賦形于力＊
——工程師洛朗?奈伊和他的結(jié)構(gòu)設計

程俊杰 郭屹民

CHENG Junjie,GUO Yimin

東南大學建筑學院

1 Tachkemoni 學校雨篷

2 Esch 步行橋

現(xiàn)代建筑發(fā)展至今已有百年的歷史，建筑設計的思潮此起彼伏，新的建筑形態(tài)也層出不窮。但是，以多米諾體系為代表的結(jié)構(gòu)設計手段卻只是隨著技術進步穩(wěn)步發(fā)展——一種將力按方向分解回應的結(jié)構(gòu)設計，這種結(jié)構(gòu)思考方式甚至可以追溯到遠古時期的人類建造。洛朗?奈伊的作品對這種發(fā)展提出了挑戰(zhàn)，在他的設計中找不到梁、柱、索，而是全部統(tǒng)一到一個整體形態(tài)中，因此也難以分解和認知。奈伊從結(jié)構(gòu)設計的起點開始重新思考，建造了許多富有想象力的前所未有的工程。奈伊將自己的設計方法概括為“賦形于力”——以高度復合的內(nèi)部拓撲關系生成簡潔的形態(tài)。他的設計實現(xiàn)了觀念與技術的統(tǒng)一，為“結(jié)構(gòu)即意匠”提供了當代注解。麻省理工學院土木工程和建筑學教授約翰?奧科申朵夫（John Ochsendorf）稱贊他為當今大師級的工程師，認為他的設計將保持經(jīng)久不衰的影響力[1]。

自1989年從業(yè)以來，奈伊作為結(jié)構(gòu)工程師參與的項目已經(jīng)遍布世界各地，其中包括了其工作室獨立設計的工程和其他一些與建筑師合作的項目。隨著業(yè)務的拓展，奈伊和合伙人工作室（Ney &Partners）先后在比利時、盧森堡、日本、法國和荷蘭設立了分部，代表作品包括Tachkemoni學校雨篷（圖1）、Knokke-Heist步行橋、Centner步行橋、Tervuren步行橋、Esch步行橋（圖2）、荷蘭海事博物館中庭玻璃屋頂、三角港遮棚、出島表門橋等。

1 成長與經(jīng)歷

洛朗?奈伊于1964年出生于法國，1歲時隨父母搬遷到盧森堡。彼時正值歐洲煤鋼共同體高速發(fā)展期，盧森堡大公國就位于這個巨大的煤鋼工業(yè)市場的地理核心。成長在工業(yè)發(fā)達的地區(qū)，奈伊從小表現(xiàn)出了對飛機設計制造的喜愛[2]，這一直影響到奈伊后來的思考和設計方式。

1989年奈伊在列日大學取得土木工程碩士學位之后，開始在勒內(nèi)?格雷斯（Rene Glache）工程咨詢事務所工作。作為二戰(zhàn)后拉動列日地區(qū)經(jīng)濟復蘇政策的受益者之一，位于比利時列日的格雷斯事務所承接了大量公共工程項目。其中格雷斯一直熱衷追求的形式簡潔、結(jié)構(gòu)高效的鋼結(jié)構(gòu)橋梁是最具代表性的作品，這也深深影響了奈伊之后的創(chuàng)作。與他之后在結(jié)構(gòu)找形路上的探索不同，奈伊在格雷斯事務所的工作仍是在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型的基礎上進行優(yōu)化設計。1996年，奈伊在列日和布魯塞爾成立了自己的設計公司——奈伊和合伙人，其中包括結(jié)構(gòu)工程師和建筑師，正式開始了自己的創(chuàng)作。

2 跨類型的結(jié)構(gòu)形式

習慣以傳統(tǒng)方式思考結(jié)構(gòu)的工程師面對奈伊作品的第一個問題，就是難以判斷從屬于什么結(jié)構(gòu)類型。作為現(xiàn)代工程的產(chǎn)物，以結(jié)構(gòu)類型為基礎的設計計算方法在長期實踐中已經(jīng)變得非常完善。無論是橋梁設計還是建筑設計，結(jié)構(gòu)工程師的工作都始于在預設的類型中選擇一種運用于新項目的結(jié)構(gòu)體系。

