結(jié)構(gòu)消隱＊
——建筑立面建構(gòu)的一種方式

宋戈 張思煜 劉瀚超 SONG Ge,ZHANG Siyu,LIU Hanchao

1 西北工業(yè)大學(xué)

2 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院

1 立面、結(jié)構(gòu)與建構(gòu)

現(xiàn)代主義運(yùn)動(dòng)開始后，圍護(hù)功能和支撐功能合二為一的建筑立面逐漸減少，正如萊瑟巴羅和莫斯塔法維在《表面建筑》中所言：當(dāng)建筑的外皮（Skin）可以和結(jié)構(gòu)脫離時(shí)，其就可以像窗簾或衣服一樣被掛起來(lái)。結(jié)構(gòu)和外皮的對(duì)抗關(guān)系從此占據(jù)了建筑生產(chǎn)（Architectural Production）的主要位置，并在今天仍在爭(zhēng)斗，而這場(chǎng)爭(zhēng)斗的位置就是建筑的表面（Architectural Surface）[2]。由于圍護(hù)功能與支撐功能的分離，圍護(hù)物本身得到了極大的自由，而圍護(hù)物與支撐物之間的相對(duì)位置關(guān)系也有了多種變化的可能，至少出現(xiàn)了支撐結(jié)構(gòu)退后于圍護(hù)、圍護(hù)與支撐結(jié)構(gòu)結(jié)合、支撐結(jié)構(gòu)突出于圍護(hù)的三種關(guān)系（圖1）。

無(wú)論哪種位置關(guān)系，當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)時(shí)，建筑的豎向受力關(guān)系得以呈現(xiàn)，表達(dá)了“建構(gòu)”概念的一個(gè)方面。通常來(lái)說(shuō)，用最簡(jiǎn)單的語(yǔ)言解釋“建構(gòu)”就是一種詩(shī)意的建造[3]；美國(guó)學(xué)者賽克勒將建構(gòu)定義為與結(jié)構(gòu)、建造有關(guān)的表現(xiàn)性特質(zhì)，它源自建造形式的受力特征，但最終的表現(xiàn)結(jié)果不能僅從結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的角度進(jìn)行理解[4]；而在肯尼斯·弗蘭姆普敦的著作中，讀者很容易將建構(gòu)簡(jiǎn)單理解為結(jié)構(gòu)機(jī)制的呈現(xiàn)和受力關(guān)系的性格塑造，因?yàn)槠渌^的“建構(gòu)文化”更多地似乎是在強(qiáng)調(diào)“再現(xiàn)”與“本體”在“結(jié)構(gòu)理性主義”原則下的統(tǒng)一，這使得建構(gòu)概念很容易被縮減為對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系和建造邏輯的忠實(shí)表現(xiàn)。然而作為一種詩(shī)意的建造，建構(gòu)的概念應(yīng)當(dāng)是豐富的，諸如程大錦將結(jié)構(gòu)體系與建筑設(shè)計(jì)的形式關(guān)系歸結(jié)為三類：顯露（Exposing）結(jié)構(gòu)體系、隱藏（Concealing）結(jié)構(gòu)體系、彰顯（Celebrating）結(jié)構(gòu)體系[5]；陳鐫則將立面中的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)分為“表皮構(gòu)造的表現(xiàn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)、兩者共存的表現(xiàn)和完全與內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)”[6]。本文呈現(xiàn)的案例則意圖展示立面中結(jié)構(gòu)的“缺席”，也就是結(jié)構(gòu)不表現(xiàn)的方式。

