The World Expo Venues Historically Applied New Building Structures

（文/图）丁成章 高级工程师

历史上采用新型建筑结构的世界博览会场馆

一、第一届世界博览会——水晶宫

1849年，在英国皇家艺术学会上，艾伯特亲王建议举办一次大的展览会，以向世界展示工业和艺术也可以结合起来，同时展示大不列颠的工业强国地位。1851年，正处于鼎盛时期的大英帝国，英女王邀请世界各国参加大英帝国举办的第一届世界博览会。从1850年9月到1851年1月这几个月时间，就建造起来这个563米长，124米宽的巨大建筑物（图1）。位于展览会的中心部分的这座建筑物，玻璃墙壁闪闪发光，就像在阳光照射下的水晶一样。这个成就主要归功于设计和建造者约瑟夫·帕克斯顿（见图2），福克斯和亨德森（来自斯梅西克的承包商、工程师和铁工厂厂长），以及来自伯明翰的钱斯兄弟玻璃制造商的聪明才智。

约瑟夫·帕克斯顿，一个花匠的儿子，在他23岁时受雇于德文郡六世公爵，在成为著名的水晶宫设计师后被封爵，稍后他又成为一个国会议员。

至1850年，约瑟夫·帕克斯顿早已经出版了许多著名的园艺方面的书籍，但他拒绝去就任皇家花丁，选择继续留在德文郡六世公爵那里。他培养的维多利亚雷吉亚百大合花成为激发他在查茨沃思建造花房的灵感，据传，他的女儿画了一张站立的大百合花叶片图，表明了它的支撑方式，由此而设计了用于种植巨大的维多利亚雷吉亚百合花的花房。水晶宫的设计就是模仿这个花房的。他的这一经验允许他在10天之内理出初始设计思路。约瑟夫·帕克斯顿不到二周就画出设计草图，创造性的花房结构采用了苗条的十字骨架来加强放射状的骨架。

一系列的情况摆在了展览会面前，约瑟夫·帕克斯顿的设计是唯一可行的，因为其它投标方案其工期都太长，无法按时完成。

这一150多年前的水晶宫设计和建造就已经包含了仿生学、建筑模数、预制装配、产业化制造、绿色生态等今天看来也是非常先进的建筑新思想。

约瑟夫·帕克斯顿早有使用木材、铸铁和玻璃的经验，并且知道这些材料的长处。预制部件件和福克斯和亨德森（来自斯梅西克的承包商、工程师和铁工厂厂长）的现场监理相结合成全了约瑟夫·帕克斯顿，他们准时交付了水晶宫，并且没有一块构件的损失。这栋563米长，124米宽的建筑物，包括完全覆盖几株自然榆树的十字大厅（图3）。事实上，十字廊措施是为了保护和临时覆盖住场地上的大榆树。

大部分现场建造是采用预制部件，有些是提前24小时浇铸的。在现场测试铸铁柱子，并且在现场打磨和刷油欺，包括木玻璃框的加工（图4-图6）。

甚至临时栏杆材料也被设计用在最终的建筑物上，所以很少有浪费。当建筑物被拆卸掉和运到悉丹翰时，破损的玻璃被重新熔化再使用（图7-8）。

约瑟夫·帕克斯顿最伟大的技能大概是他协调工匠的能力。早在1843年查茨沃思项目中，他给年轻的维多利亚和惠灵顿公爵的印象很深。

他们惊叹建筑物是如此的合适。约瑟夫·帕克斯顿的匠人们在晚上用火把来照明施工。

约瑟夫·帕科斯顿仰仗现代工业技术提供的经济性、精确性和快速性，第一次完全采用单元部件的连续生产方式，通过装配式结构的手法来建造大型空间，设计和建造了伦敦世界博览会会场水晶宫。只用6个月就建成了长563m、宽124m、最大跨度22m、最高顶棚高度33m；约9万m2的建筑面积（图9）。