3 Knokke-Heist 步行橋

奈伊認為相比于汽車或者航空業(yè)不斷更迭的設計方法，結(jié)構(gòu)設計的思考方式被既有的分類和語匯所限制了。結(jié)構(gòu)選型從一開始就注定了最后形態(tài)，想要創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)形式，必須在傳統(tǒng)類型學之外尋找可能?！拔覀儾辉侔研问胶皖愋妥鳛榻Y(jié)構(gòu)設計的開始，而是先定義結(jié)構(gòu)拓撲，即結(jié)構(gòu)的組織和不同元素間的內(nèi)在關系。[1]”奈伊這樣描述自己的工作。遵循基本結(jié)構(gòu)原則建立結(jié)構(gòu)概念，然后設定參數(shù)范圍，再將拓撲關系帶入到參數(shù)范圍之中不斷優(yōu)化，找到契合所有條件的設計方案。形態(tài)可能會跟隨條件的變化而產(chǎn)生新的面貌，但是作為核心的拓撲一直不變。

對關系的考慮代替了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選型和分級的思考，因此生成的形式是高度整合統(tǒng)一的系統(tǒng)。力不再被分解為不同方向并由不同構(gòu)件承擔，而是以復合的方式作用在更少的構(gòu)件上。嚴謹?shù)耐負渌伎家劳杏谟嬎銠C數(shù)值優(yōu)化得以實現(xiàn)，也意味著他的作品所呈現(xiàn)出的形態(tài)是20世紀的結(jié)構(gòu)工程師們不可能完成的創(chuàng)造。

2.1 Knokke-Heist步行橋

比利時Knokke-Heist步行橋（2008年）是奈伊的代表作，也是他的著作《賦形于力》與展覽的封面作品（圖3）。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，整體結(jié)構(gòu)由不同的構(gòu)件組合而成?？v向和橫向的荷載被工程師分開考慮，因此有了水平方向的梁和豎直方向的柱。Knokke-Heist橋則以類似膜受力的形式將全部荷載作用在一張焊接而成的約12mm厚的曲面鋼板上。鋼薄殼底部承載行人可變荷載，兩側(cè)高高挑起，在頂點處與豎向柱相連。同時側(cè)壁向外傾斜，以抵抗彎曲引起的剪力。一張鋼板同時承擔了局部和整體的所有荷載，傳統(tǒng)由層層傳遞的構(gòu)件疊加的策略被顛覆，多個受力單一的構(gòu)件被統(tǒng)合為受力復雜的整體（圖4）。

尋求盡可能少的構(gòu)件的過程是奈伊認為達到結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性的途徑。在Knokke-Heist橋的設計中，奈伊首先根據(jù)基地周邊條件形成了28m—46m—28m的理想跨度劃分，作為整體結(jié)構(gòu)形式的基礎。依據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，奈伊“賦形于力”——以橋的靜態(tài)彎矩圖生成異形整體結(jié)構(gòu)的初步概念。橋體類似于懸掛布料所生成的幾何形狀，所有力的作用被“兜”在一個整體形式之內(nèi)。

奈伊通過數(shù)字工具將數(shù)學計算與形態(tài)變化直接聯(lián)系起來，利用計算機在概念方案的基礎上優(yōu)化幾何形態(tài)。使用拓撲優(yōu)化程序，尋求在一定載荷和支承條件下調(diào)整形態(tài)和分布材料以滿足剛度、強度和穩(wěn)定性的要求，進一步將鋼薄殼不受力的部分去除，使材料得到高效使用。形態(tài)的調(diào)整還要同時兼顧鋼板彎曲數(shù)控機床的加工要求，使最終得到的結(jié)構(gòu)形態(tài)與力流分布達到契合。橋體具有了通過傳統(tǒng)力學分析難以生成的跨類型的形式——包括簡單的幾何外觀和完整的內(nèi)部邏輯（圖5）。

Knokke-Heist橋以其優(yōu)美動態(tài)的造型喚起了人們對帆與浪的想象，成為海濱度假勝地Knokke-Heist的標志性景觀。在了解到結(jié)構(gòu)的生成邏輯之后，專業(yè)人士就不會再困擾于應該將Knokke-Heist橋劃歸到斜拉橋、懸索橋還是索膜結(jié)構(gòu)，而可以通過“形”清晰地感受到力的分布。

