基于體量消減與復(fù)合重構(gòu)的柱元形態(tài)研究

王興鴻 戴航 強(qiáng)歡歡 Wang Xinghong Dai Hang Qiang Huanhuan

1 柱元與結(jié)構(gòu)

文藝復(fù)興時(shí)期，建筑師帕拉迪奧（Andrea Palladio）說：“每一部分都應(yīng)處在其恰當(dāng)?shù)奈恢谩谡w中，每一部分都要受到尊重，并且它們之間以及它們同整體之間要彼此協(xié)調(diào)”[1]。從英國索爾茲伯里的史前巨石柱、原始棚屋的柱、中國古代建筑的木柱，到希臘羅馬成熟的柱式，再到現(xiàn)代勒·柯布西耶多米諾體系中的柱，以及當(dāng)代建筑中形態(tài)各異、功能不同的柱，柱元在不同材料、不同結(jié)構(gòu)體系中都充分發(fā)揮著重要作用——傳遞豎向荷載和抵抗側(cè)向彎矩。工程師在一些市政工程的設(shè)計(jì)建造中首先實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的真實(shí)表達(dá)，例如1937年完工的由約瑟夫·施特勞斯（Joseph Baerman Strauss）設(shè)計(jì)的金門大橋中的柱塔，以及1939年由愛德華多·托羅迦（Eduardo Torroja）設(shè)計(jì)的Alloz輸水道等[2]。

“在所有建筑藝術(shù)的組成中，你會發(fā)現(xiàn)柱子一定是最先值得關(guān)注的元素”[3]，萊昂·巴蒂斯塔·阿爾伯蒂（Leon Battista Alberti）的這句話充分說明了柱在建筑中的重要性。結(jié)構(gòu)構(gòu)件是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的部分之一，只有在特定的秩序和邏輯協(xié)同作用下，才可能實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整高效的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。作為傳遞豎向力的主要載體之一，柱元在結(jié)構(gòu)體系中至關(guān)重要，也最容易獲得表現(xiàn)力。西德設(shè)計(jì)師柯特·西格爾（Curt Siegel）結(jié)合靜力學(xué)圖解，從骨架、V形支座等方面全面透徹地分析了結(jié)構(gòu)構(gòu)件（尤其是柱元）的設(shè)計(jì)原則和表現(xiàn)，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件形態(tài)對結(jié)構(gòu)體系和建筑表現(xiàn)的作用，為設(shè)計(jì)者提供了切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法。維奧萊·勒·迪克（Viollet le Duc）于1864年的V形柱實(shí)踐和那不勒斯火車站設(shè)計(jì)方案都是經(jīng)典案例。

2 體量消減的柱元形態(tài)

2.1 基于截面組織

斷面消減是將截面較大的柱元以平面構(gòu)件為基本元素，在合理分配拉力和壓力的前提下進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)理想的受力狀態(tài)并達(dá)到視覺上的形態(tài)消減。

在受力方面，斷面消減后的格構(gòu)柱元系統(tǒng)很好地解決了大跨超高空間的結(jié)構(gòu)支撐問題，改善了側(cè)向荷載作用下的抗彎性能，從而適應(yīng)以柱元力流傳遞為原則布置的格構(gòu)桿件，有效節(jié)省了結(jié)構(gòu)用材，更有助于緩解由結(jié)構(gòu)材料堆砌而產(chǎn)生的視覺壓力。在形態(tài)方面，線性構(gòu)件和點(diǎn)的連接使格構(gòu)柱元的力學(xué)邏輯清晰可辨，帶來了新的藝術(shù)體驗(yàn)。同時(shí)，在空間有效利用方面，可以在格構(gòu)化的柱元內(nèi)部空間布置設(shè)備或管線，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的整合及空間的高效利用。板片柱是在保證豎向荷載抗力性能的前提下，為提高柱元構(gòu)件在單一維度內(nèi)的抗側(cè)向力性能而進(jìn)行體量消減后形成的。柱元單一維度的拓展削弱了原有形態(tài)的厚重感，提供了一種獨(dú)特的視覺體驗(yàn)，而多個(gè)柱元在不同方向上的體量消減使結(jié)構(gòu)更加合理高效，帶來建筑空間的視知覺感受。

宮本勝浩（Katsuhiro Miyamoto &Associates）設(shè)計(jì)的長野褚善寺講堂采用了板片柱，借助現(xiàn)代混凝土技術(shù)，以曲面屋頂回應(yīng)了基地與環(huán)境的關(guān)系，營造了寺院內(nèi)寧靜悠然的佛教文化氛圍（圖1）?，F(xiàn)澆混凝土板片柱消減了原有四方形柱元的體量，3個(gè)不同方向的板片柱有效承接了曲面混凝土屋面的豎向荷載，并順利地轉(zhuǎn)換了側(cè)向荷載產(chǎn)生的彎矩，以輕巧的柱元體量組織了柱元截面，創(chuàng)造了講堂公共空間的特征性和開敞度（圖2）。