水晶宫是在1851年5月1日由维多利亚女王揭幕开展（图10），在头三个月参观的人群差不多是一天比一天多。水晶宫展示了来自世界各地的展品，包括各种各样的吸引人的钻石和其它宝石、假牙、假肢、马车、强大的蒸汽机（图11）、皮革商品、玻璃艺术品、连续发射手枪和刀具、自动化的棉纺机械（图12）、咀嚼烟草。

展览会在1851年10月15日闭幕，参观者超过六百万人次（图13-图14）。展览会取得了巨大的成功，门票收入为其它的城市项目提供了资金。在1852年拆卸掉了水晶宫，并且在泰晤士河的南岸悉丹翰重新组装起来。

水晶宫经历了从设计构思、制作、运输到最后建造和拆除的全过程，是一个完整的预制建造系统工程。曾经是19世纪前半期的铸铁技术总检阅之一。尽管是马拉肩扛（图15-17），却首创了工厂预制构件，现场装配的技术模式，是现代建筑（钢材骨架和玻璃幕墙）的开山之作。1936年，水晶宫毁于员工厕所引起的火灾（图18-20）。

二、1889年巴黎世界博览会——机械展廊

在1851年、1862年举办两次世界博览会之后，英国不想再举办世界博览会了，法国马上乘虚而入，在1855年到1900年间，先后举办了五次规模较大的世界博览会。这些展出可以被看作向英国工业产品和贸易统治地位挑战的一个国家宣言，这一点可以从每次都把机械馆的结构和内容作为展出重点看出来。

为准备1867年巴黎世界博览会，年轻的居斯塔夫·埃菲尔（Eifel）和工程师J·B.Krantz一起设计了自1851年以来所建造的最为壮观的展览馆建筑（图21）。

1867年以后，产品的大小和多样化，以及国际竞争所要求的展品的相互独立，要求展览建筑多馆化。到1889年的世界博览会，人们已不在试图将展品放在单一的无所不包的建筑中，维克多·康塔明（Victor Contamin）和建筑师C·L·F·杜忒尔特（C.-L.-F.Dutert）为巴黎世界博览会设计了107m跨度的机械展廊（图22-25）。机械展廊不仅是用来展览机器，其本身就是一个“展出的机器”。它的内部有沿着高架导轨移动的参观平台，参观者可以乘坐在上面对全部展览品有一个全面而迅速的浏览。巴黎世界博览会机械展廊对现代建筑最大的贡献就是大部分设计都是根据理论和力学方法决定的。所采用的变截面框架和简支于地基上的手法完全符合工程学的原理，验证了英国人托马斯·杨（Thomas Young）提出的弹性模量理论，创造了钢材铰链拱空前的大跨度结构空间。

公元1889年，有着丰富的铁路高架桥设计和建造经验的工程师埃菲尔（Eifel）与工程师努维依尔（Nouguier）、柯赫林（Koechlin）和建筑师斯特芬·索维斯特（Stephen Sauvestre）共同为巴黎世界博览会设计了300m高的埃菲尔铁塔（图26）。建造的当时，当地的艺术家和文化名流们对它发起了猛烈的反对运动，著名作家莫伯桑说：“铁塔建成之日，是我离开巴黎之日”，可是铁塔竣工后却成了代表巴黎形象的结构物。

三、1930年巴塞罗纳世界博览会——德国国家馆

在蒙特伊克山丘上的大公园里，一批在1888年第二次巴塞罗纳世界博览会上展出的没有激起太多的兴奋的展品在1929年再次展出（图27-图28）。在“西班牙村”里陈列了西班牙艺术和工业产品，也有西班牙建筑纪念碑的复制品。在这次展览会上，有一个建筑学亮点，那就是至今仍然非常著名：由路德维希·密斯·凡·德罗设计的，带有最昂贵的材料分隔墙的现代低平顶建筑物——最优美的“德国临时展馆”——德国国家馆。