4 Knokke-Heist 步行橋的鋼殼體形式

5 Knokke-Heist 步行橋生成過程

6 三角港遮棚夜景

7 三角港遮棚平面圖

8 三角港遮棚剖面構(gòu)造

9 出島表門橋

10 出島表門橋的受力原理

2.2 三角港遮棚

奈伊和同事在日本設計的三角港遮棚同樣呈現(xiàn)出“悖于常識”的形態(tài)——只用一排柱支撐起一片屋頂。項目用地東港是JR三角線的終點站三角站，從這里乘坐渡輪前往天草群島和長崎縣島原港等地的航線是條觀光路線（圖6）。遮棚是用來引導游客從JR三角車站到渡輪的步行通道，是一個由7.5m間隔的26根柱子和全長200m的屋頂組合而成的整體結(jié)構(gòu)，以線性弧狀環(huán)繞海邊金字塔。

屋頂是由12mm厚和9mm厚鋼板組成的箱型結(jié)構(gòu)，構(gòu)造類似于飛機機翼，屋面在短邊方向設有加強板[3]。利用圓弧狀的平面，支撐屋頂?shù)闹佣计挠谖蓓數(shù)膬?nèi)側(cè)。為達到整體平衡，柱子沿弧線交錯布置，頂下空間因此變得豐富多變（圖7，8）。

巧妙的受力方式被賦于獨特的形式，底部有力的鑄鋼柱架設著平坦簡潔的屋頂，支柱與屋頂連接處結(jié)合了錐狀光學玻璃的照明燈，三角港遮棚呈現(xiàn)出一種奇異的漂浮感。平坦的屋面和數(shù)量節(jié)制的下部支柱為三角站下車的游客提供了開闊的視野，天草群島的輪廓透過遮棚一覽無余。

2.3 出島表門橋

在日本的另一個項目——跨度達33m的出島表門橋則實現(xiàn)了一側(cè)不設橋臺的苛刻結(jié)構(gòu)要求（圖9）。橋梁出島一側(cè)位于國家歷史遺跡之中，不能設橋臺以防損傷遺跡，并且河道中亦不適于設樁。按照結(jié)構(gòu)選型的經(jīng)驗，最好的解決方式應該是修建一座懸索橋，但是那樣又會使橋的結(jié)構(gòu)暴露在上部，破壞了出島的景觀。

奈伊與日本團隊提出的解決方案是在可以承重的江戶町側(cè)設置兩個支座，將單跨的橋轉(zhuǎn)換為兩跨。橋梁作為理想剛體，以江戶町一側(cè)為支點形成了杠桿結(jié)構(gòu)。在無人通過時，江戶町側(cè)的橋臺配重支撐起整個主橋面，并且通過橋體的預變形進一步減小出島一側(cè)的受力。此時，整個橋體接近于懸臂，出島端可以幾乎不受力的作用，達到保護遺跡的目的。當行人通過時，橋梁變?yōu)閮煽邕B續(xù)梁的結(jié)構(gòu)，仍可以保證出島一側(cè)的反作用力最?。▓D10）。此外，橋面被嵌于主體結(jié)構(gòu)的中部，有效地控制了橋梁的體積，營造出優(yōu)雅的形態(tài)。

11 Centner 步行橋

12 Centner 步行橋剖立面圖

13 荷蘭海事博物館中庭玻璃屋頂

14 荷蘭海事博物館中庭玻璃屋頂設計從二維圖形到三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換

奈伊作品不拘泥于已有的結(jié)構(gòu)類型，而是基于每個項目的特點，抓住核心的結(jié)構(gòu)拓撲來生成結(jié)構(gòu)形式，即他所說的“賦形于力”。由結(jié)構(gòu)觀念主導的設計必然會觸發(fā)新的形態(tài)，因此，奈伊的結(jié)構(gòu)常常游走在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型之間或者兼具多個結(jié)構(gòu)的特點，呈現(xiàn)出獨特的形式。

3 高度整合的設計方法

奈伊的設計立足于結(jié)構(gòu)拓撲，而拓撲的基礎是綜合多方面因素設定的操作邊界，包括歷史、經(jīng)濟、物性、社會條件、感官體驗等。憑借工程師的敏感和對城市、社會的關注，奈伊在材料運用、細部設計、空間體驗、加工建造上都追求結(jié)構(gòu)本身與文脈、社會性、使用者之間的平衡，這賦予了結(jié)構(gòu)本身更高的內(nèi)涵。

