结构在建筑中的艺术表现力

北京建筑工程学院学报

JO U RNAL OF BEIJING IN ST IT U T E O F CIV IL ENG INEERIN G AN D A RCHIT ECT U RE

Vol.17No.1M ar.2001

文章编号:1004-6011(2001)01-0059-06

结构在建筑中的艺术表现力*

樊振和

(建筑系,北京 100044)

摘 要:每一个成功的建筑都有一个成功的结构。结构的功能不仅仅是承载功能,它是建筑艺术表现力的重要元素。本文在分析了建筑大师的作品后指出,建筑结构选型是建筑师的任务。关键词:结构;建筑;艺术表现力

中图分类号:TU -80 文献标识码:A

0 引言

建筑的基本功能包括承载功能和围护功能,其中承载功能由建筑结构系统来完成。但是,建筑结构系统的功能不仅仅是承载功能,在完成建筑承载功能的同时,建筑结构还是建筑艺术表现力的重要元素。一个成功的结构不一定就是一个成功的建筑,但是,一个成功的建筑一定有一个成功的结构,古今中外的成功建筑莫不如此。

1 结构是建筑艺术表现力的重要元素

在中国古建筑中,从木结构的梁架形成的建筑屋顶的优美曲线(图1、图2),到中国传统建筑中独

有的构件 斗拱形成的装饰性极强的出檐(图2),从世界现存最早、跨度最大的石结构的空腹式单孔圆弧石拱桥 赵州桥(图3),到中国现存最高(84米)的砖壁空心筒体结构 河北定县开元寺塔(图5);在世界著名的建筑中,从F L 赖特的依山就势、凌空飞跃、参差俯仰、背崖临溪的流水别墅(图4),到P L 奈尔维的完全暴露在外的Y 形斜撑承托球形穹顶结构的具有强烈个性的罗马小体育宫(图7),从G 埃菲尔设计的高达300米、由钢铁构架而成、形成优美轮廓线的埃菲尔铁塔(图

6),到J 伍重的由一条条巨大的钢筋混凝土拱肋组合而成的像船帆、像贝壳的婀娜多姿、轻盈皎洁的悉尼歌剧院(图8),在这些美仑美奂的辉煌建筑中,无不彰显着结构的迷人的艺术表现张力!

图1 北京静宜园(香山)见心斋 图2 佛光寺大殿梁架及斗拱结构示意图

收稿日期:2000-12

作者简介:樊振和(1955年-)男,建筑技术教研室副教授

图3 赵州桥,位于河北省赵县,净跨37 02米 图4 美国匹兹堡郊区

的流水别墅

图5 河北定县开元寺塔,高84米 图6 埃菲尔铁塔,高300

米

图7 罗马小体育宫 图8 澳大利亚悉尼歌剧院

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2 结构的建筑艺术表现力的实例分析

2 1 P L 奈尔维的建筑作品 罗马小体育宫罗马小体育宫是意大利建筑师A 维特罗奇和工程师P L 奈尔维为1960年意大利罗马奥运会修建的练习馆,并兼做篮球、网球、拳击等比赛用。该体育馆可容纳6000名观众,加活动看台可容纳8000名观众。这座在现代建筑史上占有重要地位的优美的体育建筑,是P L 奈尔维的结构设计的代表作之一(图7)。

奈尔维的罗马小体育宫,对于搞建筑的人来说,是非常熟悉的著名建筑,不必我在这里做详细的描述。我想在这里做一个对照,即把罗马小体育宫在建筑上的一些处理手法及其在结构上的作用做一个对照分析,从中我们将会看到建筑大师是如何充分的利用结构来作为建筑设计中的美学元素的。

罗马小体育宫平面为圆形,直径60米,屋顶是一球形穹顶,穹顶宛如一张反扣的荷叶,由沿圆周均匀分布的36个Y 形斜撑承托,把荷载传到埋在地下的一圈地梁上。从建筑上看到的小体育宫的这一朴素优美的曲线外形,在结构上是极其合理的。首先,球形穹顶是一个双曲面薄壳结构,是具有良好的空间工作特性的结构形式之一;其次,薄壳结构是有推力的结构,如何才能更好地解决60米跨度的屋盖所产生的巨大推力呢?设计师非常巧妙地利用与球形穹顶屋盖的曲线方向基本一致的36个Y 形斜撑,以最佳角度解决了巨形屋盖传来的巨大的推力问题。

