懸索結構建筑及其形式美建構原則初探

馬令勇，李潔馨

（東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318）

引言

科技進步推動人類對物質生活的不斷追求，而建筑作為人類生產活動的場所，正在努力嘗試不同空間種類以跟進人類社會活動日益多樣的步伐.近幾十年大跨空間結構的涌現(xiàn)完成了諸如飛機場、展覽館、體育館此類建筑的建造.懸索結構以優(yōu)越的性能、優(yōu)美的造型在大跨空間結構中脫穎而出，屢次被使用.

1 懸索結構概述

1.1 懸索結構的發(fā)展

在大跨建筑領域一展身手的懸索結構的產生源于橋的使用.早在公元前3世紀我國四川便出現(xiàn)竹索橋；明朝成化年間出現(xiàn)用鐵鏈制成的霽虹橋；而四川瀘定橋是全世界尚存最早的懸索橋.

最早出現(xiàn)的懸索結構建筑要屬中東地區(qū)的黑帳篷（圖1），其由位于中央的長拉索和位于周邊的可調節(jié)邊支柱組成.此時的懸索結構建筑跨度小，應用范圍有限.直到1953年，美國的Releigh體育館誕生了世界上最早的現(xiàn)代懸索屋蓋，至此，懸索結構在建筑領域的應用和發(fā)展接近成熟階段.能夠展現(xiàn)懸索結構建筑早期特點的是1954年建成的位于美國佛羅里達州的保羅·魯?shù)婪颍≒aul Rudolph）小休假別墅，其跨度只有6.7米；隨著技術的不斷進步以及建材優(yōu)良性能的不斷挖掘，先后出現(xiàn)了耶魯大學冰球館、北京工人體育館、亞特蘭大奧運會主會場的佐治亞穹頂以及濟南奧體中心體育館，主跨分別達到了58米、94米、240米和120米.到本世紀懸索結構越發(fā)受到年輕建筑師的青睞，其發(fā)展也日益興旺，這些都得益于建筑本身結構的合理構成和材料的正確選擇.

圖1 黑帳篷及其結構示意圖

1.2 懸索結構的組成

何為懸索結構？廣義上講是結構主要處于受拉狀態(tài)的索結構；狹義上講是由柔性受拉索、邊緣構件和支撐塔架所組成的承重結構（圖2），英文名稱：cable-suspended structure.這一定義由全國科學技術名詞審定委員會審定公布[1].其中，索只能承受拉力，不能承受壓力，大多數(shù)應用于屋蓋的造型設計.邊緣構件所承受的屋蓋壓力和平衡來自索的側向水平拉力，固定著屋蓋索的形態(tài).而下部支承構件屬于受壓結構體，承受來自上方索及邊緣構件傳遞下來的所有荷載并將這些荷載傳遞到地面.因此，支承構件數(shù)量較多，形狀簡潔便于力的傳遞.上述三種構件缺一不可，協(xié)同作用，保證建筑骨架的有效存在.

圖2 懸索結構組成示意圖

1.3 懸索結構的特征分析

（1）受力合理，節(jié)省用料.在懸索結構中，柔性受拉索由鋼材制成，恰好利用了鋼材優(yōu)良的抗拉性能.邊緣構件既承受拉力又承受壓力，用鋼筋混凝土再合適不過.支撐構件只承受壓力，用混凝土建造的情況比較普遍.各部分構件根據(jù)其合理的受力特點，都能找到適宜的材料加以建造，使材料性能得到充分發(fā)揮.

（2）跨度大，支撐少.預應力屋蓋的產生使懸索結構建筑的跨度大大提高，同時屋蓋也變得輕質高強，用壓型鋼板、薄膜板、輕質混凝土板等均可實現(xiàn).屋面分有單片屋面形態(tài)和雙片屋面形態(tài)兩種.單片屋面形態(tài)室內空間無需支撐，而雙片屋面形態(tài)中間有支撐，降低了單跨長度，這樣形成的多跨空間結構從整體上看跨度變大，拓寬了適用范圍.

（3）造型優(yōu)美，表現(xiàn)力豐富.柔性索配合邊緣構件的布局可以任意成形，創(chuàng)造出新穎別致的造型藝術.

（4）施工簡便，安裝快捷，可提高工效.由于懸索自重小，構件大部分都是預制的，可省去現(xiàn)場施工的許多模板操作，提高效率.