索線是一種非常高效的受拉元素，主要適用于木材和鋼材，通過在原有柱中加入一個(gè)或多個(gè)橫向撐桿形成整個(gè)系統(tǒng)，可以使柱頂端所受的豎向荷載得到釋放，讓柱的“壓”和鋼索的“拉”同時(shí)發(fā)揮作用，壓曲應(yīng)力通過索線回歸到柱本身，形成一種高效的抗力機(jī)制。

在尼古拉斯·格雷姆肖（Nicholas Grimshaw）設(shè)計(jì)的牛津滑冰館中，豎向支撐便是一個(gè)清晰且引人注目的實(shí)例（圖3）。主要的豎向荷載集中在交叉地基上的4組柱中，2個(gè)是柱的樁基，另外2個(gè)則是錨固點(diǎn)。這個(gè)巨大的單體建筑用2個(gè)高33m的桅桿來實(shí)現(xiàn)，桅桿采用3個(gè)螺栓連接的截面，既簡化了結(jié)構(gòu)尺度和繁復(fù)計(jì)算，也避免了現(xiàn)場焊接，減少了工程量（圖4）。屋面鋼架通過2個(gè)桅桿結(jié)構(gòu)吊起，拉壓的結(jié)構(gòu)組合使結(jié)構(gòu)效能大大提升。

伊東豐雄（Toyo Ito）1999年為羅馬國家現(xiàn)代美術(shù)館競賽提供的設(shè)計(jì)方案（圖5）是結(jié)合索線進(jìn)行抗壓曲設(shè)計(jì)的精彩案例。在這個(gè)方案中，伊東將本來只有結(jié)構(gòu)作用的柱巧妙地轉(zhuǎn)化成光與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一體——在承擔(dān)豎向傳力作用的同時(shí)，將柱作為建筑中引入自然光的“通道”（圖6），實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一[4]。在羅馬，因?yàn)闊o需考慮地震引起的橫向作用力，柱只作為抵抗重力的結(jié)構(gòu)，在中柱周圍布置的8根鋼絞線不僅吊起了二層樓板，同時(shí)也防止12m高的柱在豎向力的作用下產(chǎn)生壓曲，合理提高了鋼柱的結(jié)構(gòu)安全性。如圖7所示，結(jié)構(gòu)師佐佐木睦朗（Mutsuro Sasaki）為了實(shí)現(xiàn)建筑師積極引進(jìn)自然光的目的，提出用36根纖細(xì)、通透的管柱形成“新鋼構(gòu)架多米諾體系”方案[5]，達(dá)到了建筑、結(jié)構(gòu)和功能的高效整合（圖8）。

伊東在2002年設(shè)計(jì)的奧斯陸項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)體系，是對仙臺媒體中心SMT系統(tǒng)的進(jìn)一步嘗試（圖9）：格構(gòu)化的柱元截面更大，桿件更加自由，管柱空間更加通透。項(xiàng)目中的格構(gòu)柱元從簡單格構(gòu)出發(fā)，經(jīng)過對荷載形式、受力大小和結(jié)構(gòu)構(gòu)件組織配置等方面的綜合分析考慮（圖10），形成了更加纖細(xì)、更具趣味性的一體化柱元系統(tǒng)[5]（圖11）。

由PRAUD設(shè)計(jì)的拉脫維亞尤爾馬拉Liesma酒店方案，則是另一個(gè)橫向截面擬形柱的實(shí)例（圖12）。設(shè)計(jì)師主要考慮兩方面概念：一方面是利用一個(gè)架起的空間容納休閑娛樂功能區(qū)域，強(qiáng)調(diào)音樂酒店的主題；另一方面則是通過底層架空釋放出巨大的開放空間，從城市、景觀的角度理解建筑，并在方案中做出回應(yīng)。值得注意的是，為了使架空的底層空間獲得更大的開放性，建筑師將普通框架結(jié)構(gòu)中的豎向支撐合并成了5組巨大的豎向格構(gòu)化承力“柱”，支撐其上巨大的方形體量（圖13）。在這里，格構(gòu)柱元系統(tǒng)很好地完成了結(jié)構(gòu)和空間的雙重要求[6]。

通過放大和重組柱元橫截面對荷載的抗力機(jī)制來實(shí)現(xiàn)柱元體量的消減，截面形式與格構(gòu)兩種方式都拓展了傳統(tǒng)柱元形態(tài)，甚至將“柱”本身作為建筑的空間來使用，消解了傳統(tǒng)意義上的“柱”體量，提高了結(jié)構(gòu)效能，使建筑更滿足空間經(jīng)濟(jì)學(xué)的要求。

