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作者：张耀康

在当代的建筑界中，建筑结构设计一体化的需求越来越强烈，成为一种重要思想和潮流。结构不仅是提供承载能力的支撑，也可以作为建筑表达“美”的载体。

▲巴黎世博会机械馆

国际上一些优秀的结构设计师和设计事务所，如JorgSchlaich、OveArup、坪井善勝、木材俊彦等，采用轻盈、高效的结构形式，创造出许多令人印象深刻的造型，将结构技术作为一种“美”在建筑艺术中恰当地表达。

▲heathrow airport terminal 5

建筑结构融合设计正是展现结构之“美”的最好载体。

如何定义结构之美

SchlaichBergermannPartner的MikeSchlaich在《Elegantstructures》一文中很好的阐述了这一问题，本文在此基础上引用并加以说明。

以上两张人像照片都给人美的感觉，但此美与彼美是否有所不同？

同样，下面两张图中的沙发设计给人的感觉是否也有所不同？

文章认为，好的结构的“美”用优雅（Elegant）一词来表达更合适，因为好的结构是一种特定的美，甚至比美更胜一筹。

结构的优雅可能是美与一种特定品味的结合，可以引领社会文化，有点像时髦的模特或者明星。

结构的优雅可能是美与轻盈、通透、灵动的结合，即将脱离地心引力，仿佛一位优雅的芭蕾舞演员。

结构的优雅也可能是美与流线般形态的结合，比如一辆高贵的跑车或游艇。

结构的优雅还可能是一种感官上纯粹、极简的美，简无可减，像黑白照片一样。

以上是对结构“优雅”的一个主观的定义，这些描述相互之间是有交集的，比如流线型可能会带来动态、飞翔的感觉，也可能会带来感官上的纯粹，本身也是一种特定的品味。

总结一下，结构在建筑中表现的目标可以提炼为：美得有品味（能影响社会文化），如行云流水般轻盈、通透、灵动，简无可减。

结构与建筑如何更好地融合

罗马建筑师Vitruvius在公元前25年就提出一个好的结构设计要基于以下三个要素：Firmitas,UtilitasandVenustas，可以理解为安全性、功能性、美观性。

后世的建筑师和结构工程师都是围绕着这三个主题进行探索和实践。

下图中包含了产生优雅的外露结构的若干原则，这些原则都体现了美和优雅的元素，并且不是孤立的，而是作为一个整体。

这些原则大致可以归纳为以下几个方面：

（1）结构一般原则，包括安全性、可靠性、经济性，施工便利性，满足建筑基本功能等；

（2）高效结构原则，包括明晰性（优先选择力学概念简单清晰的合理结构体系）、高效率（合理的结构即是将适宜的材料予以最大效能的利用）、创新性（实现明晰和高效率的途径）等；

（3）与建筑表现有关的原则，包括真实性（形式与结构在原则上和逻辑上相符）、有表现力、有美感等；

（4）与整体考虑有关的原则，包括统一性（结构整体与细部的统一，结构与建筑功能的统一）、对社会和生态的影响、与环境相协调等。

接下来作者将从多个层次，分析结构与建筑融合设计的不同切入点。本文主要是从设计案例出发，归纳、借鉴。下一篇文章将以虹桥机场T1航站楼为例，介绍建筑结构融合设计在自己项目中的实践。

传承与发展，从经典项目中吸取更多的营养

经典项目随着时间流逝逐渐沉淀为建筑文化，其中蕴含着丰富的语言，建筑结构融合设计更要从中吸取营养，实现传承和发展。

形式的巧合

经典项目三铰拱桥和悬挑雨篷的曲线形态不谋而合，在法国的LicorneSoccerStadium结构中采用的竖向悬臂形式也隐约可见悬挑雨篷的形象，而比利时的一座自行车桥根部也是这样的曲线形态，但现在采用钢结构材料，截面尺寸比混凝土结构更小。

比利时的某人行桥与著名的甘特桥、SBP的铁路桥有形似之处，但更显得轻盈。

Y形柱的新生

从奈尔维的小罗马体育馆Y形柱，到安藤忠雄的Y形柱，马德里机场和浦东机场T2的钢结构Y形柱，旧金山某交通车站的变换后的Y形柱，在传承中有发展，产生不同的建筑效果，体现了一种生长的力量。

树形柱的风潮

从圣家族大教堂的树形柱，到卡拉特拉瓦的树形柱，某大学的树形柱，到斯图加特机场和沙特某机场的树形柱，再到TT设计的网格状树形柱，出现了一股树形柱的风潮，只要有变化、够美观、有新意，相信未来仍然会有发展。

希斯罗机场T5的分叉柱和虹桥机场T1改造项目中采用的分叉柱也可看作是树形柱的一种，从传承中得到发展，取得较好的效果。

结构与光带共舞

从奈尔维的侧天窗和顶部光带，到坎德拉造型别致的落地窗和教堂天窗，到吉隆坡机场和旧金山机场的屋面天窗，再到普尔科沃国际机场现代感的天窗，有时候与外露结构没有特别的关系，但是结构与光带的完美结合可能产生特殊的效果，需要我们加以探索发展。