2 結(jié)構(gòu)消隱之梁柱退后

2.1 圖根哈特住宅

在密斯設(shè)計(jì)的圖根哈特住宅（捷克布爾諾，1928～1930）中，起居空間由巨大的落地玻璃圍護(hù)，支撐主體結(jié)構(gòu)的柱子則退后于整個(gè)幕墻（圖2）。現(xiàn)代主義建筑中圍護(hù)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（“皮”與“骨”）的分離在這里表現(xiàn)得非常強(qiáng)烈，突出了建筑表皮的獨(dú)立性；同時(shí)這里結(jié)構(gòu)柱與幕墻的距離較大，可以擺下一個(gè)躺椅，加之柱子的空間限定作用，形成了一處介于室內(nèi)與室外的“灰空間”。幕墻可以通過(guò)機(jī)械裝置被收入地下室中，收入后室內(nèi)外空間的界限則被進(jìn)一步模糊，形成了類似日本傳統(tǒng)建筑的緣側(cè)（Engawa，室外和室內(nèi)空間相接的走廊，圖3）空間。

2.2 教師培訓(xùn)學(xué)院科學(xué)館

由Bearth+Deplazes Architects設(shè)計(jì)的科學(xué)館（Chur Teacher Training College,Science Wing，瑞士庫(kù)爾，1997～1999）是Grisons教師培訓(xùn)學(xué)院的擴(kuò)建部分。建筑立面由大面積的單元式玻璃幕墻構(gòu)成，建筑內(nèi)部發(fā)生的狀況被一覽無(wú)遺，設(shè)計(jì)者希望借此暗示科學(xué)研究可以被清楚地認(rèn)識(shí)（圖4）。作為主要結(jié)構(gòu)的混凝土框架可以看作是四個(gè)疊加在一起的平臺(tái)，并被交通核連接成整體。其梁柱布局的特別之處在于：整個(gè)建筑并沒(méi)有設(shè)置沿建筑短邊的橫梁，而是用沿建筑長(zhǎng)邊方向的縱梁將柱子連接在一起（圖5）。

與通常沿進(jìn)深方向布置橫梁的方式相比，這樣產(chǎn)生的吊頂空間非常平整，方便各種設(shè)備管線的布置。另外樓板只設(shè)置了主梁而沒(méi)有次梁承托，次梁的作用由加厚的混凝土樓板替代，這樣立面背后的懸挑樓板沒(méi)有次梁支撐，空間變得異常通透，建筑概念與實(shí)現(xiàn)手段高度吻合。

1 支撐與圍護(hù)的不同關(guān)系

2 圖根哈特住宅起居室室內(nèi)

3 日本傳統(tǒng)建筑的檐下空間

4 教師培訓(xùn)學(xué)院科學(xué)館平面

5 教師培訓(xùn)學(xué)院結(jié)構(gòu)-幕墻軸測(cè)圖

6 托萊多美術(shù)館玻璃亭外觀

7 托萊多美術(shù)館玻璃亭外觀圍護(hù)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分解軸測(cè)圖

8 海洋/過(guò)濾器外觀

9 海洋/過(guò)濾器項(xiàng)目軸測(cè)圖

10 EL Batel 外觀

11 EL Batel 立面結(jié)構(gòu)及次級(jí)結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖

12 森林/地面別墅外觀

13 森林/地面別墅分解軸測(cè)圖

3 結(jié)構(gòu)消隱之截面最小化

3.1 托萊多美術(shù)館玻璃亭

妹島和世與西澤立衛(wèi)設(shè)計(jì)的托萊多美術(shù)館玻璃亭（The Glass Pavilion at Toledo Museum of Art，美國(guó)俄亥俄州托萊多，2006），主要用于玻璃制造演示及玻璃藝術(shù)展覽。建筑內(nèi)任意的房間、院落或走廊都由連續(xù)的墻體包圍，其中大部分為玻璃幕墻（圖6）。各種角部的弧形玻璃使得空間的劃分突破了房間的概念，形成了相互連接的氣泡形平面，重新闡述了密斯的“流動(dòng)空間”概念（圖7）。墻體的概念也隨之瓦解，轉(zhuǎn)換為限定相鄰空間的兩層玻璃幕墻及其圍合起來(lái)的空腔，這個(gè)空腔被看作是一種溫度緩沖層，配合在吊頂和地板內(nèi)安裝的空調(diào)系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)濕度和溫度。玻璃幕墻的固定件插入地面和天花板，將玻璃的收邊隱藏起來(lái)，立面更加通透。