福斯特設(shè)計(jì)的香港匯豐銀行大廈中的柱也是高度復(fù)合化的。從外觀上看，暴露在大廈立面上的鋼柱和鋼桁架以其巨大的尺寸及獨(dú)特的形態(tài)，展現(xiàn)了其前衛(wèi)、高技的特征，最大程度地暴露結(jié)構(gòu)但又不失現(xiàn)代主義氣息，穩(wěn)重而無突兀之感（圖14）。大廈的結(jié)構(gòu)體系利用8組高度不等的復(fù)合鋼柱，將33個(gè)使用層分5級斜向吊掛，每一層級由2層高的桁架結(jié)構(gòu)承擔(dān)起4～8層使用空間，同時(shí)向上逐漸遞減。懸吊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的使用，加之設(shè)計(jì)中將服務(wù)功能用房、設(shè)備井道等安排在復(fù)合柱的外側(cè)，使高層建筑的使用空間得以最大化。8組復(fù)合柱將樓層平面從南到北分成3個(gè)寬16.2m的開間，東西2組復(fù)合柱相隔3.5m。由于8組復(fù)合柱高度不等，樓層平面的開間數(shù)也隨其所處的高度而變化。復(fù)合柱組截面尺寸為4.8m×5.1m，其中底層復(fù)合柱四角為4根1 400mm×100mm的鋼管柱，且截面尺寸向上逐漸減小，到頂層處截面僅為800mm×40mm（圖15）。豎向荷載通過樓面?zhèn)鬟f給復(fù)合柱，懸掛的方式使得樓面受力趨于均布荷載，等同于復(fù)合柱所承擔(dān)的豎向荷載與樓板所承擔(dān)的水平荷載。同時(shí)，柱兩端的懸挑部分使得樓板的應(yīng)力變小，又因復(fù)合柱的截面較大且為格構(gòu)狀，使得結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好（圖16）。在建筑內(nèi)部，室內(nèi)空間具有了最大的開放性，復(fù)合柱之間以用于聯(lián)系的X形構(gòu)件裝點(diǎn)，也豐富了空間效果。

拉科斯特和史蒂文森（Lacoste+Stevenson）設(shè)計(jì)的UTS科技樓裙樓方案（圖17），其獨(dú)特的“柱”造型成為方案中最引人注目的創(chuàng)新之處。設(shè)計(jì)對普通圓柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)擬形處理，將材料完全邊緣化，并根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析所受應(yīng)力大小進(jìn)行透空處理，原本笨重的普通圓柱變得非常輕薄，帶來輕、薄、透的空間感覺（圖18）[7]?！爸锌罩弊鳛榭臻g之間的過渡，使裙樓內(nèi)部空間的層次更加多樣，更具趣味性。頂層的柱內(nèi)空間還可以用作綠化，形成富于變化的院落式空間效果。較前幾個(gè)截面力學(xué)擬形的案例來說，這個(gè)案例雖然沒有將柱內(nèi)空間作為建筑空間使用，但因其“柱內(nèi)空間”的放大使得其他“柱外空間”也變得特別起來，這也是結(jié)構(gòu)思維指導(dǎo)下產(chǎn)生的全新的空間體驗(yàn)（圖19）。

柱元形態(tài)拓展在體量消減方面的表現(xiàn)由力學(xué)理性邏輯主導(dǎo)，而拓展后的柱元形態(tài)則內(nèi)在地反映出豎向構(gòu)件荷載傳遞和彎矩轉(zhuǎn)換的邏輯，使構(gòu)件形態(tài)、傳力機(jī)制和形態(tài)特征得到有機(jī)統(tǒng)一。為抵抗柱元的壓曲變形和扭轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需主要關(guān)注如何通過柱元形態(tài)來抵抗豎向荷載，并通過截面形態(tài)重組消減柱元體量，從而保持結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的高效性，同時(shí)，還需考慮如何借助柱元的表現(xiàn)形態(tài)反映結(jié)構(gòu)的受力變形趨勢，體現(xiàn)力學(xué)和形態(tài)的有效整合。

1 長野褚善寺講堂

2 講堂的板片柱

3 牛津滑冰館的柱元

4 牛津滑冰館柱元的組織

2.2 基于透明

在柱元設(shè)計(jì)中，改變材料屬性可以消減柱元體量，塑造透明的形態(tài)，玻璃在這里起到了至關(guān)重要的作用。

玻璃自重僅為2 500kg/m3，強(qiáng)重比優(yōu)于普通鋼材[5]。但玻璃是典型的脆性材料，抗壓性能遠(yuǎn)高于抗拉性能，用于結(jié)構(gòu)建造時(shí)應(yīng)最優(yōu)先考慮其抗拉性能，以解決抗拉、抗彎強(qiáng)度不足的問題，提高柱元及結(jié)構(gòu)體系的效能。