设计师沿高度方向在36个Y 形斜撑的中部设计了一圈白色的钢筋混凝土 腰带!。从建筑立面上

看,这一条 腰带!从高度上将屋盖与Y 形斜撑之间的比例重新进行了调整,使其立面的比例关系更加恰当和协调了。而从结构上来看,这一圈白色的钢筋混凝土 腰带!,既是附属用房的屋顶,又是起加强Y 形斜撑稳定性作用必不可少的联系梁。

球形穹顶的下缘由36个Y 形斜撑相交形成的36个支点支承,每两支点间球形穹顶下缘均向上拱起,从建筑的整体效果上看,即丰富了建筑的轮廓,又防止了因视错觉产生的边缘下陷感。而从结合的角度来看这一处理手法,则是使两支点间的球形穹顶下缘形成了典型的拱壳结构,从而避免了在结构上极其不利的弯矩状态。

小体育宫的优美的球形穹顶天花也是P L 奈尔维的精心设计之笔(图9),设计师把结构构件统一地组织起来,加以艺术化,构成一幅绚丽的图案,使整个屋顶蔚然成景。球形穹顶由1620块预制钢丝网水泥菱形槽板拼装而成,构成了球形穹顶天花的精美图案,穹顶中心的尺度最小,越往边缘尺度也逐渐加大,与Y 形斜撑相接处的构件尺度最大。整个穹顶天花犹如盛开的菊花,轻盈和谐,极富美感。设计师的这一著名的穹顶天花设计,同样是建筑设计与结构设计巧妙结合的优秀艺术品。设计师在设计中还同时考虑了施工的方便和可行性等技术问题。设计师在组成球形穹顶的各预制槽板之间的接缝处,采用现浇钢筋混凝土的节点连接处理,自然形成了球形穹顶的 肋!,这种处理既减轻了屋顶结构层的自重,又保证了结构的承载能力和刚度要求;预制槽板的大小是根据建筑尺度、结构要求和施工机具的起吊能力决定的,反映出设计师炉火纯青的驾驭建筑设计、

结构设计及施工处理的综合能力。

图9 罗马小体育宫球形穹顶天花 图10 意大利佛罗伦萨运动场大看台

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罗马小体育宫的外形比例匀称,球形穹顶、Y 形斜撑及 腰带!等各部分划分得宜。Y 形斜撑完全暴露在外,混凝土表面不加装饰,显示出体育建筑的力量和活力,使整个建筑给人以强烈的感受,具有独特的意境。

P L 奈尔维在建筑设计和结构设计的结合上

极其成功的作品还有很多,像佛罗伦萨体育场带雨棚的悬挑结构大看台(图10),曼图亚布尔哥纸厂250米跨度的悬索结构厂房(图11),以及40米跨度的由6根三角形拱形柱支承的预制肋形钢筋混凝土桁架形成的拱顶结构的飞机库(图12)等。在这里

不再一一的赘述。

图11 曼图亚布尔哥纸厂,

纵剖面

图12 飞机库,预制肋形钢筋混凝土桁架拱顶结构

2 2 J 伍重的建筑作品 悉尼歌剧院

悉尼歌剧院是由丹麦建筑师J 伍重设计、于1955年举行的国际建筑设计竞赛中胜出、建在悉尼港内一块伸入海面的地段上的著名建筑。悉尼歌剧院的总建筑面积约88258平方米,包括一个大音乐厅、一个歌剧厅、一个剧场和一个小音乐厅等(图

8)。今天,悉尼歌剧院已成为悉尼的城市象征。

悉尼歌剧院那引人入胜的像船帆、像贝壳的三组巨大的壳片,在结构上并不是真正的壳体结构,而

是三铰拱结构。它是由三组挺立的预制Y 形和T 形截面钢筋混凝土落地三铰拱肋由大到小顺序成对并列拼接呈壳状,就位成型后用后张法施加预应力,

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使之形成整体的。但是,J 伍重最初的方案却并非如此。设计师最初的考虑是壳顶厚100毫米、壳底厚500毫米的一连串双曲壳体。这不能不说是设计师在结构选型时的重大失误!结构原理表明,壳体的结构优势体现在,壳体是以凸向外部荷载的曲面的薄膜应力来抵抗和传递外部荷载的,一般情况下,壳体结构建筑的壳体是凸向上部设计的(例如前述的罗马小体育宫),这种造型对于承受一般重力荷载没有问题,对于承受风荷载,由于壳体的流线外形,造成的影响也不大,且风吸力一般都会小于壳体自重。但是,J 伍重设计的悉尼歌剧院的方案中,其壳体却几乎是凸向水平一侧的一面敞口并斜向悬挑的造型,这种造型使得当风从壳体敞口一侧吹来时,高耸巨大的壳体成了招风的因素,且形成的风荷载