（5）若形式選擇適當，可創(chuàng)造良好的采光和聲學效果.例如大跨拱頂薄膜覆蓋屋面，利用薄膜的強透氣性和高透光率可獲得良好的自然光.下垂的凹曲面屋頂可避免聲聚焦現(xiàn)象，達到擴散聲波的目的.例如：倒置的殼體單元以及懸索結構[2].（圖3）

圖3 -1 倒置的殼體單元

圖3 -2 懸索結構

除上述優(yōu)勢之外，懸索結構帶有自身的局限性：懸索屋蓋結構穩(wěn)定性較差，當索的荷載作用方向與垂度方向相反時，便失去了承載能力.因此常常附帶一些索系而非單索來提高其空間穩(wěn)定性，這樣為負荷計算與材料加工帶來不便.

2 建筑美學與建筑結構

2.1 結構形態(tài)與美學傾向

結構形態(tài)從總體上講有線性形態(tài)和非線性形態(tài)兩種.線性形態(tài)給人以剛勁有力、直接明了之感；非線性形態(tài)給人以柔美婉約、娓娓道來之感.這兩種結構形態(tài)分別應用在懸索結構建筑中也會呈現(xiàn)出不同的美學傾向.

縱觀我國建橋史，以巨大工程量著稱的蘇通大橋（圖4），連接著江蘇省蘇州市和南通市，跨徑1088米，是當今世界斜拉橋之最.這座橋的斜拉索結構形態(tài)是線性形態(tài)的完美演繹.在纖長的橋面上矗立而起的兩座混凝土塔高達300.4米，這兩座高塔將橋體空間限定成三部分，分別由塔尖頂向橋兩側放射出的斜拉索由近及遠分布，最長拉索達577米.這些索形態(tài)呈斜直線，剛勁有力，長短不一，方向感極強，從遠處觀看猶如輕紗般將限定的三段空間籠罩成一個整體.

圖4 蘇通大橋

還有，1960年建成的美國耶魯大學冰球館（圖5），整座建筑充滿了非線性美.建筑由中心拱結構脊背和兩側低矮的圈梁組成索結構的骨架，流線型外觀又是非線性結構形態(tài)的表達，彰顯非線性結構形態(tài)柔美的氣質.

圖5 耶魯大學冰球館

2.2 結構與美學的關系

建筑結構的存在，使得建筑美學在形式美的基礎上又多了一種美學類型：結構美.倘若建筑結構研究“怎么做”，那么建筑美學就是研究“為什么這么做”.如果將建筑比喻成一個軀干，若只有結構，無非是一個干癟的空殼，有了美學概念的參與，空殼變得有血有肉、活靈活現(xiàn)，建筑也就被賦予了內涵與靈魂.尤其在大跨建筑結構（懸索結構）中，結構骨架作為主體部分，有的甚至直接暴露于外表.因此，結構美在整體美中占有舉足輕重的地位，不可小視.

3 懸索結構建筑形式美建構原則的論析與鑒賞

3.1 建筑形式美法則

中世紀美學家、神學家圣托馬斯.亞昆那（公元1226-1274年）曾在他的著作《神學大全》中寫道：“美有三個因素：第一是一種完整或完美.凡是不完整的東西就是丑的；其次是適當?shù)谋壤蚝椭C；第三是鮮明，所以著色鮮明的東西是公認為美的.[3]”這是對美的普遍認識.而事物有其獨特性，對于建筑美我們的評判標準即建筑形式美法則是：變化與統(tǒng)一；主從與重點；均衡與穩(wěn)定；對比與微差；韻律與節(jié)奏；比例與尺度.以下是應用六條形式美法則對懸索結構建筑實例的論析與鑒賞.

3.2 變化與統(tǒng)一

近代建筑巨匠勒.柯布西耶曾強調說：“原始的體形是美的體形，因為它能使我們清晰的辨認.[4]”在這里原始的體形可以理解成圓形、方形、長方形、正三角形等具有明顯幾何特征、簡單幾何屬性的圖形.古代許多建筑通過對上述基本圖形的組合已經(jīng)創(chuàng)造出高度完整統(tǒng)一的建筑形象.現(xiàn)如今，往往出于功能技術的要求，或形式的考慮，設計造型時一般在圓形、方形、正三角形、長方形等基本形式的基礎上稍加變化，如大小、角度等，以求靈動，但整體上仍能夠找到相同的幾何原型，這便是變化與統(tǒng)一.

