结构消隐＊——建筑立面建构的一种方式

宋戈 张思煜 刘瀚超 SONG Ge,ZHANG Siyu,LIU Hanchao

1 西北工业大学

2 西安建筑科技大学土木工程学院

1 立面、结构与建构

现代主义运动开始后，围护功能和支撑功能合二为一的建筑立面逐渐减少，正如莱瑟巴罗和莫斯塔法维在《表面建筑》中所言：当建筑的外皮（Skin）可以和结构脱离时，其就可以像窗帘或衣服一样被挂起来。结构和外皮的对抗关系从此占据了建筑生产（Architectural Production）的主要位置，并在今天仍在争斗，而这场争斗的位置就是建筑的表面（Architectural Surface）[2]。由于围护功能与支撑功能的分离，围护物本身得到了极大的自由，而围护物与支撑物之间的相对位置关系也有了多种变化的可能，至少出现了支撑结构退后于围护、围护与支撑结构结合、支撑结构突出于围护的三种关系（图1）。

无论哪种位置关系，当支撑结构显现时，建筑的竖向受力关系得以呈现，表达了“建构”概念的一个方面。通常来说，用最简单的语言解释“建构”就是一种诗意的建造[3]；美国学者赛克勒将建构定义为与结构、建造有关的表现性特质，它源自建造形式的受力特征，但最终的表现结果不能仅从结构和构造的角度进行理解[4]；而在肯尼斯·弗兰姆普敦的著作中，读者很容易将建构简单理解为结构机制的呈现和受力关系的性格塑造，因为其所谓的“建构文化”更多地似乎是在强调“再现”与“本体”在“结构理性主义”原则下的统一，这使得建构概念很容易被缩减为对结构关系和建造逻辑的忠实表现。然而作为一种诗意的建造，建构的概念应当是丰富的，诸如程大锦将结构体系与建筑设计的形式关系归结为三类：显露（Exposing）结构体系、隐藏（Concealing）结构体系、彰显（Celebrating）结构体系[5]；陈镌则将立面中的结构表现分为“表皮构造的表现、内部结构的表现、两者共存的表现和完全与内部结构无关的结构表现”[6]。本文呈现的案例则意图展示立面中结构的“缺席”，也就是结构不表现的方式。

2 结构消隐之梁柱退后

2.1 图根哈特住宅

在密斯设计的图根哈特住宅（捷克布尔诺，1928～1930）中，起居空间由巨大的落地玻璃围护，支撑主体结构的柱子则退后于整个幕墙（图2）。现代主义建筑中围护系统与结构系统（“皮”与“骨”）的分离在这里表现得非常强烈，突出了建筑表皮的独立性；同时这里结构柱与幕墙的距离较大，可以摆下一个躺椅，加之柱子的空间限定作用，形成了一处介于室内与室外的“灰空间”。幕墙可以通过机械装置被收入地下室中，收入后室内外空间的界限则被进一步模糊，形成了类似日本传统建筑的缘侧（Engawa，室外和室内空间相接的走廊，图3）空间。

2.2 教师培训学院科学馆

由Bearth+Deplazes Architects设计的科学馆（Chur Teacher Training College,Science Wing，瑞士库尔，1997～1999）是Grisons教师培训学院的扩建部分。建筑立面由大面积的单元式玻璃幕墙构成，建筑内部发生的状况被一览无遗，设计者希望借此暗示科学研究可以被清楚地认识（图4）。作为主要结构的混凝土框架可以看作是四个叠加在一起的平台，并被交通核连接成整体。其梁柱布局的特别之处在于：整个建筑并没有设置沿建筑短边的横梁，而是用沿建筑长边方向的纵梁将柱子连接在一起（图5）。

与通常沿进深方向布置横梁的方式相比，这样产生的吊顶空间非常平整，方便各种设备管线的布置。另外楼板只设置了主梁而没有次梁承托，次梁的作用由加厚的混凝土楼板替代，这样立面背后的悬挑楼板没有次梁支撑，空间变得异常通透，建筑概念与实现手段高度吻合。

