从结构形态的演绎到建筑意义的呈现＊——钢与钢筋混凝土的现代主义化

朱梦然 郭屹民

东南大学建筑学院

1 钢筋混凝土

1.1 从“流动的石材”到力流的实体

范德维尔德（Henry van de Velde）曾论述道：“19世纪的结构工程师就像天真的小孩用简单的方法创造了自然的美，尽管显得有些傲慢，但是他的观点却与现实主义吻合。”天真似孩童的说法并不是对结构师的溢美之词，早期的结构师不仅缺乏对材料特性的认知，也难以完成精确的力学计算。

斯米顿（John Smeaton）的Eddystone灯塔（1759）被视作混凝土有记录以来的最早应用实例（图1），历史跨越了近150年后才有了埃纳比克（Francois Hennebique）提出的铁筋混凝土建造系统（System of Ferro-Concrete Construction，1892）。这之间经历了阿斯普丁父子（Aspdin）注册波特兰水泥为专利（1824），莫尼尔（Joseph Monier）发明钢筋混凝土应用在花盆上（1867）并实践了最早的钢筋混凝土桥（1875）……铁筋加固的方式（图2）让混凝土摆脱了“流动的石材”的属性，具备了抗拉的能力。但这些都没有把混凝土的使用上升到结构力学计算的高度，为数不多的相关研究也未能发表。

同时期学院的建立直接摒弃了结构的代数计算，而是深入了图解静力学的方法。在ETH初期，首席工程教授库尔曼（Karl Culmann）认为图纸是工程师的语言，结构行为应该通过几何图形形象地表达，而不是抽象的代数公式。图解的方式意味着结构间接成为了力流的图像呈现。而库尔曼的继任者里特尔（Karl Wilhelm Ritter）继承并发扬了这一理念，提倡计算的简化性、结构美学、计算准确度和施工质量的结合。这样的要求和使用模型的工作方法又影响到了他的学生马亚尔（Robert Maillart），后者的桥梁实践被认为是力与美的结合典范。被称为“混凝土诗人”的奈尔维（Pier Luigi Nervi）的作品则是以肋条将力流直接转译，他被视作意大利数学家克雷默纳（Luigi Cremona）的继任者，后者发表的“图解静力学的交互图形问题”促使图解的方法更加便捷。

1.2 从桥到拱、框架与壳体

如同建筑师关注空间一样，结构师的思考则是从跨度开始，而桥比房子更能够体现他们对跨度的痴迷。桥梁可以被简单看作是桥面系统与支撑系统的结合，也正因为桥梁涉及的问题没有建筑那样复杂，才能更加明显看到“结构造型”可以单独成立。

尽管马亚尔的作品中有超过三分之二是建筑，但他为世人熟知的仍然是其优雅的桥梁作品。这些作品基于传统拱形而发展，他创新使用的三铰拱形式让桥梁的最高点可以上下微动，释放温度应力（图3a）。更重要的是在他诸多的桥梁作品中，例如Salginatobel Bridg（图3e），桥拱的形式已经不再像莫尼尔的作品般随意（图4），而是完全符合一条呈现压力的悬链线（图3b）；同时，端部有意挖去的部分使得箱型断面高度完全符合弯矩的变化（图3c，3d）。西格尔（Curt Siegel）对此评价道：“这个结构格局是如此完善，如此精确，如此鲜明的真实……这个成就证明工程技术和实事求是的富有目的的建造，本身就存在美的可能性。”

1 Eddystone Lighthouse

2 Monier 混凝土铁筋加固草图

3 Salginatobel Bridge 等三铰拱原型分析

4 Monier 钢筋混凝土桥面设计图纸

5 Le Veurdre 设计草图

6 奥利机场飞机库拱形式推演与模板示意

7 Hennebique 建造体系中的拱形挑梁

8 富兰克林大街公寓剖面

9 Algeciras Market Hall

10 Los Manatiales 餐厅马鞍面受力分析

11 Isler 壳体形式研究

弗雷西内（Eugene Freyssinet）有着法国国立路桥学校的专业背景，他的早期结构实践作品Le Veurdre创造了当时拱桥的跨度记录（图5），而后在预应力技术研究中，他又不断刷新了这一记录。当大跨度的桥梁问题都能化解时，建筑的问题就显得非常轻松了。弗雷西内设计的奥利机场飞机库跨度达到86m（图6），由一系列抛物线形钢筋混凝土拱组成；之后他又设计了类似高斯拱形式的混凝土直纹曲面薄壳，用于火车维修间。这种应用在建筑上的薄壳结构也可以看作是拱壳单元的复制，甚至是“桥”的复制。

