自然和文化启示下的结构轻型化探索
——以斯图加特大学轻型结构研究所为例

2020-09-17 03:17王祥高伟哲苏骏邦曲伟昊

建筑技艺 2020年8期

王祥高伟哲苏骏邦曲伟昊

同济大学建筑与城市规划学院

在当前大量实践建筑师的实验性设计探索中，建筑的“轻型化”设计已经逐渐成为一种现象式的模式语言和设计范式，并在国内外大量代表性建筑作品中广泛体现[1]。然而，在不同领域、不同文化背景下的设计师、理论家和批评家的各种作品和论述中，对于建筑“轻型化”也有着不同的看法。在国外的前沿设计探索中，以日本的建筑设计研究为例，随着“小型化、虚拟化、高技术化的当代背景驱动”[2]，以伊东丰雄（Toyo Ito）、坂茂（Shigeru Ban）、隈研吾（Kengo Kuma）、石上纯也（Junya Ishigami）、藤本壮介（Sou Fujimoto）等建筑师为代表的思想传承的不断发展中，“轻与薄”的设计理念已然成为了根植于日本建筑文化基因中的重要思想。

在我国，自2010年以来，以朱竞翔、史永高、王骏阳、华黎等为代表的大量建筑学者也分别从类型与系统[3-4]、构造和建构[5-6]、理论及内涵[7-8]等视角对轻型建筑的发展和深层建筑学涵义进行了讨论与剖析。然而，总体来说，我国当代的轻型建筑探索仍停留在“师夷长技”的阶段，更多地强调于跨学科视角下新型概念和观念的引入，而对轻型结构体系的技术和文化背景研究较少。

随着日本建筑师坂茂和德国建筑师弗雷·奥托（Frei Otto）在2014年和2015年分别获得普利兹克建筑奖，除了对日本建筑结构发展史学的深入研究之外，关于德系建筑教育中的结构创新和建构理性的讨论也逐渐开始被我国学者所重视[9]。因此，德国、瑞士传统建筑研究中重要的ETH教育体系、斯图加特学派[10]也逐渐走入人们的视野。在建筑轻型化研究领域，以弗雷·奥托为代表人物之一的斯图加特结构学派，特别是其中的“轻型建筑和概念设计研究所”（Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren，下文简称ILEK），一直以来在理论技术方法研究和建筑实践方面都在世界范围内产生着重要影响。本文以该研究所几位代表人物的研究和思想为对象，试图对德国语境下轻型结构的发展历程和最新趋势进行讨论并加以总结。

1 斯图加特大学轻型建筑和概念设计研究所历任重要领导人物

2 埃米尔·默施在格伦瓦尔德设计建造的伊萨尔桥

3 埃米尔·默施1906 年在奇皮斯（Chippis）罗纳河上设计建造的拱形提篮式铁路桥（Rhone Brücke）

斯图加特大学ILEK的思想源头可以追溯至20世纪初，并在近100年的教学实践过程中由多位主要学者（图1）逐步将其多种设计方法进行理论化1。1916年，埃米尔·默施（Emil Mörsch）受任斯图加特大学静力学、钢筋混凝土建筑和拱桥设计教席（Lehrstuhl für Statik,Eisenbetonbau und Bögenbrücke），在教学方法上以钢筋混凝土结构的多种轻量化设计方法开创了轻型建筑设计的思想和技术起源。1940年，弗里茨·莱昂哈特（Fritz Leonhardt）首先从工程理论角度提出了“轻型建筑设计”这一概念并将其系统化。1964年，弗雷·奥托受任斯图加特大学并成立“轻型结构研究所”（Institut für Leichtbau,IL），其后，约格·施莱希教授（Jörg Schlaich）在莱昂哈特的研究基础上继承并建立了“构造与概念设计研究所”，两者先后对建筑轻型化设计进行了广泛深入的研究，并在世界范围内产生了重要且深远的影响。现任教席负责人维尔纳·索贝克（Werner Sobek）于1995年和2001年分别接任这两个研究所，将其合并组建了现在的“轻型建筑和概念设计研究所”（ILEK），从而首次将轻型建筑设计在建筑和结构两个领域的研究方向合而为一[11]。在此基础之上，本文后续内容将结合相关人物所处的时代背景、技术变革和其主要思想内容，综合分析轻型建筑设计的理论溯源和发展过程。