雖然玻璃的抗壓強(qiáng)度較高，但應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)時(shí)還應(yīng)采取進(jìn)一步增強(qiáng)其性能的措施。例如，疊加玻璃片形成矩形、圓形實(shí)體柱；采用十字形、筒形、中空矩形等玻璃柱形態(tài)以減少結(jié)構(gòu)材料用量，提高結(jié)構(gòu)效能；在筒形玻璃柱中增加鋼索并施以預(yù)應(yīng)力，通過鋼索的“拉”進(jìn)一步提高玻璃柱的抗壓性能。

第一個(gè)采用玻璃柱元作為豎向支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)例是由布魯奈特和索尼埃（Brunet &Saunier Architecture）于2000年設(shè)計(jì)的法國圣日耳曼萊昂市政中心中庭（圖20）。為打造一個(gè)更為透明的公眾接待空間，體現(xiàn)政府的開放性，中庭采用12根十字形帶鋼銷的玻璃柱和環(huán)形玻璃結(jié)構(gòu)撐起700m2的鋼構(gòu)架屋面，并在IPE工字鋼部位加入索線分擔(dān)部分玻璃柱的荷載，從而加強(qiáng)屋架結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。玻璃柱身采用220mm×220mm、高3.2m的十字形構(gòu)造模式，由1塊220mm、2塊95mm寬度的三級夾層熱強(qiáng)化玻璃板膠粘形成，中間層的玻璃板較厚為15mm，由兩邊10mm的玻璃板保護(hù)，十字柱的柱頂與柱腳采用“靴子般”的鋼銷構(gòu)造以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度[9]（圖21）。玻璃柱元大大消減了豎向受力構(gòu)件的體量，實(shí)現(xiàn)了空間通透度的最大化。

5 羅馬國家現(xiàn)代美術(shù)館競賽方案

6 羅馬國家現(xiàn)代美術(shù)館競賽方案中光的“通道”

7 羅馬國家現(xiàn)代美術(shù)館競賽方案的“新鋼構(gòu)架多米諾體系”

8 羅馬國家現(xiàn)代美術(shù)館競賽方案中柱元細(xì)部設(shè)計(jì)

9 奧斯陸項(xiàng)目

10 奧斯陸項(xiàng)目格構(gòu)柱元的異化

11 奧斯陸項(xiàng)目柱元與空間

12 Liesma 酒店

13 Liesma 酒店結(jié)構(gòu)體系

14 香港匯豐銀行大廈復(fù)合柱元

15 香港匯豐銀行大廈柱元配置關(guān)系

16 香港匯豐銀行大廈復(fù)合柱元的拉壓模式

17 UTS 科技樓裙樓

18 UTS 科技樓裙樓管壁柱元鏤空形態(tài)

19 UTS 科技樓裙樓荷載分析

在由高技玻璃有限公司（HI-TEC-GLAS）設(shè)計(jì)研發(fā)的全玻璃結(jié)構(gòu)支撐住宅中，豎向支撐全部采用全透明管狀玻璃結(jié)構(gòu)體（圖22），這種以玻璃作為直接支撐構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造模式，為當(dāng)代追求極度透明性和開放性的玻璃建筑的建造施工提供了新的可能性。管狀玻璃柱系統(tǒng)由管狀硼硅酸玻璃體、兩端套筒及中部鋼索組成（圖23），在住宅實(shí)例中，由雙層玻璃結(jié)構(gòu)柱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)屋面結(jié)構(gòu)受力的豎向傳遞，中間層的木板加強(qiáng)了橫向聯(lián)系，增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]。透明的玻璃柱結(jié)構(gòu)材料模糊了室內(nèi)與室外的界限，將景觀充分引入室內(nèi)，同時(shí)使室內(nèi)空間更加開放?；诓牧系慕ㄔ鞂?shí)現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，也為建筑空間的曖昧性提供了邏輯支撐[11]。