随着钢筋混凝土和预应力技术的发展，混凝土的抗弯、抗拉性能大幅提高，从而有更多的混凝土以源自木结构的框架形式出现。埃纳比克提出的铁筋混凝土建造系统已经初现框架体系的端倪，但佩雷兄弟（Perret）的出现才在真正意义上将钢筋混凝土的建造上升到建筑学结构理性表达的高度。他们在前者的帮助下，仍然避免在富兰克林大街公寓沿用典型的拱形挑梁（图7），尽管这带来了受力的弱化，但大小统一的梁柱断面符合抽象化的框架形式表达（图8）。佩雷在框架和填充墙的不同饰面表达印证了弗兰姆普敦（Kenneth Frampton）对其再现性的论证：“这种再现性不仅体现在框架的连接方式上，而且也体现在建筑细部处理借鉴的内容上面”。

如果说拱和框架结构可以看作是结构杆件或者单元的组合，那壳体本质上则是整体结构的考虑。从西班牙混凝土大师托罗华（Eduardo Torroja）到一度将职业生涯扎根于墨西哥的坎代拉（Felix Candela），再到后来震惊IASS的伊斯勒（Heinz Isler），甚至是为悉尼歌剧院探索的阿鲁普（Ove Arup），壳体从理想数学规则几何形不断向更为自由的形发展。这种自由体现在从理想数学形到更为复杂但符合数学计算的形，再到由模型生成的呈现自然悬挂状态的形。托罗华在Algeciras市场中呈现了完美理想的圆形（图9），而坎代拉的Los Manantiales餐厅则是通过马鞍形单元复制得来（图10），再到后来伊斯勒研究的图纸中已经有各式各样的壳体（图11）。同时，随着对应力分布的洞悉和对钢筋加劲的熟练运用，在壳体上开洞的方式也变得更加自由。

1.3 轻的形式

荷载的轻盈与形式上的轻盈似乎一直是这一时期结构师们不懈的追求。若将奈尔维和托罗华这对同时期的混凝土实践者对比来看，二者都追求轻盈的覆盖结构，却形成了完全不同的形式效果。轻薄的壳体意味着结构师对力流分布的了解一如医师对人体血管的清晰解剖般透彻，奈尔维将这样的力流呈现为规则重复且愈发密集的加劲肋，而托罗华则在思考如何用壳体精确的形去平衡掉这样的力流。

两者不同的做法也与他们所在的地域有关。在奈尔维的作品中，无论是由一个剖面生成的佛罗伦萨体育场看台，还是通过变截面柱和折板屋盖形成的巴黎联合国教科文组织总部，都能看到由重复结构单元生成的立面以及某种秩序感。奈尔维的理论中似乎并不刻意强调塑造这种秩序感的缘由，但在圆形覆盖的罗马小体育宫室外环绕一圈的体验不免会让人联想到罗马斗兽场充满分量的柱廊。这种重复的柱廊形式和充满纪念性的圆形平面在意大利随处可见，而绵长连续的柱廊对于结构与形式的双重意义也被奈尔维毫无预兆地继承下来。反观托罗华，在极致轻薄的屋顶构造中以坚决的态度拒绝任何加劲肋的帮助，这在同为体育看台的设计中就能看见二者在构造覆盖时的形式倾向（图12，13）；而在Fronton Recoletos回力球场的材料运用上也许能看出这位西班牙工程师对加泰罗尼亚拱这一砖造穹顶方式的偏爱，尽管整个房子是经过精确计算的混凝土薄壳结构，但并不影响托罗华在其上加瓦片贴面形成加泰罗尼亚拱轻薄的效果。另一位来自曾经是西班牙殖民地的乌拉圭建筑师蒂埃斯特（Eladio Dieste）的砖造作品，就更像是对加泰罗尼亚拱的极致发展。对轻薄形式的追求是绝大多数现代主义建筑师和结构师的共同目标，但隐藏在建筑形式背后这种对结构形态的选择，却也深受学院教育与文化地域的影响。

