及侧视图

       首先是现代框筒结构的运用。为提高建筑刚度和强度,以框筒在塔的中部加固支撑,不影响塔内空间的同时满足了核心筒内电梯、楼梯布置的功能需求。其次是桁架、拉索等钢结构特有受力方式的使用,满足了模仿古建筑悬挑出檐和屋面加固的需要(图5)。这些表达现代感的结构并没有被刻意隐藏起来。而是被真实地暴露于公众视野中,成为这座塔的建筑语言中不可分割的一部分——新旧材料的冲突让人更加饶有兴趣地去阅读其结构,去思考每一个构件的受力方式。

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图 5  长安塔结构立面布置示意图

       此外,钢制斗拱解决了挑檐的问题。为制作斗拱,通常以一体化形态出现的铝镁锰合金被分割成一段段的小构件,参照隋唐时期大尺度斗拱的模数化组装,呈现出与木制斗拱相同的层层传递的力流分布(图6~7)。合金斗拱的“反本真”表达体现在其受力形式上,而“本真性”则体现在以下两个方面:一是其装配构件干净利落,没有木构件的诸多装饰性雕刻,符合钢材硬度大、不易打磨的特质,一定程度上体现了当代技术美感;二是连接节点根据材料属性推测,为焊接或螺栓连接,与木制斗拱的榫卯连接区分开来。   

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图 6  木制斗拱(左)和长安塔的钢制斗拱(右)

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图 7  木制斗拱和钢制斗拱的力流对比图

       木塔通常用斗拱斜接的做法来解决结构外圈梁框架柱的缩进而导致的上下柱错位的问题,而基于钢框架的长安塔采用的是牛腿式内折转换节点(图8~9),这种似是而非的建筑语言抽象地表达了木构建筑的结构逻辑,有仿古建筑“修旧如新”的特质。此外,与木材制作相比,钢材节点的耐久性更强,抗震性能更好,装配效率也更高。

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图 8  长安塔的牛腿式内折转换节点

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图 9  木塔和长安塔解决框架柱缩进的转换节点的力流对比图

       由此可见,用现代材料表达传统建造工艺或是用现代技术表达传统结构逻辑,难点在于如何化解审美倾向和结构效率间的矛盾。现代元素往往形式单调且缺乏文化积淀,而传统结构逻辑又无法满足当代建筑在结构强度和空间功能方面的需要——两者在本质上就存在隔阂,像两个对立统一面存在于建筑结构表达的矛盾统一体之中。

       应用木构建筑的建造逻辑模仿木构件的受力方式,这种钢结构的新尝试突破了人们对钢材的固有认知,提高了建造效率和建筑的耐久性,促进了新旧文化的融合。由于各种材料性能之间本就有共通之处,因此,突破材料固有属性的结构形式有其存在的合理性和发展的可能性。长安塔钢结构的“反本真”表达从材料属性与结构形式的对应性上来说并不是“正确”的,但它是合理且高效的,再加上仿古建筑向文化致敬的精神性需要,可以说长安塔的建造符合结构美学要求。


●  钢材“反本真”的过度表达

       建筑材料的“反本真”表达是一个不断突破思维定势的过程。运用得当,可让人耳目一新;但若结构形式过度脱离材料本质属性或硬套,其价值便有待商榷。

       钢板因密度、硬度大的特点与膜结构相比在跨度上有所局限。建筑师为追求钢板大跨度和轻薄感的完美结合,在许多案例中都做了结构方面的尝试。有的在中间加细柱支撑,在满足荷载承受能力的前提下把对空间消隐感的破坏降至Z低。继神奈川工科大学Kait工坊之后,在校园一角开建了一个多月的半户外广场。石上纯也对“超平”消隐空间的进一步尝试也是对钢板“反本真”表达的挑战。它采用极大跨度的悬垂钢板试图模仿膜结构的张拉受力逻辑,以此营造一种无边际的流通空间,让人感受到与地面一体化的平面方向的张力。可以说这是石上纯也在材料极限边缘的一次试探,钢板尺度的应用打破了常规,必然以独特的技术和额外的造价为代价。考虑到石上纯也和结构工程师小西泰孝以往的合作成果——神奈川工科大学Kait工坊,通过每根细钢柱的刚接或铰接的选择来施加预应力,以及两张实现了“不可思议”跨度的超薄钢板桌——推测该半户外广场也是通过预先设计上拱形态钢板的预应力手段来实现大跨度无柱空间的(图10)。从建筑结构的角度看来,这种形式忠实于力学表现却不忠实于钢材本身,笔者尚且把该半户外广场案例中钢板的“反本真”运用视为一种尝试性的探索,但有过度的倾向,仅限于尝试。 

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图 10  石上纯也的钢板桌和半户外广场的受力分析


●  结  语

       本文所讨论的钢结构的“反本真”表达体现在钢材的材料属性和钢结构形式间的美学冲突之中。同样是以钢材表达砖石拱券结构逻辑,勒·迪克音乐厅方案建构了钢材与哥特式空间优雅风格间的冲突关系,而水晶宫则是一种效率优先式的妥协。长安塔以钢结构转译木构建筑为逻辑,材料的错位被安置得恰到好处。而Kait工坊超尺度的垂悬钢板则超越了“反本真”表达的合理限度。由这些例子可见的是,“真诚”的结构表达既不是结构美感的充分条件,也不是必要条件。即使一种结构“正确地”表达了材料的本身属性,它可能被设计得很平庸。如果一种材料被套用为了另一种材料所常对应的结构模式,这种“反本真”表达不一定是“正确的”,但如应用得合理,充分利用了材料特性,它所呈现的姿态就可以是“美”的。当然,一味追求跳出对一种材料结构形式的固有认知,忽视结构效率或违背形式逻辑去刻意“反本真”,这种表达则可能不符合结构审美。学会辩证地看待结构材料的“身份错位”现象是欣赏建筑结构之美的前提条件,也是钢结构应用的种子健康生长的土壤。


来源:建筑钢结构进展,作者:王乐浔,如有侵权请联系我们。

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