巴塞罗纳“德国临时展馆”是在1929年5月19日开展，在1930年1月展览结束拆除。设计者路德维希·密斯·凡·德罗，在1930年继汉尼斯·迈耶后担任包豪斯校长。1939年移居美国。他关于“结构”的论述非常精辟：对结构，我们有一种哲学观念，结构是一种从上到下，乃至最微小的细节全部都服从于同一概念的整体。这就是我们所谓的结构。路德维希·密斯·凡·德罗于1927年写道：今天，经济因素使合理化及标准化在出租房屋中成为必不可少的因素。另一方面，我们需求的日益复杂化又要求具有灵活性。未来必须同时考虑方面，因此，框架结构就成为最适宜的体系。它使合理化的建造方法成为固定核心，那么其它的空间就可以用活动墙体分隔。我相信这样做就可以满足所有正常的需要。

由于当时的人们对包豪斯思想、住宅产业化等新思想还不太了解，对这栋建筑物的伟大之处还看不清楚，这是任何新生事物都会面临的问题。但几十年来，包豪斯思想、住宅产业化等新思想在世界范围内得到了很快普及，人们逐渐认识到这栋建筑物的历史和现实价值，因而在1986年，在原址又重新建造起来。

“德国国家馆”充分展示了路德维希·密斯·凡·德罗的这一设计思想。水平离心式的空间布局，用独立的平面和柱子来分隔和关联（图29）。

尽管在它以八根柱子组成正轨方格网，以及对传统材料的自由运用中存在着与古典主义的联系，然而巴塞罗纳的“德国国家馆”的构图却不可否认的是至上主义和要素主义的。当时的照片显示了它模棱两可和难以形容的空间及材料形式。从这些记录中，我们可以看到某些虚幻的表面感觉带来了体积中的某些移位，例如，通过绿色玻璃屏幕的运用，出现了主要边界平面的镜中对应物。这些覆盖了绿色抛光的大理石的平面有反射了固定玻璃用的镀铬垂直杆的主要特征。这种对组织和色彩的运用还可见之于用抛光的乌黑玛瑙制成的内部核心平面，以及沿着有大反射面的池子的主平台设置的凝灰色长条墙之间形成的对照中。在这里，由于凝灰石边界墙的作用，微风吹来使水面发生的破折波纹歪曲了建筑物的镜面形象。与此相比，“德国国家馆”的内部空间，在柱子和窗户间小柱的调节下，终结与一个封闭的庭院，其中又设置了一个以黑色玻璃衬面的反射池。在这面完美的镜子的上面和内部，竖立着乔格·科尔比雕塑的《舞蹈者》的凝固形体和形象。《舞蹈者》是在“保护她的眼睛被阳光照射”。在建筑物内部和外部都能够看到雕塑的《舞蹈者》。尽管有所有这些精巧的美学对比的手法，但整个建筑物只是用八根独立的十字形柱子组成的简单结构来支撑其平屋顶（图30-图33）。

在展览会上，“德国临时展馆”绝没有代表德国国家的作用。德国工业展览（展览会的目的）是放在也是由路德维希·密斯·凡·德罗设计的德国电子工业临时展馆里。所有展示都是由路德维希·密斯·凡·德罗和他的合作伙伴里奇·瑞克设计的。所有的家具，包括在国家馆里著名的“巴塞罗纳椅”，也是由路德维希·密斯·凡·德罗设计的（图34）。

从那时起，巴塞罗那椅已成为进入艺术最高殿堂的设计经典之作，包豪斯提出的现代工业设计（ID）思想在这把椅子上得到了充分的体现。身为建筑师的路德维希·密斯·凡·德罗对细节的要求完全反应在巴塞罗那椅上；椅架由两对相交的不锈钢架交叉而成，表面是带有按扣的牛皮套；X形的交叉弧线和缓而优美；格子状的皮革连续拼缝；展現了高超的缝制技术（图35-图36）。