玻璃相互疊加使得室內(nèi)活動(dòng)時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，為了強(qiáng)化這種效果，立面乃至整個(gè)室內(nèi)的豎向結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了消隱處理。纖細(xì)的實(shí)心鋼柱將屋面的豎向荷載傳遞給混凝土基礎(chǔ)；置于玻璃燒拉工作室內(nèi)的鋼板墻及局部不透明墻體后隱藏的斜向支撐則承擔(dān)建筑的橫向荷載，使得鋼柱截面最小化。靠近立面的外圍柱子同時(shí)退后于玻璃或隱藏在墻體內(nèi)，且柱子的排布并不遵循正交邏輯，而是不規(guī)則分布——有些位于房間內(nèi)，有些位于緩沖層內(nèi)，進(jìn)一步弱化了結(jié)構(gòu)的秩序與存在感，使得空間劃分的模糊與曖昧得到最大程度的體現(xiàn)。

1.2.2 排除標(biāo)準(zhǔn) ①宮內(nèi)感染患兒；②吸入性肺炎、濕肺；③先天性畸形；④先天性心肝?。虎萑旧w異常。

3.2 海洋/過(guò)濾器

在隈研吾設(shè)計(jì)的海洋/過(guò)濾器（Sea/Filter，日本山口縣小野田，2001）的餐廳中，結(jié)構(gòu)體系可以被理解為兩個(gè)部分：大開間的鋼結(jié)構(gòu)容納朝向海洋的餐廳部分，同時(shí)主要承擔(dān)屋面荷載和餐廳夾層的荷載；背向大海的廚房服務(wù)部分則采用砌體結(jié)構(gòu)，主要承擔(dān)建筑的側(cè)向力（圖8，9）。這樣鋼結(jié)構(gòu)部分的柱子承受較少的橫向力，所以截面尺寸可以減小。同時(shí)這些柱子成為餐廳立面玻璃幕墻的豎挺，使得從室內(nèi)看向大海的景象盡量不受遮擋。

3.3 EL Batel會(huì)堂及會(huì)議中心

坐落于西班牙卡塔赫納市（Cartagena）港口的El Batel會(huì)堂及會(huì)議中心（2011）由José Selgas和Lucía Cano設(shè)計(jì)，整個(gè)建筑長(zhǎng)約200m，與海岸線平行布置（圖10）。

建筑沿海立面的內(nèi)外側(cè)均采用半透明的聚碳酸酯波紋板作為圍護(hù)材料，并通過(guò)特殊的固定件以邊緣疊加的方式與主體結(jié)構(gòu)或附加結(jié)構(gòu)連接。位于立面空腔位置中的鋼結(jié)構(gòu)柱并沒(méi)有采用常規(guī)的實(shí)腹截面柱，而轉(zhuǎn)用格構(gòu)柱方式——構(gòu)成柱子的6根實(shí)心圓鋼管由三角形的連接件組合為兩組，并在頂部連接為整體（圖11）。支撐波紋板的次級(jí)結(jié)構(gòu)采用同構(gòu)方式與主結(jié)構(gòu)取得相似性，這種做法使得波紋板的背后不會(huì)出現(xiàn)一道道黑影，從而盡可能實(shí)現(xiàn)立面均勻的半透明效果。

4 結(jié)構(gòu)消隱之特殊結(jié)構(gòu)選型與布置

4.1 森林/地面

在名為森林/地面（Forest/Floor，日本長(zhǎng)野縣輕井澤，2003）的周末別墅項(xiàng)目中，隈研吾試圖用不同方式演繹密斯在范斯沃斯住宅中建立的建筑和環(huán)境的融合聯(lián)系（圖12）。隈研吾認(rèn)為范斯沃斯住宅中的框架結(jié)構(gòu)對(duì)視線造成了干擾，而在這個(gè)項(xiàng)目中則通過(guò)消隱立面結(jié)構(gòu)、懸浮樓板來(lái)消除人與自然的隔閡[7]。別墅的首層是架空的，架空層和坡屋頂之間是起居空間。起居空間由纖細(xì)鋼柱支撐，但這些鋼柱沒(méi)有再繼續(xù)升高支撐屋頂，只剩下了起圍護(hù)作用的玻璃幕墻和豎向金屬百葉（圖13）。通透的幕墻使得居住者完全沉浸在周邊的森林景觀中，而百葉則起到了在隈研吾作品中一貫的作用——調(diào)節(jié)光線和視線。

