建筑材料与建筑形式

建筑材料与结构设计理念结构工程的发展，自工业革命以来发生了几次井喷式的大发展，产生过许许多多的优秀工程师和美轮美奂的传世之作。既然题目限定为近百年来，为方便起见，我把叙述范围限定为自20世纪初以来大规模应用于建筑结构领域的新材料，包括钢筋混凝土、高强结构钢、钢索、玻璃、膜、现代意义上的工业加工木材。讨论的范围不包括新材料的本构关系与其力学性能、计算方法之间的关系，仅着眼于新材料与结构体系、结构选型之间的关系。此外，我把范围限定在我比较熟悉的建筑结构领域，不涉及不熟悉的桥梁结构、隧道结构、道路结构等其它领域。如此一来，这个问题就相当于一篇20世纪初以来建筑结构材料与建筑结构形式之间的关系的综述。水平有限，不能提纲挈领，只能管中窥豹，分成几个部分说一下自己的理解，不当之处，还请大家指正。钢筋混凝土→结构艺术钢筋混凝土出现于19世纪末期，在20世纪初开始大规模应用于建筑结构领域，并迅速得到广大结构工程师的喜爱。即使在21世纪的今天看来，钢筋混凝土依然是人类所能想到的最完美的建筑结构材料。不仅仅是力学性能、耐久性、经济性能优秀，更重要的是，混凝土具有前所未有的极其优异的可塑性能，让人类终于可以完成自由形状的结构形式。各种各样的几何形状，只要你想得到，并且能用木材、塑料、或者钢材做出模板来，在其中浇筑混凝土就能得到这个形状的混凝土结构。结构设计与雕塑艺术的界限变得模糊起来，这一点是钢材、木材、砖石材料几乎永远无法做到的。从20世纪初期一直到20世纪六十年代的这段时间可以说是钢筋混凝土发展的黄金时期，活跃于这期间的多位“钢筋混凝土诗人”把混凝土结构的艺术推上了一个又一个高峰。这些杰出的工程师包括但不限于：罗伯特·迈拉特、爱德华·托罗哈、费利克斯·坎德拉、奥韦·阿鲁普、海因茨·伊斯拉。最上图是费利克斯·坎德拉1957年设计的罗斯马南泰阿斯餐厅，跨度30米的花瓣状壳体厚度仅为4厘米，堪称是整个结构工程历史上的不朽杰作。左下图是爱德华·托罗哈1951年设计的正十二面体煤炭仓库，充分体现了混凝土结构的可塑性能。右下图是奥韦·阿鲁普（奥雅纳的创始人，其实奥雅纳就是他名字Arup的官方文雅化的翻译）1933年与建筑师勒贝特金合作设计的伦敦动物园企鹅池，两块受扭的曲线混凝土板，隐喻了企鹅摇摇摆摆的憨态可掬。虽然这些混凝土艺术品用料很省，本身又有极大的美学价值，但它们的最大缺点就是需要大量的劳动力，复杂模板的搭设、钢筋网片的布设，这些工序必须现场手工完成，无法工业化操作。20世纪70年代以后，随着劳动力价格的持续上涨，这类混凝土结构的施工费用水涨船高，在高度工业化的钢结构的竞争下彻底丧失了经济优势，逐步退出历史舞台。自20世纪70年代以后，除了瑞士的海因茨·伊斯拉还在坚守着混凝土艺术最后的余辉之外，混凝土壳体几乎销声匿迹。不过，近些年来约格·施莱希和其它工程研究人员和工程师提出了用充气气球替代传统模板、用喷涂速凝混凝土替代传统混凝土的工艺，也许在未来还能看到混凝土艺术重新活跃在结构工程的舞台上。钢筋混凝土和钢材→结构框架与建筑外皮的分离梁柱框架可以称之为20世纪的代表性结构体系，这样的结构形式不可能由之前占主导地位的砖石材料实现。框架结构的概念在20世纪初期出现，随着弯矩分配法、D值法等力学计算方法的成熟和钢材、钢筋混凝土这两种合适材料的发展而迅速普及。框架体系的意义在于使得结构骨架与建筑外皮彻底分离，一定意义上，结构工程师与建筑师的职责彻底分道扬镳。