2 钢

2.1 从跨度的飞跃到高度的突破

如同混凝土的前身是用作石块间的粘合剂，铁受限于生产效率也只能作为连接件。当结构师尝试使用铸铁来进行建造时，对材料的无知使得设计最早只能成为纸上的狂想。

后来在新的铸铁技术支持下（1709），建筑师普里查德（Thomas Pritchard）提出了铁桥的设想（1773），却未能实现（图14）。当第一座铸铁桥英格兰Coalbrookdale桥（图15）建成时（1779），设计者甚至因为不知如何连接铸铁而使用了木工榫接的方式，同时结构仍然逃不开拱桥的约束。1849年，利物浦车站使用了铁桁架，跨度首次超过了公元纪年时期的罗马万神庙，钢材优良的特性开始逐渐显现。很快，钢结构以极轻的自重得到了结构师的青睐，Bratannia桥箱形桥的方式（1850）开始着眼于管状钢材的承载力（图16）。顺应工业发展的需求，直到1856年贝氏炼钢法的使用才让钢材开始了大规模的生产。

钢材在跨度上的优势随着一座座桥梁的诞生已不言自明。1885年，当时公认的世界第一幢摩天楼家庭保险公司大楼的诞生被认为是最早的铁框架高层建筑，这样的作品让结构师意识到钢材的使用是突破建筑高度的契机。随后，埃菲尔铁塔、巴黎世博会机械馆等一系列在技术和形式上都饱受争议的作品横空出现，同时反映出钢材在建筑上的使用比“可塑的石材”更易以格构化的方式塑造形体，这种裸露的布满锻造痕迹的细密“枝条”也更易引发美学问题的冲突。

钢筋混凝土的发展与图解静力学的学科发展相辅相成，相比之下钢结构的发展则与国家经济、工业制造的水平和商业化程度息息相关。钢材仿佛天生就是为预制化而生的材料，很快就被约束以型钢的形式得以应用（1870），这样的约束让钢形同产品一般加入工业生产的流水线中并迅速标准化。

钢材再一次大放异彩，是又回归到在高层建筑中的应用。1931年纽约帝国大厦“建筑之王”的建成和之后的法兹勒·汗（Fazlur Khan）加入SOM的创新筒体结构，标志着超高层的时代到来，此后钢结构及混合结构的超高层建筑技术日趋完善。

2.2 轻型系统、膜结构与超高层

当一战的战火烧遍欧洲各地时，建筑师们纷纷投入设计工作中试图找到解决社会困境的答案，但他们交出的答案也不尽相同。其中就有著名的多米诺体系——柯布等人试图在集中化的公寓里安放人们的生活，而他的合作者让·普罗维（Jean Prouve）则毕生致力于从预制化轻钢系统中找到可以复制的分散的生活单元。尽管可预制的做法在佩雷对钢筋混凝土的研究中就已不再新鲜，但钢材的特性显然更适合预制构件的设计做法。普罗维一生的作品除了少数的公共建筑外，几乎都在研究各式各样的可预制化小型住宅，包括自己的家。从6m×6m到8m×8m的单元，从剪刀式立柱到分叉式梁柱一体化构件，普罗维验证了这一想法在不同尺寸上实践的结果，富于变化的单元设计也能在各类功能上得以实现（图17）。有类似想法的显然不只普罗维一人，美国建筑师富勒（Richard Buckminster Fuller）的概念更加宏大，在结构上的创新也更为惊人。富勒的头衔之多跟他提出的“Dymaxion”理念——用少的材料创造最多——密不可分，这一理念不仅针对建筑的少，也希望将对生态环境的干扰降到最低。对于战争和经济能源危机下的住宅，富勒的思考囊括了集合性的设计宏图4D塔、单元式的4D住宅，后者也被不断改进最终成为Dymaxion住宅单元（图18），成为名副其实的“住宅机器”。讽刺的是，富勒这种构筑未来的宏伟设想却并没有成为改善民生的利器，反而收到了大量军方的订单。这样颇具先锋性外观和理念的“谷仓”，同时也融合了他在结构上的创新。虽然富勒的张拉整体结构因1967年蒙特利尔世界博览会的美国馆而成名，但这并不妨碍他开始研究张拉杆在小型住宅机器上的应用，甚至为了达到更轻的效果将材料换成了铝。在这样的思想下，当富勒在1981年设计出“飞蝇的眼球”穹顶时（图19），一切都仿佛被结合到了臻于完善的境地。“飞蝇的眼球”穹顶简化了网格穹顶，减少了组件规格，用唯一的曲面型片板取代了杆件，提高了结构的整体性，简化了生产和搭建过程，并在结构形式上完美符合富勒对理想球型网格穹顶的偏好。

