試論交通建筑的結(jié)構(gòu)節(jié)點美學(xué)

胡映東 沈百琦 邱明兵

[摘要]交通建筑的結(jié)構(gòu)節(jié)點是力匯集與消散的樞紐，在結(jié)構(gòu)體系中至關(guān)重要。節(jié)點設(shè)計不單要解決工程問題，同時也是一種藝術(shù)創(chuàng)作，通過將節(jié)點形式與結(jié)構(gòu)力流的傳導(dǎo)規(guī)律進行比較印證，論述交通建筑節(jié)點設(shè)計是一種理性的藝術(shù)創(chuàng)作過程，能夠?qū)⒉煌牧?、?gòu)造形式與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能等特質(zhì)轉(zhuǎn)化為可感知的建筑美學(xué)，實現(xiàn)力與形的有效協(xié)同。

[關(guān)鍵詞]交通建筑；結(jié)構(gòu)節(jié)點；美學(xué)；材料；力

[Abstract]For traffic architecture， the structure joint is the hub for force to gather and disperse， which plays a crucial part in structure system. Joint design is an artistic creation that solves engineering problems. By comparing and verifying the joint forms and conduction rules of the struct-ure force flow， the article argues that traffic architecture's joints design is a rational artistic creation that transforms various materials， structure forms， structure mechanics and other characteristics into perceptible architecture aesthetics， and realizes the synergy of force and form.

[Key words]Traffic architecture； Structure joints；Aesthetics；Material；Force

[基金項目]本文系中國建筑學(xué)會學(xué)術(shù)研究課題“交通綜合體過渡空間優(yōu)化設(shè)計研究”（項目編號：asc-kt2014008）和教育部規(guī)劃項目“應(yīng)對氣候環(huán)境變化影響下的城市住區(qū)低碳交通規(guī)劃設(shè)計研究”（項目編號：15YJA760041）階段性成果。

結(jié)構(gòu)技術(shù)與建筑美學(xué)的研究由來已久。P.L.奈爾維在《建筑的藝術(shù)與技術(shù)》中將建筑定義為“技術(shù)與藝術(shù)的綜合體，而非是技術(shù)加藝術(shù)” [1]?！禨tructure as Architecture：A Source Book for Architects and Structural Engineers》認為結(jié)構(gòu)并非簡單的技術(shù)構(gòu)件，不同的結(jié)構(gòu)形式能帶來美感（Andrew Charleson，2014）[2]。結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅注重如何實現(xiàn)建筑物的堅固穩(wěn)定，更關(guān)乎視覺效果和人文關(guān)懷；在讓建筑更美觀的同時，不應(yīng)忽略結(jié)構(gòu)與形式間的互饋。

作為引領(lǐng)技術(shù)與時代風(fēng)格的一類大型公共建筑，現(xiàn)代交通建筑展現(xiàn)當(dāng)下的建造技術(shù)和設(shè)計理念，其結(jié)構(gòu)體系不僅要維持建筑物的安全與穩(wěn)定，更應(yīng)促進結(jié)構(gòu)內(nèi)在規(guī)律與可感知的外在形式之間的關(guān)聯(lián)與融合；不僅要體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的建構(gòu)原則與策略，也應(yīng)反映理性和詩意并重的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)觀。將結(jié)構(gòu)和形式完美結(jié)合是設(shè)計者畢生的努力與追求。合理的結(jié)構(gòu)形式兼具經(jīng)濟、穩(wěn)定、耐久、節(jié)約資源等優(yōu)勢，美學(xué)則提升建筑的地域特點和審美價值，形與藝的結(jié)合才能創(chuàng)造詩意且合理的交通建筑。本文嘗試將節(jié)點形式與結(jié)構(gòu)力流的傳導(dǎo)規(guī)律進行比較印證，論述交通建筑節(jié)點設(shè)計是一種理性的藝術(shù)創(chuàng)作過程，能夠?qū)⒉煌牧稀?gòu)造形式與力學(xué)性能等特質(zhì)轉(zhuǎn)化為可感知、充滿詩意的“剛、柔、巧”之美。