1 前“建筑轻型化”阶段的积累——从埃米尔·默施到弗里茨·莱昂哈特

1.1 埃米尔·默施：钢筋混凝土、几何图解与斯图加特结构学派

埃米尔·默施首先在研究方法上奠定了ILEK的基本思想，深刻地影响了后续几位大师的观点和态度，但是轻量化的建筑形式却并不是他所关注的特殊主题[12]。究其本质，埃米尔·默施研究和实践的基础来源于21世纪初现代主义建筑思潮的萌芽以及钢筋混凝土作为一种新型材料在欧洲大陆的广泛应用。随着1880年间钢筋混凝土材料的发明和相关专利的收购，此后大量轻薄优雅的钢筋混凝土拱桥在欧洲得以实现。利用钢筋对混凝土结构构件进行加强，为传统建筑中仅能受压的混凝土材料赋予了抗拉的强度，大大降低了结构的厚度需求，从而催生了大量超薄截面的大跨结构，首次让人们体验到了轻型结构的形态魅力。

埃米尔·默施的重要影响主要来源于工程领域，特别是其在大量桥梁工程中对于钢筋混凝土结构形式的不断创新探索。从默施的生平传记中可以发现，在其职业生涯早期鲜为人知的建筑作品中（如霍克伯格附近的内卡大桥，Neckarbrücke bei Hochberg），冲压混凝土（Stampfbeton）材料和三铰拱的结构计算方法就已经成为他所使用的重要对象[13]。然而，其对于创新材料和新型结构体系的应用也是循序渐进的。在著名的格伦瓦尔德伊萨尔桥（Isar Brücke，Grünwald）项目中，虽然默施尝试利用新型的钢筋混凝土材料完成了70m的超大跨度拱桥，但其结构设计仍然保守地应用了即使不进行加固也可以实现的三铰拱结构（图2）；而在1907年的Gmündertobel桥项目中，默施才首次利用带有加强筋的无铰拱结构完成了跨度79m的一体式桥梁，并因为其整体的承重性能、经济的建造方法和较高的美观性，成为钢筋混凝土桥梁的杰出典范；1906年，默施再次对三铰拱结构进行改造，创新性地在奇皮斯（Chippis）的罗纳河桥（Rhone Brücke）项目中应用了钢筋混凝土提篮式拱桥（图3），而这也是默施转向新型建筑的重要转折。

在理论研究上，由于默施在斯图加特大学时期与卡尔·冯·巴赫（Carl von Bach）、雅各布·约翰·冯·韦劳赫（Jakob Johann von Weyrauch）等领导的材料测试研究所共同进行了大量的实验研究，我国传统研究中也往往将他所推崇的基于实验的土木工程研究方法理解为其对于斯图加特结构学派的主要影响[10]。然而本文认为，其更加重要的影响则在于一种来源自当时欧洲文化认知的理解新型结构的方法：通过几何和类型的方法对复杂材料体系进行类比式的简化。正如默施的学生赫尔曼·贝（Hermann Bay）所描述的：“默施的方法主要来源于苏黎世大学里特尔（Ritter）的图解静力学方法，他在土力学、莫尔圆、连续梁方向的研究也都主要基于基本几何学和射影几何学的方法[14]。”在默施对钢筋混凝土构件剪切应力的研究中，其对钢筋的加固作用和布置方式也试图利用瑞士工程师库尔曼（Karl Culmann）的主应力迹线法进行阐述，正如他在论文中所描述的，“最理想的加固方法应该是沿着拉力的拉伸轨迹进行，这样也能省去很多辅助的加强结构[13]”（图4～6）。这种以几何组合的方式将钢筋的加固作用类比成一系列系杆的方法促成了默施力学观念中重要的“桁架类比法”（Fachwerkanalogie），而进一步将混凝土的抗压作用类比成一系列撑杆的方式也催生了其通过大量对比实验的方法来验证这一理论可靠性的后续研究行为。这种“桁架类比法”一方面为当代钢筋混凝土研究中“拉—压杆模型”（Strut and Tie Model）理论的发展奠定了重要基础，另一方面也通过简化类比所带来的对照实验量化验证手段促成了斯图加特结构学派后续发展中一种重要的将旧理论应用于新材料和新技术的实验方法[15]，而前文所述的与斯图加特材料测试学院（MPA）的合作则是这种将理论研究与实践验证联系起来的关键途径。