对于砖石砌体结构，建筑表皮和结构骨架其实是同一个东西，就是那些厚重的砌体墙。框架结构的出现，不仅仅让结构高度可以提高、重量可以减轻，更重要的是，它让建筑物的外皮彻底解放，不再承担任何结构作用。这一条是很多建筑创作的前提，也是勒·柯布西耶现代建筑五原则的必备条件。从此，建筑可以不再是千篇一律的砖石墙体。里面是同样的结构框架，外面的表皮可以随心所欲，玻璃、石材、砖头、塑料、金属、木材、竹子、泥坯、乐高...几乎任何材料都可以充当建筑墙体。右上图是高迪1910年设计的米拉公寓，左图是设计于1925年的外滩12号汇丰银行大楼，右下图是设计于2003年的同济大学土木学院楼。三者看上去极不相同，但在结构意义上其实是一样的，都是钢框架。拿掉米拉公寓的奇幻风格的外墙、汇丰银行大楼富丽堂皇的外墙、同济土木楼板材和玻璃的外墙，剩下的结构骨架几乎是一样的。尽管像渡边邦夫这样的工程师认为这种隐藏结构骨架的做法是一种不诚实的设计，但总体来说，它造就了我们今天所见的建筑外观百花齐放的局面。高强混凝土→超高层建筑20世纪30年代的纽约处在高层建筑发展的井喷期，克莱斯勒大厦、帝国大厦都是这个黄金时代的产物。但这些钢框架结构的潜力有限，帝国大厦的高度已经是这一类结构形式的极限。随着60年代法拉兹·汗提出筒体结构的新概念，高层建筑才正式步入超高层时代。希尔斯大厦和纽约世界贸易中心双子楼，都是钢筒体，虽然结构效能很高，但对于工业基础薄弱的非欧美国家来说，可能还是太过昂贵。而应运而生的高强混凝土，既能满足筒体结构的需求，又能维持较低的结构造价，真正做到了让超高层建筑在全球范围内遍地开花。上海浦东陆家嘴的金茂大厦和环球金融中心，都是混凝土筒体的典型。内部一个巨大的高强混凝土筒体，外部8根或者4根巨型柱，再配合加强层伸臂桁架和外围环带桁架，就构成了这些超高层的主要受力体系。包括台北101、马来西亚石油双塔、以及国内大量的类似超高层建筑，都是如此。作为结构工程的里程碑，828米高的迪拜塔采用的也是混凝土束筒外加鱼骨状翼墙体系。强度等级C80乃至C100以上的混凝土的应用，让超高层建筑不再遥不可及。高强结构钢→超现实结构随着建筑思潮的发展，建筑的语义、文脉发生了剧烈的变化，出现了很多前所未有的设计。我用“超现实结构”这个词，指代类似CCTV新楼、鸟巢、深圳证券交易所这样的新奇结构。20世纪40年代到50年代是混凝土壳的鼎盛时期，现在则是空间钢网格结构的时代。现代的高强结构钢，以各种各样的形式出现在建筑结构中，把一个个令人瞠目结舌的设计从蓝图变为现实。左上图是塞西尔·巴尔蒙德为雷姆·库哈斯操刀的CCTV新楼，俗称“大裤衩”，抛开造价、景观、社会影响等其它因素，单从建筑结构出发，它是一个前所未有的尝试。它的网格立面同时也是它的抗侧力钢筒体，网格布局按照应力分布进行布置和调整，倾斜双筒体加连体大悬臂，放在以前，没有人敢想象这样的建筑结构。右上图是塞西尔·巴尔蒙德所在的奥雅纳为库哈斯操刀的深圳证券交易所新楼，大体量悬挑，又是一个超现实构想。左下图是塞西尔·巴尔蒙德为伊东丰雄（今年普利茨克奖得主）操刀的蛇形画廊，匪夷所思的钢网格体系。右下图的仙台媒体中心也是伊东丰雄的代表作，同样也是一个超现实钢结构。与其合作的佐佐木睦朗设计了钢束筒和蜂窝状钢楼板，用类似造船的工艺来造房子，这在以前也是不可想象的。钢索→张拉整体体系从力学概念上来说，轴心拉压的效率要远胜受弯，但之前的砖石材料几乎没有受拉性能。