位于萊茵河邊的夏季學(xué)院展廳由馬庫特和海爾波（Marquardt &Hieber）設(shè)計(jì)，該建筑的豎向荷載全部由玻璃柱元直接支撐，其單層玻璃結(jié)構(gòu)支撐起了480m2的全透明空間（圖24）。6組間隔布局的“柱盒”支撐起32.5m×15m、使用歐洲標(biāo)準(zhǔn)IPE360型工字鋼的屋頂，使得總重28t的屋頂漂浮于5m高的空間之上，每個(gè)柱盒尺寸為3.8m×1.25m，由外側(cè)2層10mm熱強(qiáng)化玻璃面板和內(nèi)側(cè)19mm加熱預(yù)應(yīng)力玻璃面板組成[9]。設(shè)計(jì)師采用特殊的構(gòu)造方式，巧妙規(guī)避了玻璃材料的結(jié)構(gòu)性能劣勢：首先，將普通“柱”的尺度進(jìn)行消解，利用柱盒提高玻璃的結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)作為固定展品的陳列櫥窗；其次，在玻璃柱與梁、基礎(chǔ)的連接位置采用鋼構(gòu)件連接，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)處的抗力性能；另外，玻璃柱內(nèi)外采用不同強(qiáng)度和特性的玻璃，提高柱元抗水平荷載的能力，進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系整體剛度（圖25）。玻璃作為結(jié)構(gòu)材料使漂浮的巨大屋頂成為可能，這既是展覽場所，也是被展覽的藝術(shù)品。

紐約第五大道蘋果店將玻璃作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用發(fā)揮到了極致，如展亭一樣的形態(tài)打造了一個(gè)夢幻的高科技體驗(yàn)場所（圖26）。無論是支撐結(jié)構(gòu)還是圍護(hù)材料均用玻璃完成，僅在細(xì)部采用尺度很小的角鐵狀鋼構(gòu)件和螺栓。展亭采用框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以片狀玻璃板為柱元和梁元傳遞豎向荷載并跨越空間，玻璃柱則由雙片玻璃板與連接鋼構(gòu)件拼接而成（圖27,28）。柱元由3塊玻璃板在垂直維度內(nèi)交替布局，重點(diǎn)位置與圍護(hù)材料相連接，加強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的抗力性能，使玻璃柱結(jié)構(gòu)體系更加高效。

20 法國圣日耳曼萊昂市政中心的中庭

21 法國圣日耳曼萊昂市政中心柱元構(gòu)造

22 高技玻璃有限公司的住宅玻璃柱

3 復(fù)合重構(gòu)的柱元形態(tài)

3.1 力的復(fù)合

力的復(fù)合是柱元形態(tài)的另一種拓展，是基于整體結(jié)構(gòu)體系的荷載模式、力流傳遞、抗力特征及構(gòu)件布局等要素，對柱元進(jìn)行整合以獲得更為高效的結(jié)構(gòu)體系及空間形態(tài)的重構(gòu)方式。在這種復(fù)合表現(xiàn)中，柱元形態(tài)在力學(xué)與美學(xué)上都顛覆了傳統(tǒng)模式，以高效的結(jié)構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的空間體驗(yàn)。

日本神奈川工科大學(xué)KAIT工房是拉壓復(fù)合的典例，由70后建筑師石上純也（Junya Ishigami）于2009年主持完成（圖29）。建筑整體所追求的輕盈通透和空間曖昧，是通過突破傳統(tǒng)審美與常規(guī)尺寸的“極細(xì)柱元”實(shí)現(xiàn)的。KAIT工房給人的第一印象可能只是一堆雜亂的柱子撐起了一個(gè)玻璃盒子，但建筑師為了達(dá)到空間、形體的要求，與結(jié)構(gòu)工程師小西泰孝（Yasutaka Konishi）對每個(gè)柱子的位置、尺寸與方向進(jìn)行了長達(dá)3年的分析研究。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，小西泰孝利用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)：先將壓力構(gòu)件就位去承受屋頂?shù)闹亓浚缓髮? 990m2的板面模擬施加雪荷載，當(dāng)屋頂受力變形降到某個(gè)高度時(shí)，才將梁架位置的拉力構(gòu)件與地面連結(jié)，最終形成穩(wěn)定、高效的結(jié)構(gòu)體系（圖30）。整棟建筑的每個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)都順應(yīng)結(jié)構(gòu)工程師的邏輯，僅允許微量變形以達(dá)到其所預(yù)定的尺寸，甚至連屋頂?shù)男顾露榷伎紤]在內(nèi)[12]。在當(dāng)代結(jié)構(gòu)技術(shù)和施工工藝的支持下，設(shè)計(jì)對傳統(tǒng)多米諾體系進(jìn)行了改造，提高了結(jié)構(gòu)的抗力性能。拉壓復(fù)合重構(gòu)在實(shí)現(xiàn)建筑形態(tài)和空間效果的同時(shí)，減小了柱元斷面尺寸，節(jié)省了結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)自重，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)體系的抗力性能。因?yàn)橛辛松鲜鲱A(yù)應(yīng)力板的重組，新結(jié)構(gòu)體系中的柱元自然而然地表現(xiàn)為受壓柱和受拉桿兩種形態(tài)（圖31）。經(jīng)仔細(xì)研究，項(xiàng)目突破了傳統(tǒng)矩陣式柱網(wǎng)，采用非勻質(zhì)化布局，42根柱子作為支撐垂直荷載的壓力柱，263根柱子作為平衡結(jié)構(gòu)體系的拉力桿，共同完成了整個(gè)結(jié)構(gòu)體系。柱元截面均為矩形，最薄的拉力構(gòu)件尺寸為16mm×145mm，最厚的壓力構(gòu)件尺寸為63mm×90mm[13]。通過拉壓復(fù)合，KAIT工房整體結(jié)構(gòu)的抗力性能得到了極大提高。受豎向荷載時(shí)，力流通過板和受壓構(gòu)件傳遞；受水平力作用時(shí)，力流通過板與受拉構(gòu)件傳遞（圖32）。