从建筑结构融合设计目标出发的整体性启示

将建筑结构融合设计的目标和原则落实到具体设计中，我们发现，自己目前设计中有所欠缺的内容可以概况为以下几个英文单词：Elegant,Light，Transparency,SimplicityandClarity。下面分别介绍。

优雅的形态和布置

从线、面、体各个层次，采用曲线形、拱形、螺旋形、S形、树叶型、弧形和球形曲面、自由曲面等形态，直线类形态时可采用立体切割形态（案例数量较少），这些形态能带来舒展、自由、灵动的视觉体验。

优雅的结构布置方式和内部划格也是一种几何形态，通过阵列、径向和环向、交叉布置方式，形成三角形、四边形、菱形等连续的规则或渐变网格，能带来韵律、秩序和节奏感。

当代建筑是多样性的，与有序、韵律相对立，在特定情况下，某些看似杂乱但错落有致的布置方式，也有可能被认为是优雅的形态。

轻盈的体系和杆件

采用受力直接的拉压体系截面纤细，因而比受弯体系更显得轻盈，对视觉影响小的细吊索、细张弦等能提升轻盈感。

在荷载较小时采用大长细比的柱子，或将抗侧力体系与竖向体系分开，能带来轻盈感。

可通过悬挑、分叉集中等体系选择，尽可能减少落地构件，达到表现轻盈需求的效果。大构件的离散化如网格筒也是实现轻盈效果的一种方式。

悬挑收边结构本身或建筑实现极为轻薄的造型，通过细节处理带来视觉上的轻盈感。

选择外露的吊挂平台、吊挂楼梯等轻巧结构，可以用较小的代价达到点睛的效果。

通透的玻璃结构

配合玻璃透光的主结构采用单层的轻薄结构，主结构与玻璃次结构的构造合二为一能做到最大程度的通透；当不能合二为一时，尽可能不在主结构上简单重叠次结构或通过一定的颜色差异区分，以减小次结构的影响。

跨度不大的结构可以选用扁形构件甚至钢片，实现通透的目的。跨度较大时，圆管构件和三角形截面的构件在不同角度下都能达到更通透的目的。

清晰的受力表达

清晰的表达，指外露的构件或者部件的作用是易于读懂的，符合结构受力基本原理的，每个结构都遵循基本的受力原理，越是简单的原理越容易被清晰的表达，包括节点连接方式。

采用刚接拱形结构、两铰拱结构、三铰拱结构等设计，杆件截面大小变化或者拉索杆件的采用，与弯矩图相符，都能清晰的表达结构。

曲面形和折板形梁式结构、圆形平面的单边支撑悬挑结构、带有后座杆件的悬挑结构等以简单的结构原理为基础发展而成，不是最经济的结构形式，但仍可能是清晰表达的结构。设计这类结构的前提是对结构基本原理有清晰的认识，结合工程条件变化无穷、灵活应用。

清晰的表达可能不是完全根据受力得到，不完全忠实于受力，有时候会表现为略微偏离合理的受力，有时候会表现为外包造型的艺术化处理。

简单纯净的结构

简单的结构与通透的结构、清晰的受力有重叠之处，从体系上来说，结构中的构件都有其存在的必要，没有多余构件，某些情况下为了提高冗余度而存在的构件也有其必要性。

从构件层次来说，两端铰接柱的变截面处理、悬臂梁的变截面、梁上开洞处理、空腹桁架的采用等，都属于简单纯净的结构，把构件上不需要的部分去除了，形成结构语言。

构件和节点设计的其他启示

构件设计

因制作方便，圆管在曲面结构中应用有优势，管件相交方便，效果较好。需要三向相交时，可以采用矩形截面与圆管混合的形式。

因为线条和阴影带来的视觉影响强于平面，十字形柱在荷载较小时可能会是合适的选择，多边形柱也可以考虑，甚至对较大的柱子进行不规则体面切割成多维变截面。某些情况下椭圆形比圆形更有美感，椭圆形柱截面也可能是一种选择。

拱形和曲梁中采用的异形截面，使相对单调的结构富有活力。

外露桁架结构的弦杆外观尺寸保持不变，可以通过厚度调整，腹杆外观尺寸如需变化也应与长度相适应，没有突变。

柱子和梁截面的细部线条装饰在视觉上有其作用，但国内较多项目的此类构件平直度不够，与焊缝设计有关。

以法国邯錫教堂为参考，小柱距承重结构的均匀圆柱高度与直径比值为25是比较适宜的；以大柱距的支撑屋盖悬臂钢管混凝土柱采用变截面形式，外露高度与底部最大直径之比大约小于8时就显得笨重，宜大于10。

节点设计

不同类型的多杆件相交不一定都要一个平面内，有时候允许偏心连接可能带来便利。

将起结构作用的加劲板、连接板等部件艺术化，切割、圆弧倒角处理，细节精致的艺术产品。

便于现场连接的设计基础上进行艺术化处理，现代工业化特征。

造型渐变，从铰接节点到实体和大面的“过渡”做法，符合力流扩散的基本原理，清晰的表达。

基于拓扑分析和优化手段，可能采用这样的拉索连接节点设计，颇具未来感，而且材料用量大大减少。

本文作者：

张耀康

华东总院结构二院总工程师

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