巧奪天工的建筑力學(xué)

吳旭陽(yáng)

早在原始社會(huì)，人類就出現(xiàn)了穴居、巢居等基本的居住方式，人們通過選擇天然的山洞或者用樹木的枝葉搭建活動(dòng)的巢穴，這便是最早的一體化傳導(dǎo)建筑力學(xué)的模型。

隨著建筑材料、結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，國(guó)外漸漸出現(xiàn)了以石材為主的梁柱結(jié)構(gòu)，中國(guó)則多以木構(gòu)為主，最為著名的要數(shù)我國(guó)發(fā)明的斗拱體系，甚為精妙;除此以外，古希臘、古羅馬還衍生出了多種特有的結(jié)構(gòu)，包括桁架體系、拱券體系等，創(chuàng)造了圓屋頂、拱廊、飛扶壁等多種力學(xué)傳導(dǎo)模式。

到了近現(xiàn)代，隨著鋼筋混凝土材料的興起，新的建筑力學(xué)結(jié)構(gòu)如“鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)”、膜結(jié)構(gòu)等應(yīng)運(yùn)而生，誕生了以摩天大樓為代表性建筑的新型建筑形式;此外，一些建筑師還嘗試以模塊化的結(jié)構(gòu)單元，通過拼接、組裝等方式聚合重復(fù)，從而形成新型的一體化建筑結(jié)構(gòu)體系。親愛的讀者朋友，本文就將為您揭示一二，帶您領(lǐng)略建筑力學(xué)的精妙之美。

自然之力，

原始的小屋雛形

“原始小屋”，是對(duì)原始社會(huì)人類居所的統(tǒng)稱，代表最早的人類居住形式。早在舊石器時(shí)代，人類沒有掌握先進(jìn)的建造技術(shù)，因此山洞是他們最合適的選擇，為了防范野獸或者飄雨，人類用樹枝等物品在洞口堆積進(jìn)行遮擋，這便是最早的“穴居”形式了。而在南方濕熱地區(qū)，為了躲避蚊蟲、濕氣，誕生了與“穴居”對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)方式——巢居，它泛指一切棲息在樹上的居住模式，我國(guó)很多古書中均有對(duì)穴居、巢居傳說的記載，如《易·系辭》中所述“上古穴居而野處”;《韓非子·五蠹》所載“上古之世，人民少而禽獸眾，人民不勝禽獸蟲蛇，有圣人作，構(gòu)木為巢，以避群害”等。

不論是穴居還是巢居，其結(jié)構(gòu)形式都較為簡(jiǎn)單，是人類憑借自己的經(jīng)驗(yàn)和已有的技術(shù)，象形地復(fù)制自然界中存在的住所形式，其結(jié)構(gòu)和功能并沒有明確的界限。隨著生產(chǎn)力的進(jìn)一步提高，人類逐漸擁有了自我建造的能力，也慢慢學(xué)會(huì)了自己創(chuàng)造“半穴”式的處所。這些早期人類居住方式的雛形，也為之后的梁柱等建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展指明了方向。

?英國(guó)巨石陣

梁柱體系：

巧用力的傳導(dǎo)與支撐

在原始社會(huì)的房屋中，早就埋下了梁柱體系的影子，簡(jiǎn)而言之，就是力作用于水平橫向梁，梁將力傳遞給豎向傳遞構(gòu)件“柱”，再由“柱”傳導(dǎo)給大地。在整個(gè)力的傳導(dǎo)過程中，梁柱的交接點(diǎn)還會(huì)承受多方向的“牽引力”，這些促使我國(guó)古代建筑師創(chuàng)造性地發(fā)明了“斗拱”體系。

最早的“梁柱體系”結(jié)構(gòu)可以追溯到新石器時(shí)代的英國(guó)埃夫伯里巨石遺址，即聞名世界的“巨石陣”，它建于公元前2300年左右。該巨石陣的基本結(jié)構(gòu)即由兩塊巨大的方體巖石垂直于地面，再在其上支撐起相同體量的橫向巖石，猶如一道“石門”。到了古希臘、古羅馬時(shí)期，梁柱體系更有了長(zhǎng)足的發(fā)展，古希臘形成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜谆局剑炊嗔⒖酥?、愛奧尼柱式和科林斯柱式，這三套柱式系統(tǒng)從多方面對(duì)柱子進(jìn)行了限定，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了某種特定類型的柱子的范疇，而是包含了整個(gè)柱式的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。羅馬人進(jìn)一步增加了塔司干和混合式柱式，形成了五大經(jīng)典柱式體系。這些柱式本身分為三部分，即頂部、柱體、基座，其中頂部和基座是主要受力構(gòu)件，柱體是傳導(dǎo)力的構(gòu)件。需要補(bǔ)充的是，古希臘、古羅馬的柱式系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅作為結(jié)構(gòu)存在，更是一種范式，具有濃厚的象征意義。多立克柱式象征男性威武的身軀，愛奧尼柱式象征女性婀娜的體態(tài)。親愛的讀者，您從柱式外觀上是否隱約感覺到了呢？