另外，汶登鎮(zhèn)的雞蛋展覽館也是基于拉壓復(fù)合重構(gòu)完成的（圖33）。展館由建筑師烏爾麗克·沙爾特納（Ulrike Schartner）和亞歷山大·漢納（Alexander Hagner）為雞蛋收藏藝術(shù)家昆斯特·艾爾（Künstler Eier）設(shè)計(jì)，給收藏品提供了最佳的觀賞角度，并釋放底層建筑空間，使建筑完全融入周邊環(huán)境之中。結(jié)構(gòu)利用2根受壓鋼柱和邊緣穩(wěn)定鋼索形成豎向和水平受力體系（圖34），一層樓面采用鋼構(gòu)井字梁式樓板結(jié)構(gòu)，將井字梁在檐部向上折曲以支撐上部結(jié)構(gòu)體系，并給一層空間提供較寬闊的視野。建筑底層2根鋼柱刻意向不同角度傾斜，一定程度上為建筑增加了視覺上的動感。施工中首先建起2根鋼柱，然后在矩形四角豎起4根臨時(shí)支柱，再將樓面結(jié)構(gòu)就位，建造膠合木結(jié)構(gòu)檐部和屋頂，并加入索線系統(tǒng)穩(wěn)定底層，最后撤除角點(diǎn)4個(gè)臨時(shí)支柱。復(fù)合后的結(jié)構(gòu)體系在穩(wěn)定性和剛度方面都達(dá)到甚至超越傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求，實(shí)現(xiàn)功能、空間、結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，是對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的高效改造[14]。

一體化復(fù)合采用整體式結(jié)構(gòu)思維，將柱元系統(tǒng)與梁元、板元等相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行整合式一體化設(shè)計(jì)，通過平衡荷載模式與力流傳遞，實(shí)現(xiàn)柱元的重構(gòu)表現(xiàn)。

在倫敦希斯羅機(jī)場5號航站樓中，多個(gè)復(fù)合柱元構(gòu)件支撐起46.5萬m2的候機(jī)大廳（圖35）。理查德·羅杰斯（Lichard Rogers）和阿勒普公司（Arup Assosiation）設(shè)計(jì)了復(fù)雜的組合柱元構(gòu)件：以鋼管高強(qiáng)的抗壓能力和鋼索優(yōu)越的抗拉性能，完成了對柱元的復(fù)合重構(gòu)，用輕盈的結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了巨大的空間跨度。

23 高技玻璃有限公司的玻璃柱元連接構(gòu)件

24 夏季學(xué)院展廳全透明界面

25 夏季學(xué)院展廳抗側(cè)向力圖解

26 紐約第五大道蘋果店

27 紐約第五大道蘋果店玻璃柱構(gòu)造細(xì)部

28 紐約第五大道蘋果店柱與梁的連接構(gòu)造

29 KAIT 工房室內(nèi)柱元

30 KAIT 工房整體結(jié)構(gòu)模型

31 KAIT 工房兩種不同作用柱的截面幾何形狀

32 KAIT 工房兩種柱在不同作用力之下的變形

33 雞蛋展覽館

34 雞蛋展覽館結(jié)構(gòu)體系

35 倫敦希斯羅機(jī)場5 號航站樓

36 倫敦希斯羅機(jī)場5 號航站樓柱元的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

37 倫敦希斯羅機(jī)場5 號航站樓三維Y 形柱元的組織

在這一復(fù)合柱元結(jié)構(gòu)中，4根受壓構(gòu)件和2根受拉桿件以復(fù)雜而精細(xì)的中部節(jié)點(diǎn)鉸接（圖36），結(jié)構(gòu)力流的傳遞得到了更加合理的分配。當(dāng)豎向荷載作用時(shí)，Y形柱上部4個(gè)枝狀受壓撐桿將屋面及梁元構(gòu)件的荷載匯聚到中部鉸接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再經(jīng)由下部腿形支撐構(gòu)件傳遞到基礎(chǔ)；當(dāng)水平荷載作用時(shí)，鉸接節(jié)點(diǎn)可以有效化解構(gòu)件之間的彎矩，柱元端部的受拉構(gòu)件則高效發(fā)揮其平衡作用以達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（圖37）。建造復(fù)合柱元時(shí)，先將兩側(cè)的柱元構(gòu)件就位，再將帶有索線固化的梁元體系從地面逐步抬升到復(fù)合柱元頂端并以鋼構(gòu)鉸接點(diǎn)連接[15]。柱元在拉力和壓力構(gòu)件的復(fù)合中高效地發(fā)揮了鋼材“拉”與“壓”的性能，實(shí)現(xiàn)了支撐構(gòu)件在大跨結(jié)構(gòu)體系中的復(fù)合表現(xiàn)。