1.2 弗里茨·莱昂哈特：二战时期的建筑轻型化思潮

与埃米尔·默施相同，弗里茨·莱昂哈特也从未明确地以轻型化建筑为主题编著过任何理论著作。然而，在他的相关论述中却充满了大量关于轻质结构的讨论。莱昂哈特继承了由默施奠定的斯图加特结构学派研究的主要特征，其早期的研究也都集中于与建筑实践和轻量化设计相关的主题[16]。在莱昂哈特的博士研究课题中[17]，他就曾受任开发一种具有三维密肋结构的轻质高速公路轨道面板，并针对这些轻型路面板建立了一种简化的计算方法（图7）。在其后来的职业生涯中，莱昂哈特也主要从事于各种轻型钢筋混凝土桥梁的设计研究，建造了千余座结构新颖的桥梁，并出版了他一生中的重要著作《桥梁的形态》（Die Gestaltung der Brücken）[18]。

二战的历史过程和影响，贯穿了莱昂哈特建筑观形成的早期阶段。在其博士研究中，轻质桥面板的研发需求便主要来自于德意志帝国高速公路建设中节省钢材的主要目标：徳国在备战初期，为实现自给自足的工业供给，大量可用钢材储备都被预留用作军事升级。在其关于轻型建筑的重要论文《轻型建筑——我们时代的诉求：关于高层建筑和桥梁建设的建议》（Leichtbau-eine Forderung unserer Zeit.Anregungen für den Hoch-und Brückenbau）中[19]，莱昂哈特在开头就明确写下了自己对于轻型结构的时代文化意义的见解：“劳动力和材料将继续维持稀缺的状态……我们必须谨慎、适当地使用一切可用的有价值的物质，而这两种需求也都将带来建筑中高质量轻质结构建造技术的发展。”

莱昂哈特的另一重要特点是他常常跳出结构的视角去理解建筑的轻型化，并不断试图从对自然结构的观察中得到“轻”与“简单”的内在联系，同时从美学的视角对形式和建造进行综合比较。也许是受到米歇尔（AGM Michell）在框架结构优化理论中“材料经济性的极限”[20]等思想的影响，莱昂哈特一生中都致力于开发一系列实用、定量的建筑设计方法，并试图通过更少的结构材料使用以及更好的施工工艺来创造更具美学价值的建筑物。在上述文章中，莱昂哈特以一根稻草的截面草图作为类比，认为“轻型建筑的特点是，结构中的每个构件都应尽可能地满足更多的建筑需求，同时，更重要的是尽可能同时利用空间曲面来承担荷载[19]。”在文中，他对这种自然中的结构形式和当时的薄壁钢结构的抗屈曲构造进行了对比（图8），同时也对比了当时飞机、汽车制造业的轻型化设计趋势，并首先提出了“Guenstige Bauformen”（经济的建筑形式）一词，这也直接反映了他试图将更加高效的几何造型和优秀的结构性能进行整合的态度。