14 迪奧旗艦店外觀

15 迪奧旗艦店標(biāo)準(zhǔn)層軸測(cè)圖

17 諾華制藥公司辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層軸測(cè)圖

18 MAS 博物館外觀

19 MAS 博物館桁架體系示意圖

這種效果的玄機(jī)在于，整個(gè)房子的屋頂其實(shí)是由位于建筑平面橫向中心線上的兩個(gè)相對(duì)于一層鋼柱非常大的圓形混凝土柱子支撐的，其中一個(gè)暴露在架空層中，另一個(gè)則隱藏在架空層儲(chǔ)藏室內(nèi)。而在起居空間中，兩個(gè)柱子隨著荷載的降低截面變小，并結(jié)合房間的布置被隱藏在家具中。

4.2 迪奧旗艦店

同樣由妹島和世與西澤立衛(wèi)設(shè)計(jì)的迪奧旗艦店（東京表參道，2001～2003）的空間概念可以被理解為由輕盈綢緞所包裹的層層豎向疊加的懸浮板片（圖14）。

建筑結(jié)構(gòu)的平面布局沒(méi)有采用均勻布置的框架體系，而采用偏心式的框架—筒體結(jié)構(gòu)。受力荷載主要集中在兩個(gè)包含了樓電梯和設(shè)備管井的核心筒上，其他靠近建筑立面的柱子并沒(méi)有平均分布在建筑四周，這些纖細(xì)的柱子僅出現(xiàn)在兩個(gè)不重要的側(cè)邊上，同時(shí)退后于樓板（圖15）。這種巧妙的布局使得建筑正立面的結(jié)構(gòu)幾近消失，也使得建筑被“綢緞”——曲面亞克力板包覆的概念得以實(shí)現(xiàn)。

4.3 諾華制藥公司辦公樓

諾華制藥公司邀請(qǐng)了眾多國(guó)際建筑大師為瑞士巴塞爾園區(qū)設(shè)計(jì)了若干幢辦公和實(shí)驗(yàn)用房，其中由妹島和世與西澤立衛(wèi)設(shè)計(jì)的辦公樓（2003～2006）與園區(qū)內(nèi)其他絕大部分樓宇類似都采用矩形，但不同之處在于擁有一個(gè)內(nèi)天井。天井兩側(cè)的辦公空間進(jìn)深都不算寬裕，但為辦公人員提供了充足的自然采光。建筑的外立面和朝向天井的內(nèi)立面都為單元式落地玻璃幕墻，由于進(jìn)深不大，整個(gè)建筑呈現(xiàn)出一種被壓縮的透明感（圖16）。

為了最大化建筑空間的透明效果，除了建筑的四角及連廊部分由圓形柱子支撐外，其他部位都由沿室內(nèi)中部、橫向布置的剪力墻支撐（同時(shí)容納豎向設(shè)備管井），這些剪力墻最終被兩個(gè)文件柜遮擋起來(lái)，同時(shí)樓板采用無(wú)梁樓蓋，這些做法都在試圖減弱結(jié)構(gòu)支撐部件的出現(xiàn)，而強(qiáng)化空間的透明效果（圖17）。