一、節(jié)點重要性

建筑設(shè)計立足于美學(xué)，結(jié)構(gòu)設(shè)計立足于力學(xué)，結(jié)構(gòu)美學(xué)源于對力學(xué)原理和力流規(guī)律的創(chuàng)造性加工和詮釋。力流（Flow of Forces）是指結(jié)構(gòu)對荷載進行接收、傳遞并釋放，并形成了完整的力的流程。力流可以分為客觀的“力的作用”和主觀的“力的感覺”兩部分，后者也稱為力量感。結(jié)構(gòu)美學(xué)是通過結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)與力相抗衡的特性、材料的外在表現(xiàn)力等實現(xiàn)，并進行建筑形體的塑造，利用觀者對力的感知、聯(lián)想及情緒等主觀感受來強化不同的視覺和心理體驗[3]。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作過程中始終伴隨著外力與內(nèi)力、作用與反作用力間的動態(tài)平衡。節(jié)點作為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中重要的樞紐，承擔(dān)三個作用：一是作為最佳傳力途徑上的關(guān)鍵點，節(jié)點須改變力傳遞方式與方向，有效地進行各項力的連接、轉(zhuǎn)換，確保安全可靠地承擔(dān)和傳遞荷載，達到力的匯集、分散及平衡。節(jié)點在結(jié)構(gòu)體系中至關(guān)重要，節(jié)點的形式與材料選擇是保證荷載有效傳遞的基礎(chǔ)；其次，節(jié)點還關(guān)乎能否以合理的節(jié)點力矩形式以提高結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定和整體性，特別是抵抗突變應(yīng)力的能力；第三，節(jié)點設(shè)計還反映連接材料、連接方法及施工安裝等要素[4]。

二、節(jié)點與材料

材料是節(jié)點力學(xué)傳遞與轉(zhuǎn)換性能的決定性因素，決定結(jié)構(gòu)抵抗破壞與變形的能力。不同建筑材料的節(jié)點物理形態(tài)不盡相同，是因其強度與剛度、加工性與耐久性等不同方面的力學(xué)特性。另一方面，材料本無情感色彩，透過肌理、視覺、觸感等傳遞信息，人在認識材料時的心理感受賦予材料以性情。設(shè)計者借助材料的力學(xué)特質(zhì)和性情差異傳達建筑性格與美學(xué)意境，使結(jié)構(gòu)體系呈現(xiàn)厚重或輕巧、粗糙或細致、張弛或緊湊的視覺差異。

（一）混凝土

混凝土抗壓、不易腐蝕、取材方便、價格低廉、耐久耐火性好、可塑性與整體性好、加工及施工工藝簡單。與鋼筋組合形成的鋼筋混凝土，其整體性得到加強?；炷恋乃囆g(shù)表現(xiàn)形式多樣：既可加工光滑平面以展現(xiàn)細膩之美；也可保留澆筑印痕以表達粗獷而質(zhì)樸的一面；在節(jié)點上，常根據(jù)構(gòu)件交接情況而隨意變化，適應(yīng)性強。

（二）磚、石

盡管因現(xiàn)代施工技術(shù)、環(huán)保及新材料而逐漸退出，但磚石材料與生俱來的鄉(xiāng)土氣息和親和力仍無法替代，可以呈現(xiàn)出粗野冰冷或親切溫暖的藝術(shù)效果。磚石抗壓性能強，但抗拉、抗剪切破壞能力極弱，因此在節(jié)點設(shè)計時應(yīng)借助磚石塊材間互相咬合以消解轉(zhuǎn)化拉力和剪切力，形成變化有致的磚縫線條。

（三）金屬

鋼材等金屬材料具有良好的剛度和強度、韌性和彈性、耐沖擊、性能可靠、良好的焊接和鉚接性能等特性，亦美觀耐用，具有裝飾效果。節(jié)點形態(tài)多樣，易加工成型，可采用焊接、高強螺栓和混合等連接方式。鋼材表現(xiàn)力豐富，可展現(xiàn)精致、隱約及輕盈的視覺效果。

三、節(jié)點的藝術(shù)性表現(xiàn)

節(jié)點的藝術(shù)性基于力學(xué)特性，并通過人們視覺和心理接收感知該節(jié)點不同受力之間傳遞、轉(zhuǎn)換的力量；并被賦予不同寓意，以傳遞設(shè)計意圖，展示不同地域文化符號。節(jié)點的藝術(shù)創(chuàng)作，其核心在于充滿詩意且可感知的構(gòu)造能力。