1998年日本長野冬奧會速滑館是一懸索結構建筑（圖6），以單索為基本單元，各個單索以漸變的方式排列，由小變大再由大變小，從立面上看，仿佛是一座日本本土山體的形態(tài).每個單索單元雖說形狀相同，但隨著序列方向的推移，大小有所改變，這就回應了“變化與統(tǒng)一”的原則.

圖6 長野冬奧會速滑館

3.3 主從與重點

建筑物作為由若干要素組成的整體，每一個要素在整體中所處的地位和所占的比例不盡相同.如果所有要素都爭相突顯自己，那么從整體上看就毫無章法可言.例如繪畫，如果整幅圖無重點就會讓觀賞者視覺不集中，也難以留下深刻的印象.建筑也不例外，古代建筑主從關系多以對稱的布局方式實現(xiàn)；近現(xiàn)代建筑由于功能日趨復雜或者地形條件的限制，延用對稱構圖的并不多，多采用一主一從的形式將次要部分從一側依附于主體.

例如日本著名建筑師丹下健三于1964年建成的代代木體育館就是對主從關系的很好詮釋（圖7）.其中較大的體育館有兩個“角”，它們由各自的螺旋形看臺蜿蜒上升直至頂部成為焦點.而位于一側較小的體育館只采用單塔，構成方式和主體育館相似，也是由單索逐個向上盤旋而成.這種主從建筑搭配的方式，與建筑場地完美融合.

圖7 日本代代木體育館

3.4 均衡與穩(wěn)定

所謂均衡，有兩種基本形式：一是對稱形式，二是非對稱形式.對稱形式天然就是均衡的.與對稱形式相比較，非對稱形式的均衡要輕巧活潑得多.例如：2009年建成的濟南奧體中心在基地上就是以非對稱形式分布的：三個體量圍成一個內院，兩個似豌豆形建筑和一個圓形建筑各占一角，相互間用空中天橋連接，體現(xiàn)了構圖上的均衡美（圖8）.

圖8 濟南奧體中心

與均衡相關聯(lián)的是穩(wěn)定.如果均衡處理的是各建筑要素水平方向的平衡，那么穩(wěn)定處理的就是豎直方向的平衡.據(jù)重力學原理，上輕下重、上小下大的形式比較穩(wěn)定.同樣在濟南奧體中心，單個建筑物從底層外圈附屬用房到中間看臺再到頂層內圈穹頂?shù)氖諗烤奂?，無不遵循著重力學原理，這就是所謂的穩(wěn)定感.

3.5 對比與微差

對比與微差研究的是如何利用技術手段、工程結構給建筑帶來的差異性來求得建筑形式的完美統(tǒng)一.對比指各要素之間顯著的差異；微差指各要素之間不顯著的差異；二者缺一不可.通過對比，可使建筑各個要素更加突出其個性；通過微差，可使建筑要素之間更加強調其共性，以求和諧.例如，歸類于懸索結構建筑的北京南站（圖9），基地周圍高樓林立，呈豎向構圖居多.然而作為交通類建筑，龐大低矮的體量與周圍的摩天大樓形成強烈反差.若俯瞰建筑整體似水波紋般從中央候車大廳向兩側擴散，無論是屋面細部雕琢還是橢圓平面尺寸都存在微小差別.北京南站的藝術特點就在于從建筑與外界、建筑與自身兩個角度體現(xiàn)了對比與微差.

圖9 北京南站

3.6 韻律與節(jié)奏

提及韻律，自然會想到節(jié)奏.就像一首好曲子，說其有韻律，那一定是音符編排得當，能夠組織成悅耳的節(jié)奏.建筑被比作凝固的音樂，同樣如此，人們通常將韻律分為以下四種類型：連續(xù)的韻律；漸變的韻律；起伏的韻律；交錯的韻律.其中，連續(xù)的韻律在建筑中的使用最為常見.

