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本文授权转载自公众号iStructure(id：iStructure2017）
作者：杨笑天
柯布西耶在《走向新建筑》中提出的 “新建筑五点”，对现代主义建筑具有深远影响。其中第一条便是“首层架空、以柱子支承” 。[ Support of ground-levelpilotis, elevating the building from the earth and allowing the garden to be extended to the space beneath.]
▲萨伏伊别墅 (1928-1931) ,柯布西耶
1928年，柯布西耶设计了萨伏伊别墅[VillaSavoye]，首层架空强化了白色混凝土柱的视觉效果。柱子比古典建筑的巨柱纤细很多。
同为现代建筑大师的密斯，则提倡”Less is more” 的空间理念。“少”不是空白而是精简，他追求精致极简的结构。
▲巴塞罗那国际博览会德国馆(1929)，密斯
巴塞罗那国际博览会德国馆是密斯的代表作之一，建筑本身轻灵通透，内外空间连续流通。柱子罕见地呈十字形断面。我们知道十字形的 “回转半径” 很小，从结构受力的角度讲，它无疑是一根“细柱”了。
▲十字形钢柱，巴塞罗那国际博览会德国馆
▲范斯沃斯住宅Farnsworth House(1946-1951)，密斯,
▲JohnsonWax Headquarters (1939), 赖特
约翰逊蜡制公司，蘑菇细柱与采光天窗的表现
柱子在建筑空间中应该如何表达？
前仆后继的建筑师不断地探索、尝试和创新。其中不乏一些案例，追求柱子的精致设计、极致纤细，为我们结构工程师带来了挑战。本文选择了几个经典案例做简要的分析，探讨“细柱”的几种实现方法。
我们知道，细长柱在压力作用下会容易发生失稳。为了防止失稳，首先要减小柱子的轴压力，即减轻荷载。
妹岛和世+西泽立卫于2009 年设计的蛇形画廊(Serpentine Gallery)，展区由细细的柱子支撑着蜿蜒连续的铝板，铝板反射树木、地面和天空的映像，与周围环境形成呼应。
▲2009年蛇形画廊: SANAA
画廊中细柱承受的荷载是非常小的，仅仅为轻质屋面(铝板)的自量，粗略估算只相当于普通混凝土楼面恒活荷载的3%~5%。
而且蛇形画廊属于临时建筑，其使用期间的遭遇大风和地震的概率很小，设计时几乎不考虑水平作用力，柱子不必承受过多的弯矩，因此它比普通建筑的柱纤细很多。
2008年威尼斯双年展的日本馆，建筑师石上纯也设计了一个玻璃盒子覆盖植物。从功能上看，它连临时建筑也不能算，更像是一个装置，有一种摇摇欲坠的感觉。在结构受力方面，水平力完全由玻璃面板来承受，极细的柱子仅支承屋面板的自重。
▲ 2008威尼斯双年展日本馆
建筑：石上纯也, 结构:佐藤淳
另一个方法是加密柱子布置，进而减轻每根柱子所分担的轴压力。妹岛和世在早期的公园咖啡厅设计中，曾采用1.5米x1.5米左右的柱网来实现细柱。
但在大体量建筑中，加密柱子的方法不太常用，比较成功的案例有赫尔佐格和德梅隆设计的波尔多体育馆。
▲波尔多体育馆(2015)，赫尔佐格和德梅隆
欧洲地震小，细柱设计更容易实现
常规的框架柱截面大，除了压杆稳定的因素以外，另一个原因是柱子需要承受弯矩。弯矩一部分由水平力（风和地震）引起，另一部分由与梁柱刚接节点的平衡弯矩引起。从这两点出发，减小柱子内的弯矩，是缩小柱子断面的有效手段。
冼足连结公寓 G-Flat
▲冼足连结公寓 G-Flat，2006
建筑：北山恒, 结构:金田胜德
冼足连结公寓 G-Flat实现“细柱”的方法是，将集合住宅的“剪力墙”布置在建筑平面的中央，相邻两个单元的剪力墙方向垂直交错布置，以抵抗各方向的水平力。
▲剪力墙垂直交错，细柱布置
剪力墙的抗侧刚度远大于钢柱，因此钢柱分担的地震力很小，几乎可按二力杆设计，截面尺寸可大幅减小。
金泽海之未来图书馆
金泽海图书馆被设计者称为“蛋糕盒子”，长宽高45m×45m×19m，共有3层。幕墙是有着6000个小圆孔的GRC板和阳光板，把柔和的自然光引入室内。
▲金泽海之未来图书馆(2011)
建筑：工藤和美＋堀场弘, 结构:新谷真人
在幕墙中隐藏了网格状的钢结构，其受力特性类似于框架支撑体系，承担了建筑全部水平地震力。因而，图书馆内部的25根、高达12米的钢柱，仅需承受来自屋顶的重力。为了避免屋面梁传递给柱顶弯矩，柱顶采用铰接节点释放弯矩。