1 支撑与围护的不同关系

2 图根哈特住宅起居室室内

3 日本传统建筑的檐下空间

4 教师培训学院科学馆平面

5 教师培训学院结构-幕墙轴测图

6 托莱多美术馆玻璃亭外观

7 托莱多美术馆玻璃亭外观围护系统和结构系统分解轴测图

8 海洋/过滤器外观

9 海洋/过滤器项目轴测图

10 EL Batel 外观

11 EL Batel 立面结构及次级结构轴测图

12 森林/地面别墅外观

13 森林/地面别墅分解轴测图

3 结构消隐之截面最小化

3.1 托莱多美术馆玻璃亭

妹岛和世与西泽立卫设计的托莱多美术馆玻璃亭（The Glass Pavilion at Toledo Museum of Art，美国俄亥俄州托莱多，2006），主要用于玻璃制造演示及玻璃艺术展览。建筑内任意的房间、院落或走廊都由连续的墙体包围，其中大部分为玻璃幕墙（图6）。各种角部的弧形玻璃使得空间的划分突破了房间的概念，形成了相互连接的气泡形平面，重新阐述了密斯的“流动空间”概念（图7）。墙体的概念也随之瓦解，转换为限定相邻空间的两层玻璃幕墙及其围合起来的空腔，这个空腔被看作是一种温度缓冲层，配合在吊顶和地板内安装的空调系统来调节湿度和温度。玻璃幕墙的固定件插入地面和天花板，将玻璃的收边隐藏起来，立面更加通透。

玻璃相互叠加使得室内活动时隐时现，为了强化这种效果，立面乃至整个室内的竖向结构都进行了消隐处理。纤细的实心钢柱将屋面的竖向荷载传递给混凝土基础；置于玻璃烧拉工作室内的钢板墙及局部不透明墙体后隐藏的斜向支撑则承担建筑的横向荷载，使得钢柱截面最小化。靠近立面的外围柱子同时退后于玻璃或隐藏在墙体内，且柱子的排布并不遵循正交逻辑，而是不规则分布——有些位于房间内，有些位于缓冲层内，进一步弱化了结构的秩序与存在感，使得空间划分的模糊与暧昧得到最大程度的体现。

1.2.2 排除标准 ①宫内感染患儿；②吸入性肺炎、湿肺；③先天性畸形；④先天性心肝病；⑤染色体异常。

3.2 海洋/过滤器

在隈研吾设计的海洋/过滤器（Sea/Filter，日本山口县小野田，2001）的餐厅中，结构体系可以被理解为两个部分：大开间的钢结构容纳朝向海洋的餐厅部分，同时主要承担屋面荷载和餐厅夹层的荷载；背向大海的厨房服务部分则采用砌体结构，主要承担建筑的侧向力（图8，9）。这样钢结构部分的柱子承受较少的横向力，所以截面尺寸可以减小。同时这些柱子成为餐厅立面玻璃幕墙的竖挺，使得从室内看向大海的景象尽量不受遮挡。

3.3 EL Batel会堂及会议中心

坐落于西班牙卡塔赫纳市（Cartagena）港口的El Batel会堂及会议中心（2011）由José Selgas和Lucía Cano设计，整个建筑长约200m，与海岸线平行布置（图10）。

建筑沿海立面的内外侧均采用半透明的聚碳酸酯波纹板作为围护材料，并通过特殊的固定件以边缘叠加的方式与主体结构或附加结构连接。位于立面空腔位置中的钢结构柱并没有采用常规的实腹截面柱，而转用格构柱方式——构成柱子的6根实心圆钢管由三角形的连接件组合为两组，并在顶部连接为整体（图11）。支撑波纹板的次级结构采用同构方式与主结构取得相似性，这种做法使得波纹板的背后不会出现一道道黑影，从而尽可能实现立面均匀的半透明效果。

4 结构消隐之特殊结构选型与布置

4.1 森林/地面

在名为森林/地面（Forest/Floor，日本长野县轻井泽，2003）的周末别墅项目中，隈研吾试图用不同方式演绎密斯在范斯沃斯住宅中建立的建筑和环境的融合联系（图12）。隈研吾认为范斯沃斯住宅中的框架结构对视线造成了干扰，而在这个项目中则通过消隐立面结构、悬浮楼板来消除人与自然的隔阂[7]。别墅的首层是架空的，架空层和坡屋顶之间是起居空间。起居空间由纤细钢柱支撑，但这些钢柱没有再继续升高支撑屋顶，只剩下了起围护作用的玻璃幕墙和竖向金属百叶（图13）。通透的幕墙使得居住者完全沉浸在周边的森林景观中，而百叶则起到了在隈研吾作品中一贯的作用——调节光线和视线。