在莱昂哈特一生的研究中都贯彻了他对结构优化、轻量化设计的主张。在其大量的桥梁截面设计、钢结构构造设计中，也都不断尝试了空心、薄壁的几何形态和对应的结构优化方法。同时，莱昂哈特对新型轻质材料的积极态度也有力地推动了轻型化建筑的快速发展。在其与建筑师克伦·波纳兹（Klönne-Bonatz）合作的著名建筑慕尼黑中央火车站的半球形拱顶项目中，他也创新性地使用了双层折叠瓦楞铝板作为拱壳的表面结构，并与箱型的钢结构肋一起构成了265m跨度的大型穹窿壳体。这种复杂结构体系带来的超静定结构为当时的工程计算带来了很大难度，也让结构师不得不为整个穹顶的计算建立了由384个未知数构成的384个方程[21]，并为之建立了复杂的求解方法。同样，为了验证轻质结构的结构可靠性，莱昂哈特也与当时的材料测试研究所负责人奥托·格拉夫（Otto Graf）一起制作了1:50的结构实验模型，并共同完成了对薄钢板制成的铆接空心型材的结构可靠性论证（图9，10）。最终，这种时代性的轻型结构创新也成为了战后新型空间结构发展中重要的催化剂。

2 理论的建立与自然的启示——弗雷·奥托和约格·施莱希

从埃米尔·默施到弗里茨·莱昂哈特，两位大师的创新和实践积累过程为斯图加特结构学派特别是ILEK的发展打下了坚实的思想基础。然而在具体的应用体现上，受限于当时结构设计和建造技术的发展，轻型化建筑的主要理论方法和代表性实践更多地在他们的继任者弗雷·奥托和约格·施莱希两位教授的研究中得到体现。

2.1 弗雷·奥托：自然结构的内涵与找形工具

4 埃米尔·默施关于板中张力迹线的研究

5 卡尔曼在图解静力学中关于平板的力流分布图示

6 韦劳赫关于连续梁中张力迹线的图示

7 莱昂哈特博士研究中开发的轻质路桥面板的结构分析

8 莱昂哈特利用自然界稻草的截面草图与薄壁钢结构抗屈曲构造进行对比

9 莱昂哈特在慕尼黑中央火车站穹窿中使用的双层波纹铝板壳面结构和相关的材料结构实验

10 莱昂哈特在慕尼黑中央火车站穹窿中使用的双层波纹铝板壳面结构和相关的材料结构实验

在奥托的早期建筑观中，已经展现了他对新兴建筑形式和其文化传承中自然属性的不懈追求。在其博士研究论文《悬挂的屋顶——形式与结构》（Das hängende Dach-Gestalt und Struktur）中，奥托就从悬挂屋顶结构和传统帐篷关系的视角对人造物和自然艺术进行了解读：“在理性的技术世界中，人们一直通过理智和理性的思考、艺术和知识进行创造；而在现代技术的帮助下，人们则再次回到了最原始、最简单的世代相传[22]。”受到自然、生物学的重要影响，奥托于1958年在柏林建立了他的“轻型建筑发展研究中心”（Entwicklungsstätte für den Lechtbau）。1964年，莱昂哈特委任弗雷·奥托来到斯图加特大学任教，并创立了“轻型曲面结构研究所”（Institut für Leichte Flächentragwerke，IL）。

正如奥托在自传中描述“自己并没有建造过很多的建筑”[23]一样，与其他获得普利兹克奖的建筑大师相比，奥托的建筑作品并不复杂，他的贡献也更多地体现在关于轻型建筑的大量研究之中，而这种聚焦也使得他的研究和作品更大程度上对建筑学、结构工程和设计学产生了更为深远的影响。对自然形式的热爱和深入研究是奥托时代ILEK大量研究的重要特点，在其和莱昂哈特的共同领导下，斯图加特大学历史上第一个针对自然结构、轻型结构、生物学、生形过程和建造方法的跨学科研究小组得以成立，并借助于后续的重要研究项目“大跨和曲面结构”（Sonderforschungbereich2,SFB64,Weitgespannte Flächentragwerke）及“自然建构”（SFB230,Natürliche Konstruktionen）获得了巨大成功。在两个项目产生的大量研究和论文的基础之上[24-25]，轻型曲面结构研究所也相继出版了41部以IL命名的重要系列著作，完整记录了奥托在斯图加特时期的各种学术观点和创新性研究（图11）。