羅馬斗獸場(chǎng)，作為柱式系統(tǒng)集大成的杰作，氣勢(shì)恢宏。它外立面的圍墻共分四層，每層均高10米以上，前三層均有柱式裝飾，依次為多立克柱式、愛奧尼柱式、科林斯柱式，就像是一排排“士兵”“貴婦”“官爵”，不禁使人腦海中重現(xiàn)當(dāng)時(shí)斗獸場(chǎng)的恢宏與壯觀，耳畔重新響起震人心魄的吶喊！

愛奧尼柱式 ? 科林斯柱式 ??多立克柱式

斗拱體系

中國(guó)建筑師的智慧結(jié)晶

與西方建筑多用石材不同，中國(guó)古代建筑以木材為主，形成了適應(yīng)各種氣候條件的木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，包括抬梁、穿斗和井干三種不同結(jié)構(gòu)。其中，抬梁式結(jié)構(gòu)適用范圍最廣，這種木構(gòu)架沿著房屋的進(jìn)深方向在石礎(chǔ)上立柱，柱上架梁，再在梁上重疊數(shù)層相對(duì)較細(xì)的梁和其他木構(gòu)件，最終形成完整的木結(jié)構(gòu)體系。這些木結(jié)構(gòu)就如同魚骨一樣，作為房屋的主體受力體系，屋頂、墻壁等其他構(gòu)件以此為基礎(chǔ)，與之產(chǎn)生關(guān)系，最終一起形成房屋的基本形制。

在構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)上，中國(guó)古代建筑界最著名的發(fā)明—斗拱應(yīng)運(yùn)而生。所謂斗拱，即在方形座斗上用若干方形小斗與若干弓形的栱層疊裝配而成，用于支撐上層梁和外檐的重量，出檐的深度越大，斗拱的層數(shù)越多。需要補(bǔ)充的是，后來(lái)斗拱漸漸成為不同階層的代表，作為范式而使用，不同朝代由于禮制等級(jí)的不同，也延伸出萬(wàn)千的斗拱樣式。

拱券和飛扶壁：

磚石建筑的最愛

拱券，作為建筑力學(xué)大家庭的重要一員，因?yàn)槠浼儔嚎s的受力特性，經(jīng)常用于磚石類建筑。建筑大師路易斯·康就曾戲言：“磚對(duì)我說，我要成為拱券！”

在拱形結(jié)構(gòu)中，由于磚石呈弧形且相互緊靠，因此只需傳導(dǎo)相鄰磚石帶來(lái)的擠壓力，直至傳遞到豎向柱構(gòu)件，最終傳導(dǎo)給大地即可。由于拱券受力相對(duì)簡(jiǎn)單，深得磚、石等建筑材料的喜愛。拱券的衍生結(jié)構(gòu)體系有很多，例如拱頂、拱廊、圓屋頂、飛扶壁等等。拱頂最簡(jiǎn)單的形式是通過拉伸或者旋轉(zhuǎn)平面上半圓形的拱而形成，前者形成具有一定高度的筒形拱頂，后者則形成氣勢(shì)磅礴的圓屋頂。

圓屋頂又稱穹頂，提起它，筆者腦海中首先浮現(xiàn)的便是萬(wàn)神廟。這座建筑是古羅馬時(shí)期的宗教建筑，后改建成一座教堂，代表了古羅馬穹頂藝術(shù)的精粹。萬(wàn)神廟平面為圓形，大廳內(nèi)部無(wú)柱，頂部中央開了一個(gè)直徑8.9米的圓洞，任天光自由傾瀉而下。試想，在萬(wàn)神殿內(nèi)抬頭仰望，壁龕內(nèi)眾神背后的故事，靜謐而又空曠的天光，誰(shuí)人不會(huì)感嘆人類的渺小，誰(shuí)人不會(huì)被此景震撼？

斗拱組成示意圖

隨著時(shí)間的推移，建筑師們逐漸發(fā)現(xiàn)可沿著拱頂?shù)氖芰Ψ较騺?lái)排布肋條，于是，交叉拱頂也誕生了。它由兩個(gè)直徑一樣的半圓形拱頂交叉而成，隨之衍生出一系列極富表現(xiàn)力的拱頂，如尖拱、帆拱等等，在哥特式建筑中尤為常見。