美國華盛頓杜勒斯機場候機樓（圖10）平面為長方形，單曲面單層懸索結構，兩個長邊布置若干單柱支撐構件.這些支撐構件沿長邊方向均質排列（即保持恒定間距的反復出現(xiàn)），賦予立面系統(tǒng)一定的韻律與節(jié)奏.支撐構件營造的韻律美不僅展現(xiàn)在外部造型上，在內部空間也同樣如此，Y形支撐經(jīng)過有序布置創(chuàng)造出優(yōu)美的視覺效果（圖11）.針對懸索結構支撐構件的線性特征，在大體量建筑中有序排列加以點綴，不乏成為一道亮麗的風景線.

圖10 華盛頓杜勒斯機場候機樓

圖11 浦東機場T2航站樓室內Y型柱支撐

3.7 比例與尺度

威奧利特.勒.杜克（viollet-le-Duc）在他所著的《法國建筑通用詞典》一書中，給比例下了這樣的定義：“比例的意思是整體與局部間存在著的關系—是合乎邏輯的、必要的關系，同時比例還具有滿足理智和眼睛要求的特性.[5]”“滿足理智要求”是指良好的比例合乎一定的內在邏輯，“滿足眼睛要求”是指良好的比例具有一定的美學價值.例如古希臘畢達哥拉斯學派提出的黃金分割比（1:1.618）以及勒·柯布西耶提出的“模數(shù)”理論都是對比例問題經(jīng)過長久研究之后得出的著名結論.

和比例相關聯(lián)的另一個范疇是尺度.尺度指的是要素給人感覺上的大小印象和真實大小之間的關系[6].良好的尺度二者應一致，出現(xiàn)的問題一般分為兩種：即大而不見其大與小題大做.這兩種情況，難免使物體失去應有的尺度感.本文主要提及正常尺度下所表現(xiàn)出來的建筑美.例如，德國烏柏特市游泳館幾何形態(tài)的比例尺度就拿捏得恰到好處（圖12），立面從上到下依次為：下凹屋面懸索形成的弧線與依據(jù)看臺被斜向切割成的楔形，以及鑲嵌在其中用以連接上部體塊和地面的方形，三者幾何關系明了，與內部空間功能相呼應，仿佛游泳健將舉起雙手慶祝勝利，彰顯了建筑的幾何美.

4 懸索結構建筑的應用前景

圖12 德國烏柏特市游泳館

大跨結構在目前及未來的相當時間內，仍被廣泛應用.懸索結構作為大跨結構的主力軍，有著其他結構形式無法比擬的發(fā)展?jié)撘颍簢H性大型運動場館的需求給予懸索結構跨度大的施展空間；易施工省材料使其備受結構施工方的青睞，例如當建筑跨度不超過160m時，每平方米的用鋼量一般不超過10kg；再者，夸張的造型可能性帶來建筑設計方設計城市地標的又一參考與挑戰(zhàn).近些年，由于生產和使用需要，懸索結構新的潛能被開發(fā)，例如斜拉索、張拉索通過錨具與地面或建筑地環(huán)梁錨固產生周邊有約束的鞍形或帳篷形，上面覆以膜布，應用于景觀小品工程.若將在建筑局部水平放置的懸索結構轉為豎向放置，便可應用于大面積玻璃幕墻中.例如拉索式點接駁全玻璃幕墻采用預應力雙層懸索結構，設計成對稱型，用柔性索作為支撐和固定玻璃的構件，施工時先計算張拉預應力后鋪設面板，保障懸索結構發(fā)揮正常功效.上述的各種優(yōu)勢和運用，開拓了懸索結構在我國甚至世界范圍內的光明前景.

5 結語

本文將懸索結構建筑的技術認知跨越到藝術認知的高度，旨在通過這些嘗試，使結構技術與美學藝術在懸索類建筑領域達到真正的融合，進而應用實踐于未來的懸索結構建筑中.

〔1〕 懸索結構Cable Suspended Structure[J].工業(yè)建筑，2010（8）：81.

〔2〕葉獻國.建筑結構選型概論[M].武漢：武漢理工大學出版社，2003.4-5.

〔3〕朱光潛.西方美學史（上冊）[M].北京：人民文學出版社，1982.131.

〔4〕彭一剛.建筑空間組合論[M].第2 版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.35.

〔5〕黃歡.居住區(qū)標志性景觀設計研究[D].武漢：華中科技大學，2008.

〔6〕李俊霞.建筑的比例和尺度[D].南京：東南大學，2004.