与默施和莱昂哈特都不同的是，对于自然曲面形式结构的想象力和创造力是奥托研究中的重要特点（图12）。奥托对于结构内涵和本质的理解，以及对于创造形式的工具的探索也是其对轻型建筑设计研究的重要贡献。奥托对轻型建筑形式的探索被他自己定义为是一种“寻找”（Search）的过程，因此“找形”（Form-Finding）一词也始终伴随其大量的研究工作，并逐渐演化为时下轻型建筑设计中的重要方法。在奥托的设计哲学中，“工具决定建筑”[26]是一个具有深刻意义的总结。在他的各种实验中，逆吊法、网壳、仿生优化、细胞腔体等创新性的设计概念和找形工具都体现了一种从自然中抽离客观规律的思维方式（图13）。正因如此，自然美学也不再如经典建筑一样取决于主观的设计选择和时代的审美潮流，而是更多地体现为一种内在的形式逻辑。例如，在“悬挂屋顶”结构中，悬挂作为一种工具创造了系统中只受拉力的结构的几何确定方法，在一种预设条件下，形式会自发地根据规律生成，而不是被任意地创造。因此，自然也永远不是被机械地复制，而是不断通过技术和工具的进步被更加深刻地理解和转译。

2.2 约格·施莱希：结构计算之外的建造理性与美学

与弗雷·奥托对于轻型自然结构丰富的想象力和创造力不同，约格·施莱希更多是把自己视为一位具有文化责任感的结构工程师，他的主要贡献在于从工程实践的角度将很多自然启示下的重要结构类型（如壳体、张弦梁、张拉整体结构等）加以实现。

11 IL 系列丛书中对于自然轻型结构的研究

12 IL 系列丛书中弗雷·奥托关于结构与生物学的抽象类比

13 轻型曲面结构研究所的多种找形工具研究

对于施莱希在轻型结构实践中的方法论，可以从几个同类型的结构项目中进行比较和讨论。根据前文所述，在钢筋混凝土作为结构材料刚刚兴起的年代，莱昂哈特便创造性地于1955年前后完成了著名的斯图加特电视塔的建造（图14a），实现了高度216m的新型塔式结构类型。尽管如此，钢筋混凝土结构仍然在这一项目中呈现出一种相对厚重的建造模式。1980年，施莱希与同伴鲁道夫·伯格曼（Rudolf Bergmann）一起建立了著名的SBP结构设计公司，并将理性的建造方法和创新的结构类型定义为他们的结构设计理想。在其第一个重要设计项目中，施莱希利用厚1.25mm、波纹深度150mm的波纹铁板和拉索体系实现了一座高200m的跨时代的超轻质太阳能拔风电塔[27]（图14b）。在此项目中，我们几乎可以见到先前提及的各种轻型化结构设计思想的整合应用：新型材料的应用、材料受力模式的合理组合、轻量化的超薄结构抗屈曲构造等。2001年，施莱希采用由弗拉基米尔·舒霍夫（Vladimir Šuchov）早年提出的旋转双曲面网壳塔楼的几何形式（图14c），利用创新性的张拉整体结构体系，靠一根主桅杆、几个结构平台和一套轻质拉索网实现了斯图加特Killesberg观景塔的超轻质构造（图14d），用现代的轻型结构理念改造了回转双曲面网壳塔的基本结构模式和建造方式。

从施莱希的大量结构设计作品中，我们可以看到一种回应时代进步和技术发展的轻型化结构设计理念和哲学思辨。在他的结构设计方法中，通过力流的方式确定结构中主要材料的布置方法，从而追求最终的建造效率，是整个斯图加特学派和奥托对于自然结构的研究为其带来的重要启发。同时，施莱希的贡献也不仅在于他“使结构聪明地承担有效载荷”的工程学思想，他也提到了结构师对结构体系真正进行创新性设计的重要性。正如其在2013年对老师莱昂哈特的讨论中所描述的一样，“负责任且严谨的轻型建筑设计可以为建筑的多样化发展做出重大贡献……典型的轻型结构使其中的力流清晰可读，也使人们会更想要了解他所看到的结构。通过这种方式，轻质建筑可以通过合理的美学形式和建造技术，在建筑师和结构工程师间获得共情，从而使土木工程也可以再次成为建筑文化的重要组成部分[28]。”