4.4 MAS博物館

位于比利時(shí)安特衛(wèi)普市舊港口的MAS博物館（Museum Aan der Stroom，2000～2010），由紐特林·里代克（Neutelings Riedijk）設(shè)計(jì)。建筑師將展覽空間設(shè)想為一個(gè)個(gè)收納歷史和藝術(shù)品的石頭盒子，10個(gè)相同尺寸（36m×24m×6m）的石頭盒子堆疊在一起，每一層盒子的邊緣都被依次挖掉一塊，這樣就構(gòu)成了一個(gè)螺旋上升的臺(tái)階形態(tài)，被挖掉的部分則作為室內(nèi)公共空間將城市景觀與展廳聯(lián)系起來(lái)（圖18）。從外部看，整個(gè)建筑的虛實(shí)對(duì)比非常強(qiáng)烈，實(shí)體部分的外墻和室內(nèi)公共部分的吊頂均由同一種干掛石材包裹，建立了一個(gè)完整石頭盒子的概念。虛空部分由水平截面為波紋狀的玻璃圍合，波紋形狀解決了玻璃安裝的穩(wěn)定問(wèn)題，也使得固定玻璃的豎框間距最大化、數(shù)量最小化。然而令人意外的是，整個(gè)玻璃幕墻后沒(méi)有一根結(jié)構(gòu)柱顯現(xiàn)，原來(lái)玄機(jī)位于實(shí)體部分。

10個(gè)石頭盒子實(shí)際上是由從建筑中心懸挑出來(lái)的巨型桁架作為主體結(jié)構(gòu)，上下層盒子內(nèi)的桁架會(huì)扭轉(zhuǎn)90°，從而為公共空間留出位置（圖19）。雖然桁架的斜撐會(huì)在室內(nèi)某些位置暴露，限制了空間的自由劃分，但這種結(jié)構(gòu)形式無(wú)疑是在滿足豎向堆疊和懸挑的同時(shí)，釋放虛空部分的最優(yōu)形式。

5 結(jié)構(gòu)截面最小化試算

以上案例均表現(xiàn)出建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的巧妙結(jié)合，并可以總結(jié)為以下三類建筑概念：1）建筑空間的透明感；2）環(huán)境向建筑內(nèi)的滲透；3）建筑體量的明確表達(dá)?？v觀以上案例不難發(fā)現(xiàn)，大部分案例結(jié)構(gòu)布局的共同點(diǎn)都是突出了抗側(cè)力部件的設(shè)計(jì)，同時(shí)絕大多數(shù)案例都采用了鋼結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的混合體系。這兩種策略似乎對(duì)立面位置結(jié)構(gòu)部件的最小化起到了關(guān)鍵性作用，下文則通過(guò)一個(gè)序列化的結(jié)構(gòu)計(jì)算實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證這種策略的可行性。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用YJK1.9.2軟件，基本參數(shù)如表1所示。

計(jì)算共設(shè)置5種不同的結(jié)構(gòu)類型，分別為混凝土框架結(jié)構(gòu)、混凝土框架—梁柱退后兩米、混凝土框架—核心筒體系、鋼框架體系、鋼框架—支撐體系，計(jì)算模型及結(jié)果如表2所示。

算例2與算例1邊柱尺寸相同，但通過(guò)懸挑的方式將結(jié)構(gòu)柱退后，使得建筑立面獲得更多的自由度；同時(shí)結(jié)構(gòu)柱的后退減少了建筑柱距，可以一定程度上降低梁高。不過(guò)懸挑結(jié)構(gòu)具有較大的撓度，懸臂梁發(fā)生破壞為倒塌破壞，因此需要嚴(yán)格控制懸挑端的應(yīng)力比和撓度來(lái)保證結(jié)構(gòu)的整體安全。同時(shí)，如果結(jié)構(gòu)柱退后過(guò)多，將會(huì)造成懸挑過(guò)大與梁截面呈指數(shù)增大，會(huì)影響立面的通透效果。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表2 計(jì)算模型與邊柱尺寸計(jì)算結(jié)果