奈伊的作品涵蓋了豐富的材料種類并且常被別具一格地使用。他認為材料的運用不僅要考慮建造的傳統(tǒng)，還要考慮場地的特殊性[1]。例如作為對海邊場地的一種呼應，Knokke-Heist橋在與地面連接的橋臺上使用了鵝卵石骨料，厚實的底座與地面融為一體，烘托出上部橋體的輕盈飄逸。出島表門橋所使用的氟化乙烯樹脂涂料，則參照了周邊房屋的屋頂瓦片顏色[4]。并且涂料經(jīng)過特殊處理呈現(xiàn)出顆粒質(zhì)感，結(jié)合與周邊屋面瓦片尺度相近的扶手設置，橋梁和出島的風景形成有機的結(jié)合（圖9）。

他還強調(diào)對近人尺度的關注和對節(jié)點的設計——這些都是人感知巨大結(jié)構(gòu)的入口。Centner步行橋以U形截面形狀的鋼板作為整體結(jié)構(gòu)，鋼翼板被用作扶手欄板（圖11）。橋面鋪以輕質(zhì)混凝土，便于行走，同時為鋼結(jié)構(gòu)增加了額外阻尼。橋體沿行進方向的形態(tài)則參照了受力狀態(tài)下的彎矩圖。

通過將數(shù)值有限元分析直接與計算機三維模型建立聯(lián)系，不斷優(yōu)化得到符合力流分布的欄板圖案和厚度。以激光切割減去不承擔力的孔洞，使欄板形成了網(wǎng)狀的效果（圖12）。遠看橋體顯得輕盈靈動，走在橋上則會體驗到變化著的網(wǎng)狀圖案和微妙的光影游戲[5]。Centner步行橋欄板孔洞的設計是將數(shù)字優(yōu)化技術和建造相結(jié)合的典范，它既是結(jié)構(gòu)的需要，也兼顧到使用者的體驗，這一概念之后被運用在奈伊的許多項目之中。

奈伊常常能敏銳地捕捉到場地的特質(zhì)，并反映在結(jié)構(gòu)設計中。這使他的作品呈現(xiàn)出很強的在地性，具有了難得的人文厚度。奈伊為荷蘭海事博物館增建的中庭屋頂使用了鋼和玻璃的結(jié)合，其平面圖案的出發(fā)點是對博物館中16個風玫瑰的等角航線海圖的抽象[6]（圖13）。

作為對既有建筑物的加建，鋼結(jié)構(gòu)屋頂實際上有許多限制因素，如只能由博物館庭院的四個角落抵御鋼結(jié)構(gòu)的水平力。奈伊以二維平面圖形為基礎，以結(jié)構(gòu)要求作為邊界條件，利用計算機動態(tài)數(shù)值找形，最終將其完善為一個結(jié)構(gòu)合理的三維殼體結(jié)構(gòu)（圖14），使中庭屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式與博物館的古典建筑關系和諧，公眾聚集于中庭時似乎與荷蘭航海的歷史緊密聯(lián)系在一起。奈伊的作品以非同尋常的結(jié)構(gòu)形式彰顯自身的同時，既回應了場地，也為公眾創(chuàng)造出了獨特的體驗。

此外，奈伊的團隊利用軟件實現(xiàn)了數(shù)字模型與鋼材制造商使用的工業(yè)數(shù)控制造技術之間的數(shù)據(jù)交互。鋼結(jié)構(gòu)的橋梁得以在工廠預制加工，極大減少了現(xiàn)場的施工時間，并且?guī)缀醪粫绊懙浇煌ê途用裆?實現(xiàn)了公共利益最大化。例如，67m長的Park Spoor Noord橋在現(xiàn)場安裝只花了4個小時[7]（圖15）。