14 迪奥旗舰店外观

15 迪奥旗舰店标准层轴测图

17 诺华制药公司办公楼标准层轴测图

18 MAS 博物馆外观

19 MAS 博物馆桁架体系示意图

这种效果的玄机在于，整个房子的屋顶其实是由位于建筑平面横向中心线上的两个相对于一层钢柱非常大的圆形混凝土柱子支撑的，其中一个暴露在架空层中，另一个则隐藏在架空层储藏室内。而在起居空间中，两个柱子随着荷载的降低截面变小，并结合房间的布置被隐藏在家具中。

4.2 迪奥旗舰店

同样由妹岛和世与西泽立卫设计的迪奥旗舰店（东京表参道，2001～2003）的空间概念可以被理解为由轻盈绸缎所包裹的层层竖向叠加的悬浮板片（图14）。

建筑结构的平面布局没有采用均匀布置的框架体系，而采用偏心式的框架—筒体结构。受力荷载主要集中在两个包含了楼电梯和设备管井的核心筒上，其他靠近建筑立面的柱子并没有平均分布在建筑四周，这些纤细的柱子仅出现在两个不重要的侧边上，同时退后于楼板（图15）。这种巧妙的布局使得建筑正立面的结构几近消失，也使得建筑被“绸缎”——曲面亚克力板包覆的概念得以实现。

4.3 诺华制药公司办公楼

诺华制药公司邀请了众多国际建筑大师为瑞士巴塞尔园区设计了若干幢办公和实验用房，其中由妹岛和世与西泽立卫设计的办公楼（2003～2006）与园区内其他绝大部分楼宇类似都采用矩形，但不同之处在于拥有一个内天井。天井两侧的办公空间进深都不算宽裕，但为办公人员提供了充足的自然采光。建筑的外立面和朝向天井的内立面都为单元式落地玻璃幕墙，由于进深不大，整个建筑呈现出一种被压缩的透明感（图16）。

为了最大化建筑空间的透明效果，除了建筑的四角及连廊部分由圆形柱子支撑外，其他部位都由沿室内中部、横向布置的剪力墙支撑（同时容纳竖向设备管井），这些剪力墙最终被两个文件柜遮挡起来，同时楼板采用无梁楼盖，这些做法都在试图减弱结构支撑部件的出现，而强化空间的透明效果（图17）。

4.4 MAS博物馆

位于比利时安特卫普市旧港口的MAS博物馆（Museum Aan der Stroom，2000～2010），由纽特林·里代克（Neutelings Riedijk）设计。建筑师将展览空间设想为一个个收纳历史和艺术品的石头盒子，10个相同尺寸（36m×24m×6m）的石头盒子堆叠在一起，每一层盒子的边缘都被依次挖掉一块，这样就构成了一个螺旋上升的台阶形态，被挖掉的部分则作为室内公共空间将城市景观与展厅联系起来（图18）。从外部看，整个建筑的虚实对比非常强烈，实体部分的外墙和室内公共部分的吊顶均由同一种干挂石材包裹，建立了一个完整石头盒子的概念。虚空部分由水平截面为波纹状的玻璃围合，波纹形状解决了玻璃安装的稳定问题，也使得固定玻璃的竖框间距最大化、数量最小化。然而令人意外的是，整个玻璃幕墙后没有一根结构柱显现，原来玄机位于实体部分。

10个石头盒子实际上是由从建筑中心悬挑出来的巨型桁架作为主体结构，上下层盒子内的桁架会扭转90°，从而为公共空间留出位置（图19）。虽然桁架的斜撑会在室内某些位置暴露，限制了空间的自由划分，但这种结构形式无疑是在满足竖向堆叠和悬挑的同时，释放虚空部分的最优形式。

