建筑设计中结构设计的表达与应用

倪润尔

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200082）

1 建筑设计与结构设计的矛盾与统一

1.1 建构历史的发展回溯

在人类构筑居所、营造城池的历史长河中，建筑的本体结构与建筑所表达的文化性是脱离还是共生，一直是个活跃的命题，推动着建筑技术的发展。从最早的古希腊神庙或是中国古典建筑中的梁柱结构，到古罗马时期因空间需求扩大而催生的拱券、穹顶、帆拱等结构形式，再到欧洲中世纪哥特建筑拱肋、飞扶壁等结合理性与神性的表达，继而到文艺复兴时期恢弘的穹顶等建筑奇迹，无不体现了古代的匠人与智者们在时代的推进中对于功能、精神需求与结构体系的相互磨合与促进。

随着18-19世纪科学技术的发展人们进入工业革命时代，铸铁、钢筋混凝土、新型复合材料等方面的突破性发展将结构设计与建造技术带入了新的世界，无论是建造速度、经济效益等方面都有显著提升。随之而来的现代框架结构、桁架、网架、薄壳等结构体系以及工业化的生产方式被广泛运用于大量建筑，产生了功能各异、千姿百态的现代建筑。

1.2 建筑师和结构师的分工与合作

科学技术的发展一方面奠定了当代建筑的地基，另一方面也使得建筑师与结构师之间的分工在近代开始变得更为明确：建筑师更趋于关注建筑应对的功能性和体现的社会与文化性的实现，结构师则更注重在保障施工及使用安全的前提下对于建筑空间的结构选型、计算和具体的技术实现。越发庞杂的专业信息量促使这种分工越发分明，建筑师逐渐变得较难有能力通盘掌握结构分析和实现的各种手段，传统囊括结构性能设计的创作过程变成了被动的设计。

然而这一壁垒也并非难以打破。从20世纪60年代建筑师丹下健三与结构师坪井善胜合作的东京代代木国立综合体育馆，到伦佐·皮亚诺、理查德·罗杰斯与彼得·莱斯共同设计的蓬皮杜艺术中心，再到伊东丰雄与佐佐木睦朗合作的仙台媒体中心，以及21世纪新生代建筑师中的藤本壮介、石上纯也等与杰出结构合作的作品，都体现了动人的建筑离不开精心设计的结构，以下就试从建筑师的角度探讨建筑设计中结构设计的几种表达方式：

2 建筑设计中结构设计的表达方式

2.1 结构构件的消隐处理

建筑立面通常是设计表达的重点，建筑师为了表达空间的透明性，为了将室外环境向室内渗透，或是为了突出建筑纯粹明确的体量，往往希望建筑立面都做得干净通透，要求结构构件尽可能做到“消隐”的状态。

在妹岛和世与西泽立卫设计的托莱多美术馆玻璃展亭中，立面与大部分空间划分使用玻璃幕墙，房间由各种不同形态的弧形玻璃围合，使得空间突破了传统意义上房间的概念而形成了“流动空间”。为了凸显这种效果，建筑立面以及内部的竖向结构构件都进行了消隐处理——通过构件尺寸的最小化、后退于玻璃完成面或是隐藏在局部实体墙内。柱网排布并不依照通常的正交规律，而是依据功能与表现需求呈不规则分布，进一步弱化了结构体系的存在感，使得设计意图得到最大程度的体现。

2.2 结构构件的强化体现

有时候受到条件的制约，无法做到让结构构件完美“消隐”，或是有时候希望通过结构构件达到设计效果，建筑师与结构师就需要磨合来找到外露结构的表达形式。可以通过对梁柱等重复构件的均质化以及节奏感的控制，或者对网壳等划分规则的调整，形成不同的空间秩序和体验。

在现当代建筑潮流中，西班牙建筑师卡拉特拉瓦尤其善于将结构设计与建筑设计一体呈现，表达结构的韵律并赋予动态的形式。例如在他领衔设计的纽约世贸中心新交通枢纽中，纯白色钢结构通过精心设计的尺寸和重复韵律，同玻璃一起打造了一个延伸向天空纪念性公共交通空间，通过充满张力的结构所表现的外观如同展翅欲飞的和平鸽。但业界也有质疑称他的部分作品有过度使用结构构件的成分，这需要辩证地看待建筑与结构表现力和项目造价、场地文脉等相互制约的关系来做出评判。