好的結(jié)構(gòu)形式能保證最佳的力流傳遞路徑，實現(xiàn)能量的有效轉(zhuǎn)移；好的節(jié)點設(shè)計在于力流的合理組織，應(yīng)遵循力流路線最短、力流轉(zhuǎn)向平滑和力流均布等原則，充分利用材料性能，讓各處截面的力流密度相對均勻，避免應(yīng)力過分集中和梯段變化過大。力的傳遞軌跡形成力線，力線匯集形成力流，而力線的密集程度（即力流密度）則反映出力的大小。通過節(jié)點處的力流、力流密度與節(jié)點構(gòu)件的幾何形狀進行比較，可以分析結(jié)構(gòu)美學(xué)與力學(xué)受力的關(guān)聯(lián)[5]。

（一）力量美

清晰的節(jié)點形式、合理的傳力邏輯能激發(fā)視覺效應(yīng)，讓人直觀地感受力在節(jié)點處的轉(zhuǎn)換及流動，展示節(jié)點的力學(xué)性能和力量感，無論是體現(xiàn)雄健與粗狂的男性形體，或是展現(xiàn)女性婀娜線條與體態(tài)的節(jié)點細節(jié)。

華盛頓杜勒斯機場候機樓采用纜索和塔架相結(jié)合的懸索結(jié)構(gòu)體系，高強度鋼索的軸向拉伸來抵抗外荷載，實現(xiàn)了減輕大跨度結(jié)構(gòu)自重的目標(biāo)；塔架為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底部向外彎曲外翻，既是結(jié)構(gòu)受力需求也是節(jié)點藝術(shù)性的表現(xiàn)。該處節(jié)點與地面相接呈一銳角，并做圓弧形倒角，線條富于力量、動感而不僵硬。倒角處理符合力流最短路徑原則，即力流傾向于沿最短路徑傳遞，最短路徑附近力流密度集中，并具有下列作用：一是通過倒角增加了支座反力的力臂距離，抵抗基礎(chǔ)內(nèi)部因受力不均而沿建筑內(nèi)部向上扭轉(zhuǎn)受力，而增加的用于抵抗結(jié)構(gòu)彎扭的基礎(chǔ)外部內(nèi)應(yīng)力。倒角的作用也為結(jié)構(gòu)底部支座增加了支撐鏈桿，使之不能作向上方的旋轉(zhuǎn)或移動；第二是利用力流最短路徑原則使得力流直接穿過柱腳外側(cè)的三角區(qū)傳導(dǎo)至地面；第三是避免力流方向急轉(zhuǎn)而造成轉(zhuǎn)角處應(yīng)力過分集中[5]27；最后是增加了節(jié)點的藝術(shù)魅力，使節(jié)點兼具平衡感和力量感（圖1、2）。 同樣，在黑川紀章設(shè)計的吉隆坡國際機場航站樓中，柱子截面上小下大，逐步加大，利于向下傳遞過程的應(yīng)力分散和鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也增加了視覺穩(wěn)定效果（圖3、4）。

因此，采用上細下粗、端頭曲線型等過渡形狀處理的節(jié)點設(shè)計，能避免力流方向急劇轉(zhuǎn)折造成的應(yīng)力集中，同時有變化、曲線細節(jié)也增強了建筑形體的力量感和爆發(fā)力。

（二）穩(wěn)重美

規(guī)則方正的經(jīng)典結(jié)構(gòu)布局和受力傳遞方式，給人舒適的心理安全感。與彎剪結(jié)構(gòu)相比，拱結(jié)構(gòu)具有跨度大、承載力高、截面尺寸小、變形小的優(yōu)點。拱腳產(chǎn)生水平推力，并將豎向荷載產(chǎn)生的彎矩大部分轉(zhuǎn)化為軸向壓力，使得拱節(jié)點的連接方式較為簡單。拱截面上的應(yīng)力分布較均勻，適合抗壓較強而抗拉性能較差的磚石、混凝土等材料，也利于強化節(jié)點的穩(wěn)重感。