15 安裝中的Park Spoor Noord 橋

當今對非常規(guī)結(jié)構(gòu)形態(tài)的微詞常常聚焦于高昂的造價和對資源的浪費，但是這點在奈伊的作品中卻無可指摘。相反，基于力學計算得到的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的形式，可以大大節(jié)省材料的使用。加之預制化對人工成本的節(jié)省，奈伊的方案常以更低的造價贏得競賽[2]。奈伊認為設計的結(jié)果是對一系列問題的綜合回應，這些問題必須在設計開始就計入考慮，因不同的場地特質(zhì)和力學要求賦予每個方案獨有的形式特點和人文內(nèi)涵。相較于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，奈伊的設計過程是觀念與技術的多維度統(tǒng)合，并且往往具有更加簡潔的形態(tài)，結(jié)構(gòu)的每個部位都表現(xiàn)得恰到好處。概念與建造之間的一致性，也使他的設計與形式主義劃清了界線 。

4 結(jié)語

“結(jié)構(gòu)設計師不同于以結(jié)構(gòu)解析作為使命的結(jié)構(gòu)工程師，而是以設計作為溝通的語言，在建筑設計與構(gòu)架形態(tài)之間架設起觀念與技術的橋梁。[8]”從這個角度來說，奈伊是當之無愧的結(jié)構(gòu)設計師，他“賦形于力”的設計方法以數(shù)字手段實現(xiàn)了從觀念到技術的轉(zhuǎn)化。讓人自然聯(lián)想到20世紀的結(jié)構(gòu)大師——在不得不以桁架、框架解決大量建筑需求之前，在完備的結(jié)構(gòu)規(guī)范和標準代替經(jīng)驗和實驗之前，在文化屬性和美學價值讓步于效率和經(jīng)濟性之前，現(xiàn)代主義也曾有過在“力”與“形”相統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設計道路上的發(fā)展。值得注意的是，機械性與標準化始終是現(xiàn)代主義建筑誕生和發(fā)展的核心，結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)選型方法的確立正是結(jié)構(gòu)領域現(xiàn)代性的表征，卻逐步導致了結(jié)構(gòu)設計在建筑創(chuàng)作中的“失語”。作為對此的反思，20世紀的許多工程師秉持結(jié)構(gòu)表現(xiàn)主義試圖以暴露的結(jié)構(gòu)強調(diào)力的形式，以視覺和知覺的刺激表達運動的美感。

奈伊同這些工程師一樣，證明了“結(jié)構(gòu)設計”在建筑領域的重要性。但是他的作品不是簡單地使用結(jié)構(gòu)符號，也沒有刻意強調(diào)技術，而是對力的表現(xiàn)克制隱忍又恰到好處；他的結(jié)構(gòu)不再具有強烈的物質(zhì)性，而呈現(xiàn)出簡約輕盈的形態(tài)；不再被束縛在既有的體系框架之中，但也具有清晰的結(jié)構(gòu)邏輯。另一方面，奈伊以高度整合的設計方式將多維度的思考濃縮于結(jié)構(gòu)之中，并注入結(jié)構(gòu)以人文關懷和精神內(nèi)涵，使設計飽含詩意。某種程度上，他的創(chuàng)作理念更接近于托羅哈。但與托羅哈不同的是，計算機技術已經(jīng)深度介入到奈伊的設計之中。

對技術的討論一直伴隨著現(xiàn)代主義建筑的發(fā)展。時至今日，第三次科技革命仍在進行，計算機技術得到飛速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)的新技術和新工具為建筑創(chuàng)作帶來了更大的空間。擅長于此的建筑師不小心就會陷入形式主義的泥淖；而結(jié)構(gòu)工程師往往又局限在傳統(tǒng)的選型計算之中，被限制了更多的可能。建筑學作為建立在大量合作基礎上的學科，為應對新技術所產(chǎn)生的更精細的專業(yè)細分愈發(fā)加重了建筑和結(jié)構(gòu)的分裂。奈伊以結(jié)構(gòu)概念為核心，以拓撲關系為基礎，以多重因素的綜合作為操作邊界，利用計算機經(jīng)過不斷優(yōu)化得到最優(yōu)解，其“賦形于力”的方法為我們展示了當今技術在建筑設計上所蘊涵的巨大潛能。另外，他積極探索新材料的使用和建造加工技術，追求新技術與人、環(huán)境的平衡，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，這或許為當下的工程設計和建筑發(fā)展提出了一種可能。

＊注：本研究得到國家自然基金（5197081528）資助。

圖片來源

圖9 來源于文獻[9]；圖14 來源于文獻[6]；圖15 來源于文獻[7]；其余來源于Laurent Ney 工作室網(wǎng)站。