瑞士盧森火車站候車廳的柱元系統(tǒng)也采用一體化的復(fù)合方式，實(shí)現(xiàn)了力與形的藝術(shù)表達(dá)（圖38）。在該項(xiàng)目中，圣地亞哥·卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava）將鋼材的“拉”與混凝土的“壓”一體化復(fù)合：連接柱元頂板與梁元中心的索線以拉應(yīng)力的形式平衡了梁元產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，并將其轉(zhuǎn)換至柱梁的節(jié)點(diǎn)復(fù)合（圖39），豎向荷載通過內(nèi)傾的混凝土構(gòu)件和豎向的梭形鋼柱分散傳遞。連續(xù)的異形頂板與16根復(fù)合柱元系統(tǒng)相連接，增加了立面的動感，并體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的邏輯美感。

38 盧森火車站候車廳

39 盧森火車站候車廳復(fù)合柱元系統(tǒng)

3.2 材料的復(fù)合

材料的復(fù)合表現(xiàn)是柱元重構(gòu)表現(xiàn)中非常重要的一部分，設(shè)計(jì)針對各類結(jié)構(gòu)材料的不同力學(xué)性能，將“拉”與“壓”復(fù)合重構(gòu)，充分發(fā)揮各類材料的性能優(yōu)勢，在節(jié)省材料的同時(shí)使構(gòu)件邏輯更加清晰、建筑形式更加優(yōu)美。鋼與混凝土的復(fù)合模式在柱元表現(xiàn)中尤為突出，隨著現(xiàn)代建筑對跨度和高度的要求不斷提升，勁型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用愈加廣泛，鋼材良好的抗拉、抗彎性能與混凝土優(yōu)異的抗壓性能相結(jié)合，形成外鋼內(nèi)混凝土或外混凝土內(nèi)鋼的形式，可以極大提升結(jié)構(gòu)效能，尤其是內(nèi)鋼外混凝土的材料復(fù)合形式，可以利用外圍的混凝土保護(hù)防火性能較差的鋼材，優(yōu)勢更為明顯。

伊東豐雄的多摩藝術(shù)大學(xué)圖書館就采用了外混凝土內(nèi)鋼的復(fù)合形式。為了與傾斜的基地環(huán)境、周邊公園以及建筑保持協(xié)調(diào)和延續(xù)，讓視線和行為可以自由貫穿，設(shè)計(jì)師在建筑底層設(shè)計(jì)了一條穿越校園的通道，并在結(jié)構(gòu)上采用了非規(guī)則型柱網(wǎng)配合勁型混凝土骨架體系，實(shí)現(xiàn)自由的建筑空間，使建筑與環(huán)境、地形相得益彰[16]。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用異形柱梁現(xiàn)澆工藝，形成豐富的拱形空間，混凝土包裹著腹板為16mm的異形工字鋼，實(shí)現(xiàn)了厚度僅為200mm的結(jié)構(gòu)體系。工字鋼腹板散布50mm和150mm的孔洞，不但在最大程度上減輕結(jié)構(gòu)自重，更有利于在工字鋼兩側(cè)進(jìn)行混凝土現(xiàn)澆作業(yè)，提升其貫通性以增強(qiáng)材料復(fù)合的整體性和荷載的均勻分布（圖40）。拱形柱元的非規(guī)則布置帶來了更加輕盈柔美的趣味性空間體驗(yàn)，穿梭于這些精心設(shè)計(jì)的拱形結(jié)構(gòu)之間，可以感受到時(shí)間與空間的變幻交織。

姚仁喜設(shè)計(jì)的中鋼集團(tuán)總部大廈的柱元也采用了勁型鋼筋混泥土作為結(jié)構(gòu)材料。工字鋼結(jié)合現(xiàn)澆混凝土完成對跨度和高度的結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)，表皮雙層幕墻系統(tǒng)由鋼結(jié)構(gòu)支撐，方形體量建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由核心筒加外圍柱元系統(tǒng)組成，其中4個(gè)疊加的多面體以沿折線布置的柱元系統(tǒng)表現(xiàn)鋼與混凝土的結(jié)構(gòu)和藝術(shù)魅力（圖41,42）。