12 佛罗伦萨体育场看台剖面简图

13 马德里赛马场看台剖面简图

14 Thomas Pritchard 的铁桥设想

15 Coalbrookdale Bridge

16 Bratannia Bridge 的箱形断面

17 Prouve 空间单元做法

18 4D Dymaxion House

19 Fly’s eye dome 分解示意

20 从压力到拉力的结构形式演绎

21 John Hancock Center 的锥形体量

当战火造成的灾难景象让一部分人思考灾后居住建筑时，废墟下的德国则让曾经沦为战俘的奥托（Frei Otto）把这段经历转化为了对轻型临时建筑的设计思想来源。对于奥托来说，轻质就是与临时建筑绑定的属性。钢材抗拉的特性催生了Brooklyn等悬索大桥的出现（1869），张拉技术的成熟又催生了膜结构（图20），颠覆了拱形结构中依靠挤压的原理，穹顶也不再是大空间的唯一实现方式。与奥托师出同门的施莱希（Jorg Schlaich）曾坦言：“轻型结构只有两个天生的缺陷，‘自然的荷载’和高人工费用。”在施莱希的作品中，轻型结构中的覆盖都显得可有可无，在他的步行桥作品中，支柱和钢索圈的加固因有圆弧形梁的运用而足够稳定且变化多端。

如果说20世纪初的欧洲结构师们还沉迷于研究如何用钢筋混凝土多变的形态实现更大跨度，20世纪中叶的美国则在全力使用钢结构实现突破天际的高度了。钢材因其自重轻却有着更大的刚度被率先用在高层建筑设计中，但由于结构体系未能突破框架和框架支撑，纽约帝国大厦成为该体系下的极限高度。而由法兹勒·汗开创的框架筒体、框架—核心筒、桁架筒体、束筒结构，彻底用结构体系的创新打破了人们对高度极限的认知。时至今日，40层以上的高层建筑仍然在采用法兹勒·汗的筒体结构体系。在汉考克大厦的设计中（1969），他又设计了向内倾斜的外框柱以获得更高的抗侧刚度，结构形式的合理性直接改变了以往立方体的高层形式（图21）。同时，法兹勒·汗又率先将已经被高层设计抛弃的钢筋混凝土应用回筒体结构体系，从而实现刚度更高的筒体。这样的做法使得混合结构的方式开始被人们推上舞台，也意味着结构形式不再受制于材料特性，而是可以自主选择所需的材料。

2.3 结构的动机

对于钢材料的应用，结构师们的倾向和做法不单是追求轻，而是随着各自关注的问题和社会提出的需求而各显所长。也许是比混凝土稍微滞后的缘故，这一时期的大师们也在经历着社会的巨大变革，这意味着建筑需求为结构师们带来了更多的挑战。从这点上说，时代地域的不同仍然深深影响着结构师们在形式上的创新。

钢材料在结构形式的创新背后，掩藏了那些集结构师、建筑师乃至未来学家身份于一身的大师们对社会和时局的反应，这些动机远比通天的高楼和轻透的薄膜更令人动容。富勒理想化的、充满机械美学的“谷仓”虽然并不宜居，却也是他在居住机器的问题上综合了建筑、经济、结构等多方面而做出的极致设计；曼哈顿穹顶的奇想虽然荒诞不切实际，却能看到一个科学家的烂漫天真。奥托在其近70年的建筑生涯中，不仅致力于创新轻型结构形式，同时也作为教育者引导后生，一如他获得普利兹克奖时评委的授词所说一样：“他的贡献不止在其技巧与才华，更体现在他的无私和慷慨之中。”法兹勒·汗所在的孟加拉国达卡最高的建筑只有3层，他直到21岁才看到第一座摩天大楼，这样戏剧性的冲突或许也成就了他不断追求高层技术的决心。

3 结语

哈波尔德（Ted Happold）在其晚年的著作中指出，近150年来世界上所有令人震惊的技术进步并不是由建筑师推动的，而是由结构工程师完成的。尽管这样的论述略有夸大，但当回顾钢筋混凝土与钢的现代主义化进程时，那些专注于建造美学的结构师们确实在材料、技术、建造等重重迷雾中交出了建筑师无法完成的优美答卷。

贡布里希（E.H.Gombrich）在论述艺术时提到：“整个艺术发展史不是技术熟练程度的发展史，而是观念和要求的变化史。”结构的发展史也正是让结构师和建筑师重新树立了对材料的观念，才能设计出越来越多极致轻薄的屋顶和细瘦的柱子。正因如此，结构工程师的工作内容和设计理念正在经历不可避免的改变，他们在设计过程中也变得更加自信，回顾这段结构材料的发展历史与当年结构工程师对设计充沛的热情与探索的动机，也能为如今建筑学提供更多创新的动力。

图片来源

图1，2，4～6，9，11，14～16，18，19 来源于网络；图3 来源于文献[4]；图7，8 来源于文献[3]；其余图片为作者自绘。