此外，有掰彎過吸管的同學(xué)一定會(huì)有這樣的體驗(yàn)，當(dāng)吸管被掰彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生一股為了復(fù)原而產(chǎn)生的向兩側(cè)的推力，拱券也不例外。為了抵抗此推力，哥特式建筑采用了在外部增加飛扶壁的方式，同時(shí)也大大增加了建筑的表現(xiàn)力，甚為壯觀。

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)：

鋼筋與混凝土的搭配

18世紀(jì)下半葉，隨著價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的鑄鐵工藝逐漸發(fā)展，現(xiàn)代新型鋼結(jié)構(gòu)呼之欲出。1851年，倫敦世界博覽會(huì)的水晶宮以純鐵結(jié)構(gòu)震驚了世界，拉開了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的序幕。之后，硅酸鹽水泥的出現(xiàn)，使得古羅馬發(fā)明的混凝土獲得新的生命力。

人類通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土和鋼筋的膨脹系數(shù)相似，內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生擠壓和破壞，且黏結(jié)力很好。同時(shí)，鋼筋能夠補(bǔ)充混凝土抗拉、抗彎性能較弱的問題;混凝土又能在鋼筋表面形成一層鈍化保護(hù)膜，仿佛是鋼筋的“保護(hù)外衣”。由此，“鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)”一舉成為迄今為止人類發(fā)明的最佳建筑結(jié)構(gòu)材料。

最初的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，往往是相互垂直連接的正交結(jié)構(gòu)體系。但是隨著建筑師對(duì)材料性質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深，異形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑如雨后春筍般蓬勃發(fā)展起來(lái)。它們每一個(gè)都是上天賜予的禮物，與眾不同。其中最具代表性的包括法國(guó)柯布西耶設(shè)計(jì)的朗香教堂的自由墻面和屋頂、上海龍美術(shù)館西岸館的傘形混凝土結(jié)構(gòu)、羅馬小體育宮的Y形混凝土支撐以及印度昌迪加爾法院的翻卷混凝土屋頂，等等。

 斗拱體系展示（攝影/馬之恒）

依托科技發(fā)展的

新型建筑體系

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，解決建筑中力的傳導(dǎo)問題也成為建筑師們大膽創(chuàng)新的領(lǐng)域。由此，誕生了很多突破性的新型建筑體系。如香港匯豐銀行總部的懸架結(jié)構(gòu)，從外部看，匯豐銀行立面猶如一些串聯(lián)起來(lái)的衣架，這些正是支撐大樓的結(jié)構(gòu)骨架，換言之，樓板連接著骨架，墻體、欄桿連接著樓板，它們一層一層以不同方式“依附”在骨架之上，使得內(nèi)部空間十分自由。

?米蘭大教堂的飛扶壁景觀

此外，由于不同的結(jié)構(gòu)擁有不同的力的傳導(dǎo)方式，使得適應(yīng)該結(jié)構(gòu)的建筑造型各不相同。其中最為特殊且最富表現(xiàn)力的結(jié)構(gòu)，我認(rèn)為是懸索結(jié)構(gòu)?？ɡ乩叩拿軤栁只佬g(shù)館的主體結(jié)構(gòu)是兩個(gè)桅桿，由桅桿伸出無(wú)數(shù)條懸索拉住主體的建筑部分，猶如一只展開雙翅的雄鷹，隨時(shí)準(zhǔn)備一飛沖天。這種設(shè)計(jì)為建筑賦予詩(shī)意般的結(jié)構(gòu)美和運(yùn)動(dòng)感。

膜結(jié)構(gòu)沒有懸索結(jié)構(gòu)的動(dòng)感，但是卻多了一份柔軟，以上海世博會(huì)日本館為例。由于支撐結(jié)構(gòu)骨架均被外皮膜結(jié)構(gòu)遮擋，因此給人柔和、安靜的感受。此外，由于膜結(jié)構(gòu)本身就是外表皮，通過植入光電板等科技設(shè)備，使得表皮能發(fā)電、呼吸。而有的膜結(jié)構(gòu)建筑表面甚至能移動(dòng)，就像一只安靜的蠶蛹，能不斷根據(jù)外部環(huán)境的變化改變自身的狀態(tài)。

??羅馬小體育宮

隨著科技的飛速發(fā)展，一系列新型建筑結(jié)構(gòu)勢(shì)必應(yīng)運(yùn)而生。我相信在不久的將來(lái)，建筑一定會(huì)圍繞“力學(xué)”產(chǎn)生更多的突破和驚喜，涌現(xiàn)出更多別具一格的建筑形態(tài)，成為每個(gè)人生活中不可或缺的一抹亮色。