非常大,会造成极大的倾覆力矩(图13),又无法靠薄而轻的壳体自重来平衡这一倾覆力矩;如果设想把壳体设计得足够厚重,当风从壳体敞口背侧吹来时,厚重的壳体不但不能起到稳定的作用,反而会增加壳体的倾覆力矩(图14)。J 伍重方案中这一进退两难的结构问题,在与意大利建筑师P L 奈尔维同被公认为欧洲结构权威的结构工程师、丹麦人P 汤姆生的鼎力相助下,最后确定了落地三铰拱肋的结构方案。为了减少施工的困难、有利于预制,在与P 汤姆生长期研讨之后,J 伍重于1961年修正了自己的原方案,将全部三组壳片改为同样的曲率,使每一个壳片都相当于假想半径为76米的圆球表面的一部分,使拱肋曲线一致,大大方便了壳体的预

制施工建造。

图13 当风从壳体敞口一侧吹来时 图14 当风从壳体敞口背侧吹来时

在蓝天、碧海、绿树的衬映下,悉尼歌剧院犹如远航归船上的一组白帆,也像一堆洁白的贝壳点缀在海滩,又似一簇簇盛开的花朵,婀娜多姿、轻盈皎洁,这座世界著名的建筑,已经成为澳大利亚人的骄傲!但是,它的建造的代价也是十分巨大的!如果从1955年举行的国际建筑设计竞赛开始算起,1959年破土动工,1963年最终确定了结构方案,1966年结构施工完成,1973年全部建成竣工,为研究和设计那些巨大的壳片的结构,共用去了8年的时间,结构施工也用去了3年多的时间。整个工程的预算为700万美元,而实际费用达12000万美元,是原预算的17倍!

我们看到,不论是P L 奈尔维的罗马小体育宫的成功设计,还是J 伍重的悉尼歌剧院的曲折的设计建造经历,恰恰从正反两个方面证明了这样一点,即结构以及结构设计在建筑设计中的重要作用。我们应该清醒地认识到,建筑结构系统的功能不仅仅是承载功能,在完成建筑承载功能的同时,建筑结

构还是建筑艺术表现力的重要元素;建筑结构系统有它自身的内在规律,充分地认识和正确地运用这些规律,是对一个建筑师的基本业务素质的要求,否则,你的建筑作品或者因不合理而无法实施,或者将以巨大的经济付出作为代价。

3 建筑结构选型是建筑师的任务

通过上述罗马小体育宫和悉尼歌剧院这两个建筑大师的作品分析,我们清楚地看到了建筑设计与结构设计有机结合的极端重要性,或者说,一个成功的建筑作品的设计,其结构构思和结构选型应该是与建筑方案的构思同时进行和确定的。那么,结构构思和结构选型这一工作应该由谁来做呢?我的观点是,这一工作应该由建筑师来完成,也就是说,建筑结构选型是建筑师的任务。

P L 奈尔维说过, 在艺术效果和结构、施工的

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我在以前的建筑结构选型!课中曾经讲过,建筑结构选型首先是建筑师的任务,今天,在又一次学习了P L 奈尔维的论著之后,我想说,建筑结构选型就是建筑师的任务。

我想再以P L 奈尔维的一段话作为我这篇文章的结束,在结构方面,建筑师必须是他所设计的建筑的承载要素、结构方案的创作者!(同上,169页)。未来的建筑师将会发现自己面临着日趋复杂的技术问题和结构问题。除了解决这些问题之外,他还必须保持和发展自己的美学意识,这样,建筑师才能在结构、施工和经济的综合任务之中找出它们之间的关系、它们的细节、色彩上的重点以及和谐的构图,把一个技术上正确的工程变成一项建筑艺术上的作品!(同上,168页-169页)。

参考文献:

[1] [意]P L 奈尔维 建筑的艺术与技术[M] 中国建筑工业出

版社,1981 1

[2] 虞季森 中大跨建筑结构体系及选型[M] 中国建筑工业出

版社,1990 12

[3] 清华大学土建设计研究院 建筑结构型式概论[M] 清华大

学出版社,1982 2

[4] 中国大百科全书(建筑 园林 城市规划)[M] 中国大百科

全书出版社,1988 5

Artistic Form of Expression of Structure in Architecture

Fan Zhenhe

(Dept.of Architecture,Beiji ng100044)

Abstract:Every successful architecture is presented in the successful structure.The functions of structure are not only load bearing,but also important element of artistic form of expression of architecture.After analysing the w orks of the famous architects,this paper advances that choice of type of structure is responsibility of architect. Key Words:structure;architecture;artistic form of ex pression

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