算例3利用混凝土核心筒形成強(qiáng)有力的抗側(cè)構(gòu)件，讓外圍框架柱只承受豎向荷載，從而邊柱截面尺寸有所降低。但一方面規(guī)范限定了截面尺寸的最小值，另一方面，地震力作為一種慣性力，其大小和質(zhì)量有關(guān)。剪力墻作為一個(gè)實(shí)體構(gòu)件,本身質(zhì)量大會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)增重，無(wú)形之中又加大了地震作用，所以截面尺寸降低的程度并不大。

算例4和算例5得益于鋼結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)特性，結(jié)構(gòu)自重低，從而減少了地震作用力。算例4中的抗側(cè)體系是由鋼柱和鋼梁共同構(gòu)成，為了優(yōu)化邊柱截面，可以對(duì)整體剛度進(jìn)行合理分配。即在內(nèi)部空間通過(guò)增大梁柱截面的方式來(lái)增加結(jié)構(gòu)剛度，從而滿足邊柱最小化的設(shè)計(jì)，本算例平面中部鋼柱采用500mm×500mm×20mm箱型柱，邊柱截面則可優(yōu)化到350mm×350mm×20mm。算例5采用支撐體系作為抗側(cè)力體系抵抗水平作用來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)邊柱優(yōu)化，所增加的支撐質(zhì)量相對(duì)于增加一片實(shí)體剪力墻要小很多，因此并未明顯增加地震作用，而截面尺寸降低的程度相當(dāng)大。

實(shí)際上，由于高層建筑更容易受到風(fēng)力和地震力的影響，經(jīng)常會(huì)采用框架—支撐結(jié)構(gòu)布局，文中收集的多個(gè)案例則將這種布局使用在非高層建筑中，從而最小化立面位置的柱截面。以上序列化結(jié)構(gòu)計(jì)算實(shí)驗(yàn)，則驗(yàn)證了在我國(guó)結(jié)構(gòu)規(guī)范及一定場(chǎng)地條件約束下，這種結(jié)構(gòu)布局在非高層建筑使用時(shí)的可行性。

6 總結(jié)

工業(yè)革命使得建筑師與工程師之間的分工更為明確，工程師更注重實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)的技術(shù)操作，建筑師更關(guān)注建筑與社會(huì)功能關(guān)系的實(shí)現(xiàn)過(guò)程；這種分工使得傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)變成了被動(dòng)的設(shè)計(jì)，建筑師變成了滿足結(jié)構(gòu)工程既有法規(guī)要求的從屬者[8]。本文呈現(xiàn)的案例無(wú)疑是建筑師與結(jié)構(gòu)工程師緊密配合的結(jié)果，但這也并非“以結(jié)構(gòu)為先導(dǎo)”[9]的建筑設(shè)計(jì)，而依然以建筑概念為先導(dǎo)，畢竟建筑學(xué)的終極目標(biāo)是營(yíng)造建筑空間?；氐奖疚拈_始對(duì)建構(gòu)概念的解析，可以看到建構(gòu)其實(shí)并非只有某種單一的理解，并非一種靜止的、死的、僵化的價(jià)值，而是一種需要一直伴隨具體情況和實(shí)踐狀況不斷演化的原則[10]。這種原則也使得建筑的多樣性與可能性得以持續(xù)，創(chuàng)造建筑空間與建筑結(jié)構(gòu)的完美融合。

本文也只是針對(duì)幾種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析，闡述了結(jié)構(gòu)消隱最基本的可行性及措施。而在實(shí)際工程項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)形式、建造方式受到規(guī)范、預(yù)算、施工條件等諸多因素限制，如何采用梁柱退后、最小化截面及合理結(jié)構(gòu)體系來(lái)到達(dá)結(jié)構(gòu)消隱的效果，需要建筑師和結(jié)構(gòu)工程師協(xié)同設(shè)計(jì)，共同實(shí)現(xiàn)空間效果。

圖片來(lái)源

圖1 來(lái)源于文獻(xiàn)[11]；圖2 來(lái)源于文獻(xiàn)[12]；圖3～5，7～10 來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)；圖6 來(lái)源于文獻(xiàn)[7]；表格中圖片由作者自繪。