▲ 25根高12米的无缝钢管柱
金泽21世纪美术馆
金泽21世纪美术馆是SANAA的代表作之一。圆形的平面，功能性房间布置在内部，而沿着周边则是透明的玻璃立面。以纯白细柱支承屋面，保证了公共空间的明亮和开敞。
▲21 世纪金泽美术馆(2004), SANAA
普利兹克奖评委会主席洛德·帕伦博(Lord Palumbo)评价SANAA 时所说，“建筑风格纤细而有力，确定而柔韧，巧妙但不过分。”
从平面图上我们看到，在圆形内部空间密布了许多隔墙，墙体内置了较为粗壮的H形钢柱，间距3米(比较密)，局部布置钢支撑。
▲圆形建筑中部为钢框架支撑结构
这些隐藏在墙体内部的框架支撑承受了绝大部分的水平力和竖向力。而暴露在外部的钢柱只承受较小的竖向荷载(屋面自重)，因而可以做到纤细异常。
▲水平地震作用下钢支撑的轴力
直岛 海之车站
海之车站是一个建筑面积600平的轮渡站，屋面为1.6mm的压型钢板轻质屋盖，支承其重量的钢柱是直径85mm的钢管。显然，如此纤细的钢管无法抵抗海风和地震引起的水平力。
▲海之车站 Marine Station Naoshima
建筑：SANAA；结构：佐佐木睦郎
在车站开敞的空间中布置有8片纤薄的钢板墙，墙表面是镜面不锈钢。镜面映射周边景色，与环境融为一体，不容易被察觉到。
▲ 不锈钢镜面钢板墙
钢板墙组成：“2mm镜面无缝钢板”+”9mm钢板”
中间为角钢骨架，防止钢板屈曲
KAIT 工坊
石上纯也设计的神奈川工科大学KAIT工坊，令人印象最深的是细密的白色柱子，建筑轻盈得如隐匿一般。
▲神奈川工科大学KAIT工坊，2008
建筑:石上纯也、结构:小西泰孝
KAIT工坊最初的构想是树林，没有墙的阻隔，305根柱像树一样错综密布在建筑中，编织成一个有密度、非均质的柔和空间。
▲KAIT工坊设计概念图
▲石上纯也在KAIT工坊
12年前，当石上纯也第一次提交自己的设计方案的时候，校方对这个初出茅庐的建筑师充满了质疑：
“这么薄的结构，真得能做到吗？”
“如果真得像你说得简单，为什么没有人做到过呢？”
“空间不实用，有些空间要更大些，有些空间要更小一点……”
建筑设计人员在草图上把空间可能性画出来，然后放入家具，探讨柱子与家具的关系。最终，空间因柱子的分布而生成，建筑被主要分为14个开放的区块，相互独立又融为一体。
▲放入办公桌椅的空间
结构如何实现？
这一直是人们对KAIT工坊最感兴趣的话题。305根柱子当中只有42根是承受竖向荷载的受压柱(钢板62x90mm)；其余的263根钢板柱，是施加了预拉力的吊柱(钢板厚度16~45mm，宽度96~160mm)，用抵抗水平力。
吊柱的扁钢板朝向都不一样，既可以抵抗来自不同方向的水平力(风和地震)，又使人们身在其中看到不同宽窄的柱子变化。
上图显示的为吊柱施加预应力原理，对钢梁预变形、在吊柱内施加预拉力，并控制结构承载后的最终形态。
▲吊柱与立柱大样图
吊柱上下两端均为刚接，以最大程度地提供刚度；立柱下端与基础刚接，上端与钢梁铰接，以释放节点的弯矩作用。
2009年KAIT工坊项目获得日本建筑学会奖。那一年，石上纯也34岁，成为史上摘得该奖项最年轻的独立设计师。现在搜索神奈川工科大学或是这座大学所在的厚木市，映入眼帘的都是KAIT工坊，可见建筑的魅力非同寻常。
除了以上介绍的几种常规方法，工程师也探索出新的方法，例如，利用预应力技术提高柱子的稳定承载力、利用结构体系大变形的非线性刚度等。
▲ 重庆龙兴景观大门
建筑:纬图景观、结构:袁鑫
上图的景观大门结构中，柱高最大约10米，最细柱仅60mm。屋面的曲面造型使得钢柱高度不同，结构师正是利用了柱子长度不一的特点，依靠结构大变形后的非线性抗侧刚度抵抗水平力。
▲曲面造型屋面的钢梁
加大屋面钢梁的抗弯刚度
有利于发挥长短柱的非线性刚度(大变形)
限于篇幅，还有一些有意思的细柱建筑，仅附上图片了建筑名称，供大家欣赏。
▲HouseNA, 藤本壮介
▲LayeredS-house, Saitama
楼梯作为结构承载的主要构件
建筑四角为极细的钢柱
▲Artinstitute of chicago，2009
建筑设计：Renzo Piano；结构设计:Arup
参考资料：
1. 结构.空间.界面的整合设计及表现，戴航,张冰著
2. 建筑结构创新工学，日本建筑学会著，郭屹民等译