同樣由伊東豐雄設(shè)計(jì)的巴塞羅那格蘭維亞會堂則以外鋼內(nèi)混凝土的形式完成，遍布建筑室內(nèi)的異形柱元支撐起整個(gè)會堂，形成別樣的空間體驗(yàn)。柱元帶有6個(gè)凹槽，凹槽的形態(tài)結(jié)合外鋼內(nèi)混凝土的復(fù)合材料截面，提高了柱元的抗壓曲性能和抗震能力（圖43），鋼作為混凝土的模板，帶來了“像森林一樣向各方延伸的異質(zhì)空間”[17]。施工中先在柱點(diǎn)位置按照凹槽的形狀配置異形鋼筋，之后吊裝鋼柱就位，將預(yù)留的鋼筋與頂板的鋼筋網(wǎng)連接，當(dāng)所有柱元就位后再澆筑頂板結(jié)構(gòu)。

40 施工中的多摩藝術(shù)大學(xué)圖書館

41 中鋼總部42 中鋼總部柱元系統(tǒng)

4 結(jié)語

本文從柱元的材料建造、荷載模式、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等方面對柱元形態(tài)進(jìn)行了深入闡述，梳理了柱元結(jié)構(gòu)、建造和材料邏輯的形態(tài)表現(xiàn)方式，系統(tǒng)總結(jié)了柱元形態(tài)設(shè)計(jì)的部分方法和策略，以期從柱元構(gòu)件設(shè)計(jì)映射結(jié)構(gòu)技術(shù)原理并生成邏輯關(guān)系，為建筑設(shè)計(jì)提供參考。柱元的多元化形態(tài)演繹模式隱含著內(nèi)在的技術(shù)邏輯關(guān)系，重構(gòu)思維為柱元的形式拓展提供了3個(gè)切入點(diǎn)，而如何在提升結(jié)構(gòu)效能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件形態(tài)優(yōu)化則是形態(tài)拓展的落腳點(diǎn)。

（1）維度拓展從二維的平面形式開始，在力流的合理分配和不同節(jié)點(diǎn)連接邏輯的指導(dǎo)下，整理荷載傳遞的不同方式和形態(tài)呈現(xiàn)的內(nèi)在聯(lián)系；三維的空間形式更有利于結(jié)構(gòu)性能的發(fā)揮，空間V形、空間樹形、空間異化的方式符合技術(shù)邏輯的合理性和高效性；一體化思維的引入為柱元設(shè)計(jì)提供了整合思維的實(shí)踐，柱與梁（板）的一體化模式以內(nèi)在的技術(shù)邏輯表達(dá)了柱元的流動性。

（2）體量消減為柱元的形態(tài)設(shè)計(jì)提供了視覺上的通透性和感受上的連續(xù)性：截面的消減以荷載和材料的重新配置為依據(jù)，減除荷載極小或力流傳遞路徑之外的材料，呈現(xiàn)出格構(gòu)化的豐富表現(xiàn)力；基于透明的消減可以凸顯玻璃材料的透明性優(yōu)勢，通過構(gòu)件的合理組織達(dá)到視覺消減和空間獨(dú)特表現(xiàn)的目的。

（3）柱元形態(tài)復(fù)合重構(gòu)的內(nèi)在技術(shù)邏輯從荷載和材料的復(fù)合出發(fā)，對柱元構(gòu)件進(jìn)行材料再分配和力流再組織。力的復(fù)合充分發(fā)揮出柱元本身的抗壓特性，并結(jié)合具有高強(qiáng)抗拉性能的構(gòu)件對荷載傳遞和力流組織進(jìn)行重組和再配置，以高效的結(jié)構(gòu)性能呈現(xiàn)出異質(zhì)性的形態(tài)表現(xiàn)。材料的復(fù)合則是抽取各類材料的最佳抗力性能進(jìn)行重構(gòu)，以更加高效的結(jié)構(gòu)邏輯得到柱元形態(tài)的表現(xiàn)力。

43 巴塞羅那格蘭維亞會堂鋼混凝土復(fù)合柱元分解

表1 柱元的形態(tài)拓展

圖片來源

1,2 來源于www.dezeen.com

3,4 來源于grimshaw-architects.com

5-9,10,11 來源于文獻(xiàn)[5]

12,13,17-19 來源于文獻(xiàn)[28]

14,15,26-28,38,39 來源于文獻(xiàn)[29]

20,21,24,25 來源于文獻(xiàn)[9]

22,23 來源于文獻(xiàn)[11]

29,30 來源于文獻(xiàn)[30]

33,34 來源于www.werkraum.com

35-37 來源于文獻(xiàn)[15]

40 來源于文獻(xiàn)[31]

41 來源于文獻(xiàn)[32]

16,31,32,42,43 作者自繪

表1作者自繪