2.3 结构、表皮、空间一体化设计

随着建造技术和建构理论的发展，“结构建筑学archi-neering”的议题成为热议，旨在通过将建筑的造型、结构、构造、空间甚至寓意等综合考量而进行建筑创作。在这个语境下，建筑师与结构师合作的默契程度关键地决定了建筑最终能够达到的水平：这需要结构师从构思初期就密切参与，从宏观上同建筑师共同研究建筑的功能形式、制定结构方案，也需要在设计深化的过程中与生产施工部门等各方共同把控单元构件的微观近人尺度，整合表皮的构造层次和内部的设备系统，实现“简约”而不“简单”的效果。

新近落成的由福斯特建筑事务所设计的史蒂夫·乔布斯剧院，直接将近80t的碳纤维屋顶通过建筑周圈的四层夹胶玻璃结构支撑，完全通透的大厅内不使用其他竖向构件，玻璃既是建筑表皮也是结构支承构件，所有水电管线均集成在玻璃面板之间的缝隙构造中，通过突破极限的技术呈现，淋漓尽致地阐述了极简的设计风格。

3 侧重于结构表达的设计方法与应用

3.1 结构设计理论在建筑创作中的介入

人们在早期的生产实践中创造了众多合理的结构形式，如拱、壳体、悬索等，然而近代以前，数学和力学等基础科学的发展尚不成熟，结构形态的确定往往建立在设计者的经验之上。19世纪以来，力学学科的进一步完善，为寻找合理受力的结构形式奠定了理论基础，但仍不能完成复杂结构形体的设计和计算，因此一些学者开始以缩尺实验或工程经验为主要手段，有意识地确定合理结构形状，保证发挥材料最大的力学性能（如构件只受纯压力）。例如西班牙建筑师高迪通过逆吊实验法确定的圣家族大教堂的穹顶、德国建筑师奥托利用皂膜模型试验推导出的德国慕尼黑奥林匹克体育馆等。另外，图解静力学理论的发展，也对各种大跨度结构体系的建筑设计有着积极促进作用。

计算机技术的发展大大推动了结构设计方法，例如有限元模拟法以及由此发展出的渐进结构优化法等。随着力学理论和分析方法被转译成算法，结构设计更具备可视化和交互性，可根据设计条件改变快速调整迭代结构形式，建筑师在掌握基本结构概念和编程逻辑的基础上，可以同结构师一起更为积极且具象地参与到结构生形和建筑创作的过程中。例如利用犀牛Grasshopper平台中的kangaroo插件进行张拉结构模拟、利用RhinoVAULT插件等进行拱结构生成并达到稳定状态等模拟。

3.2 工程实例

在中国商贸博物馆与义乌市美术馆（在建）的设计实践中，结构成为了建筑表达不可或缺的一部分。为了体现“广宇六合、盛世绽放、商贸之都”的设计理念，也为了突出顺应环境主导风向而舒缓流畅的建筑形态，采用了大小两个基于圆角六边形的纯粹体量，每个体量由六个拱脚轻轻落地。设计从方案阶段即开始与结构师紧密合作，确定了采用大跨度钢拱架结构，将落地的拱脚缩至最小。同时，为了达到通用型展厅无柱大空间的使用目的、以及中庭与三个边庭通透的设计效果，展厅和中庭内的竖向承重构件均力求消隐，仅通过中间核心筒的剪力墙、展厅入口同隔墙融为一体的柱子以及周边拱架结构传递竖向力，真正做到了灵活开放的通用空间。

另外，在博物馆与美术馆一层入口周边的半室外灰空间，为了将纯粹流畅的建筑体量延续至室内，同时也为了节省造价不做二次装修，将外露的二层楼面梁作加腋处理，由犀牛Grasshopper找形，将不同梁的端部协力调整到柔和的整体空间形态，同时兼顾合理的传力方式。通过结构构件的强化体现，以清水混凝土的韵律表达建筑本真的美感。

4 结论

优秀的建筑往往是“形”与“力”的完美统一。建筑空间的要求推动结构体系的发展，结构体系的发展对建筑形式的形成又起到关键作用。这种相辅相成的关系促使当代建筑设计思潮呈现出传统“坚固、实用、美观”基础之上的百花齐放状态——亦或是经济高效亦或是绿色节能。正如日本结构大师坪井善胜所言：“结构的美在合理的近旁”，当代建筑师把握好时代给予的机会，与结构师紧密合作、协同设计，将会诞生更多为人们所铭记的作品。