交通建筑也常用的梁式結(jié)構(gòu)體系，受力簡單但需注意梁與柱的搭接長度不應(yīng)小于柱寬的1/4，過短會使柱承受軸側(cè)彎矩而降低承載能力。如阿姆斯特丹地鐵站外側(cè)柱均承托三個方向的梁，柱頭節(jié)點向外擴大形成牛腿，增大柱與梁的接觸面積，使對向梁荷載沿柱中心向下傳遞。既符合結(jié)構(gòu)的受力特性，視覺也更顯穩(wěn)重。（圖5、6）

（三）輕盈美

模仿自然界樹木生長形態(tài)的樹形柱，其桿間連接方式給人以輕盈感，與之相似的還例如Y字形和多枝型的雙向或多向匯聚結(jié)構(gòu)形態(tài)。樹形柱的結(jié)構(gòu)計算以軸線傳力為主，但為了應(yīng)對剛度突變時的應(yīng)力集中現(xiàn)象，交接節(jié)點處宜以微曲線過渡，必要時通過增加肋板以加強某一方向上的剛度，實現(xiàn)應(yīng)力分布較均勻，使得構(gòu)件間連接成連續(xù)曲線以利于內(nèi)力傳遞，因此在造型上也呈現(xiàn)出流線美（圖7、8）。該節(jié)點特性包括：（1）力傳遞路徑簡潔明了；（2）多向匯聚的結(jié)構(gòu)方式提供了更多的傳力路徑，適合屋面不同方向和部位的不均勻荷載通過樹形柱有組織地分配，實現(xiàn)了整體平衡[4]47-48；（3）支撐范圍大，能降低結(jié)構(gòu)高度，滿足交通建筑大跨、大出挑的空間網(wǎng)格屋架結(jié)構(gòu)形式；（4）Y型或交叉型產(chǎn)生的圖形感、序列感賦予空間以韻律并幫助限定空間，形象突出適合公共建筑使用（圖11、12）；（5）將柱與屋面柔和過渡并融為一體，柱子在大空間內(nèi)不顯突兀；（6）如哥特束柱般將視線吸引向上，通過豎向線條和空間劃分創(chuàng)造升騰的視覺體驗，增加細部感染力。例如斯圖加特機場T3航站樓結(jié)構(gòu)采用大型的樹狀支撐結(jié)構(gòu)體系，通過三級分叉使得橫向分支出挑深遠，支撐交通建筑的大跨空間。節(jié)點巧妙地將斜豎桿件用曲線進行再次連接，既加大了節(jié)點的穩(wěn)定性，也節(jié)省了建材。整體流線自如，飄渺輕盈，宛如置身一片鋼鐵森林之中[4]（圖13、14）。

結(jié)語

好的結(jié)構(gòu)設(shè)計能引發(fā)人們無盡的感知與聯(lián)想。當(dāng)與力抗衡的特性被用于空間和結(jié)構(gòu)塑形時，觀者感受也被激發(fā)創(chuàng)造不同的空間體驗。在結(jié)構(gòu)美學(xué)的四個構(gòu)成要素：力與力量感、材料選擇、構(gòu)件節(jié)點、組合構(gòu)型之中，材料與構(gòu)件節(jié)點的選用將影響結(jié)構(gòu)體系的完整性與結(jié)構(gòu)美學(xué)。好的節(jié)點拋棄了繁蕪的形態(tài)，簡潔而直接，是對結(jié)構(gòu)最忠實的表達。力流分析為節(jié)點設(shè)計與結(jié)構(gòu)美學(xué)認知提供了直觀而準(zhǔn)確的理論依據(jù)和實證參考，并籍此優(yōu)化節(jié)點?？傊?，節(jié)點構(gòu)造不但解決了工程問題，也成為一種藝術(shù)性的建筑表現(xiàn)手段。設(shè)計者在掌握不同節(jié)點的材料選擇、節(jié)點受力的基礎(chǔ)上，結(jié)合力所帶來的力量感、材料的特性、多形式運用，實現(xiàn)理性系統(tǒng)向詩意建筑的轉(zhuǎn)變。

隨著建筑參數(shù)化技術(shù)與結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)的深入研究，基于復(fù)雜形態(tài)與力學(xué)機制的統(tǒng)一性研究必將有助于力與形關(guān)系的重新參數(shù)化定義、建構(gòu)和動態(tài)協(xié)同[6]。

致謝：康杰參與繪制本文部分配圖，在此表示衷心感謝！

參考文獻

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