5 结构截面最小化试算

以上案例均表现出建筑设计与结构设计的巧妙结合，并可以总结为以下三类建筑概念：1）建筑空间的透明感；2）环境向建筑内的渗透；3）建筑体量的明确表达。纵观以上案例不难发现，大部分案例结构布局的共同点都是突出了抗侧力部件的设计，同时绝大多数案例都采用了钢结构或钢结构与混凝土结构的混合体系。这两种策略似乎对立面位置结构部件的最小化起到了关键性作用，下文则通过一个序列化的结构计算实验，来验证这种策略的可行性。结构计算采用YJK1.9.2软件，基本参数如表1所示。

计算共设置5种不同的结构类型，分别为混凝土框架结构、混凝土框架—梁柱退后两米、混凝土框架—核心筒体系、钢框架体系、钢框架—支撑体系，计算模型及结果如表2所示。

算例2与算例1边柱尺寸相同，但通过悬挑的方式将结构柱退后，使得建筑立面获得更多的自由度；同时结构柱的后退减少了建筑柱距，可以一定程度上降低梁高。不过悬挑结构具有较大的挠度，悬臂梁发生破坏为倒塌破坏，因此需要严格控制悬挑端的应力比和挠度来保证结构的整体安全。同时，如果结构柱退后过多，将会造成悬挑过大与梁截面呈指数增大，会影响立面的通透效果。

表1 结构计算参数

表2 计算模型与边柱尺寸计算结果

算例3利用混凝土核心筒形成强有力的抗侧构件，让外围框架柱只承受竖向荷载，从而边柱截面尺寸有所降低。但一方面规范限定了截面尺寸的最小值，另一方面，地震力作为一种惯性力，其大小和质量有关。剪力墙作为一个实体构件,本身质量大会导致结构增重，无形之中又加大了地震作用，所以截面尺寸降低的程度并不大。

算例4和算例5得益于钢结构的轻质高强特性，结构自重低，从而减少了地震作用力。算例4中的抗侧体系是由钢柱和钢梁共同构成，为了优化边柱截面，可以对整体刚度进行合理分配。即在内部空间通过增大梁柱截面的方式来增加结构刚度，从而满足边柱最小化的设计，本算例平面中部钢柱采用500mm×500mm×20mm箱型柱，边柱截面则可优化到350mm×350mm×20mm。算例5采用支撑体系作为抗侧力体系抵抗水平作用来进一步实现边柱优化，所增加的支撑质量相对于增加一片实体剪力墙要小很多，因此并未明显增加地震作用，而截面尺寸降低的程度相当大。

实际上，由于高层建筑更容易受到风力和地震力的影响，经常会采用框架—支撑结构布局，文中收集的多个案例则将这种布局使用在非高层建筑中，从而最小化立面位置的柱截面。以上序列化结构计算实验，则验证了在我国结构规范及一定场地条件约束下，这种结构布局在非高层建筑使用时的可行性。

6 总结

工业革命使得建筑师与工程师之间的分工更为明确，工程师更注重实现空间结构的技术操作，建筑师更关注建筑与社会功能关系的实现过程；这种分工使得传统的结构性能设计变成了被动的设计，建筑师变成了满足结构工程既有法规要求的从属者[8]。本文呈现的案例无疑是建筑师与结构工程师紧密配合的结果，但这也并非“以结构为先导”[9]的建筑设计，而依然以建筑概念为先导，毕竟建筑学的终极目标是营造建筑空间。回到本文开始对建构概念的解析，可以看到建构其实并非只有某种单一的理解，并非一种静止的、死的、僵化的价值，而是一种需要一直伴随具体情况和实践状况不断演化的原则[10]。这种原则也使得建筑的多样性与可能性得以持续，创造建筑空间与建筑结构的完美融合。

本文也只是针对几种简单的结构体系进行了分析，阐述了结构消隐最基本的可行性及措施。而在实际工程项目中，结构形式、建造方式受到规范、预算、施工条件等诸多因素限制，如何采用梁柱退后、最小化截面及合理结构体系来到达结构消隐的效果，需要建筑师和结构工程师协同设计，共同实现空间效果。

图片来源

图1 来源于文献[11]；图2 来源于文献[12]；图3～5，7～10 来源于网络；图6 来源于文献[7]；表格中图片由作者自绘。