“ 德国临时展馆”集中在建筑师新发明的三维空间概念上。流动、连续的空间，以及小心的考虑减少内外区别，使得“德国的临时展馆”成为建筑史上的里程碑。较少关注在路德维希·密斯·凡·德罗概念中扮演着极其重要角色的自然采光。采用很少的电灯照明和水中的倒影，以及各种各样的墙壁和窗户材料，路德维希·密斯·凡·德罗在酷热的西班牙阳光下创造了一个庇护所，那就是出乎意料的，由阳光作为主要的照明（图37-图41）。

四、1967年加拿大蒙特利尔的世界博览会上的德国大帐篷

1967年加拿大蒙特利尔的世界博览会是美洲大陆上最大的，吸引了最多的参观者的世界博览会，其费用也是历届博览会中最大的。加拿大在圣劳伦斯河中间的二个岛上，提供了大量的展示场地。世界博览会展览馆的建筑风格是轻型空间骨架结构，有着精致的网状屋顶（有桅杆的张力结构）和大玻璃圆屋顶（穹顶结构）。

大跨度有桅杆的张力结构（国内简单称之为膜结构，日本称之为悬索结构、悬吊结构或张拉结构）是从19世纪悬挂桥和20世纪高压电缆支撑设计得到灵感，采用钢材杆子以拉力（或张力）支撑水平的屋顶表面。承受拉力的构件有刚性的杆件和柔性的钢缆（俗称钢丝绳）。早先承受拉力的柔性构件是熟铁链，例如很多古老的铁链桥。后来采用钢缆，再后来也有采用刚性拉杆的。更加近期的有桅杆的钢材结构采用了同样的原理，尽管它们的形式已经变得很不像大桥设计，并且非常清晰的展示了暴露在张力杆、水平梁和垂直桅杆之间的钢材连接。

在张力膜结构里，钢缆与织物膜结合，产生非常轻重量的长跨度结构。弗瑞·奥托为蒙特利尔展览会的德国大帐蓬（1967年）（图42-图45）在张力膜结构的开发中是划时代的事件。

由于杰出的，极大的白色帐篷，联邦德国临时展览馆优美的造型就像沙漠风爱抚着绿洲。不可否认的优美结构是有8根钢缆支撑的，上面绑着塑料网（图46-图47）。

德国人六周就搭起了这顶大帐篷，速度之快，令人难忘（图48-图53）。

五、1967年加拿大蒙特利尔的世界博览会上的美国大帐蓬

巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller，1895-1983）是一位出身于美国的伟大的结构学家，他的名字经常与一些光荣的事物相联系。有关他的称号不胜枚举，例如思想家、哲学家、数学家、物理学家、建筑家、技术专家等等，巴克敏斯特·富勒在1940年晚期，基于球形表面的三角形发明了穹顶理论（图54）。要想理解富勒穹顶，就必须学习他的结构哲学。巴克敏斯特·富勒总是站在系统的高度去思考局部的问题，巴克敏斯特·富勒的基本思想是：虽然由局部构成了整体，并对局部非常了解，却不一定能够了解整体，但是如果了解了整体，就一定能够了解局部。如果把三个正三角形的顶点和它们的每一条边都靠在一起，就会如图59a所示，在下面出现一个新的三角形。就是说，出现了“1+1+1= 4”的事实。三角形反应的是最小的努力、最小的系统、最小的多边形、最小的多面体、最小的概念、最小的思考，结果当然也就形成了最牢固的结构（即三角形的稳定性原理）。巴克敏斯特·富勒的结构设计思想是“用最少的东西，做更多的事情”，“所要做的东西，要尽量的轻，轻，再轻，一克一克的减轻”。由交叉、偏移的平行圆拱系统组成的钢材薄屋顶已经用在了飞机修理库、大型运动场和其它的长跨度应用方面

蒙特利尔展览会采用了巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）的网格球顶建造了美国大帐蓬（1967年）（图55-图57）。