3 新型技术下的超轻型建筑探索——维尔纳·索贝克、简·肯尼珀斯和当前的ILEK/ITKE

奥托和施莱希在斯图加特培养了大批当前仍然活跃的建筑师和结构工程师，其中最具影响力的是现在斯图加特大学从教的维尔纳·索贝克和简·肯尼珀斯（Jan Knippers），两人分别为现任斯图加特大学土木工程及环境科学学院轻型建筑和概念设计研究所（ILEK）、建筑与城市规划学院结构构造设计研究所（Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen，ITKE）的负责人。

由于同时受到奥托和施莱希教学理念的影响，索贝克及其带领的ILEK小组深刻地延承了斯图加特学派中关于轻型建筑的思想体系，同时通过与当前快速发展的数字技术相结合，通过材料和计算优化方法的创新实现了更多新式轻型结构的设计与建造。2016年，索贝克提出了“超轻型结构”的理念[29]，并以当前的超高强度混凝土和玻璃结构实验性壳体为例（图15），指出当代材料技术影响下轻型结构的新的极限。例如在斯图加特实验性玻璃壳体中，结构的截面厚度仅为10mm，其厚跨比可以达到1:850，同时实现了25kg/m2的结构密度；而在海因茨·伊斯勒的混凝土壳体时代，这些指标还只是15cm的结构厚度和接近375kg/m2的结构密度。同时，依靠当代最新的抗震技术和系统控制技术，ILEK的最新研究也包括了为适应不确定荷载和变化荷载的自适应式超轻型结构的解决策略。从2004年的“斯图加特支座”（Stuttgarter Träger）到2012年的“智能薄壳”（SmartShell）实验中，结构都通过引入可动支座以及对支座位移的精确控制，实现了超薄结构对实时变化荷载的精确响应（图16）。索贝克将这种面对不确定荷载工况的问题定义成一种新的“找形方法”，并通过其提出的结构应力场计算和利用自适应驱动装置的主动干预方法，使得当前的轻型建筑满足更加趋向“自然”的对于多样受力条件的新的需求。

作为施莱希的弟子，肯尼珀斯和其带领的ITKE的研究也更偏向于新型结构和建造技术的实践，这也通过其近年来与斯图加特大学计算性设计建造研究所（Institute of Computational Design and Construction，ICD）合作的多个实验性建筑项目得以体现。在对未来轻型建筑的发展主题上，肯尼珀斯以2014年建造完成的“Landesgartenschau”木结构平板化薄壳建筑为例（图17），提出了“高效率的一体化设计建造流程”和“机器人预制加工的装配化结构”等发展方向[30]，强调了跨学科导向的基于材料和制造工艺的新方法。同时，其大量研究中涉及的机器人纤维结构编织工艺（如模仿自然蛛网结构的2014-2015年度ICD/ITKE实验性展亭，图18）、基于自生形过程的材料微结构编程方法（如通过湿度改变木材主动弯曲程度的Urbach塔，图19）等都体现了未来数字技术为新型轻量化建筑带来的多样可能性[31-32]。同时，从跨学科合作的角度，继奥托时代的SFB64和SFB230项目之后，在肯尼珀斯等学者的引领下，2015年另一个关于生物学和轻型建筑的大型跨学科研究项目“SFB-TRR141仿生设计与一体化结构”（Biological Design and Integrative Structures）在斯图加特大学正式启动，并再次准备以新时代的前沿技术重启以形态学分析、数字模拟和一体化设计技术为突破口的轻型建筑设计研发平台。在这一项目中，我们再一次看到了奥托时代SFB230项目的轻量化主题，同时也看到结合了当代轻型化建筑技术需求和设计文化的新型技术框架，而这也有望为未来十年轻型建筑的发展提供更具启发式的创新思想。