随着钢索这种具有极强受拉能力的材料出现，全部构件都保持轴心受力状态的结构体系成为现实。这也就是最早由巴克明斯特·富勒提出的所谓张拉整体体系（著名的富勒烯就是为了纪念他）。左图中美国艺术家KennethSnelson的作品NeedleTower就是一件张拉整体体系的艺术品。右图中约格·施莱希设计的罗斯托克展览会的标志塔也是如此。在实际工程领域，约格·施莱希的施梅豪森核电站索网冷却塔和基乐斯山索网观光塔都是张拉体系的例子。左图中是施梅豪森核电站索网冷却塔，建成于1974年，1991年因为电站停止运营而被炸毁。施莱希非常惋惜和遗憾，十年后，在施莱希的大力推动下，右图的这座索网观光塔在斯图加特落成。一方面是为德国和谐社会添砖加瓦，另一方面也可以看作是施莱希对自己之前被强拆掉的杰作的缅怀和纪念。即使在常规结构体系的局部也可以应用张拉体系，最常见的就是张弦梁体系，比如浦东机场的大跨度候机楼，采用的就是张弦梁。随着高铁建设热潮的兴起，部分新建的高铁车站也采用了张弦梁。玻璃+索网→索网玻璃体系一定意义上，建筑是一门操纵光的艺术。玻璃是完成这个使命的绝佳材料，早在中世纪的大教堂里，彩色玻璃已经开始充当极其重要的角色。但受制于玻璃本身的力学性能，其应用受到了很多限制。随着现代钢材的发展成熟，由纤细的金属框格甚至是金属索网搭配玻璃组成的玻璃穹顶或者幕墙得以实现。大家最熟悉的例子应该是贝聿铭的卢浮宫金字塔。约格·施莱希的大批作品都堪称是索网玻璃体系的精品，比如上图中的汉堡城市历史博物馆玻璃屋顶和下图中的慕尼黑凯宾斯基酒店玻璃幕墙。膜材料→膜结构/充气结构20世纪涌现的众多优秀新材料之一就是膜材料，虽然过去也有类似概念的膜材料和膜结构，比如游牧民族的毡房，但其性能、耐久性都不太令人满意。现代膜材料的出现为现代轻型结构的设计提供了新的选择。弗雷·奥托与约格·施莱希设计的1972年慕尼黑奥运会主体育场就是现代膜结构的代表作。此外，膜材料还为充气结构的实现提供了绝佳的材料。充气结构可以分为两种。第一种是作为主体结构的充气结构，比如上图中川口卫设计的1970年日本大阪世博会上的富士馆，就是一个典型的充气结构。日常生活常见的各种商业活动放置的充气拱门，也可以看做这样的充气结构。第二种则是作为局部结构的充气结构，比如水立方的ETFE膜充气气泡外墙。对于水立方追求的这种特殊视觉效果，玻璃、塑料等传统材料都不太合适，可能只有充气膜能完美的达成这种朦朦胧胧的设计意图。现代工业化木材→现代木结构木材是一种历史很悠久的建筑结构材料。在我国主要是以穿斗框架的形式存在，在北美的拓荒期则是那种原木垒成的小木头房子。随着现代木材工业的建立，天然木材进一步深加工为类似型钢的标准化“型木”以及其它胶合木材、复合木材，木材的利用效率和应用范围得到了大幅提高。尤其是工业标准化的所谓2乘4体系，在北美地区已经成为绝对的市场主流，超过80%的北美住宅都是采用工业标准化木材的木剪力墙体系。木材的力学性能虽然不是很突出，但其强度质量比相对比较高，且受拉受压性能平均，有一定的延性，可以看作是整体弱化了的钢材。从这一点出发，木材也能达成类似于钢材的效果。二战前夕，因为纳粹德国疯狂备战，民间金属资源短缺，工程师只能采用木材代替钢材，上图中位于伊斯马宁的这座纯木结构的通信塔高度为惊人的164米，德国工程师的能力简直让人难以置信。上图为当代德国工程师约格·施莱希2002年设计的罗斯托克会展大厅，木结构空间网格筒壳，可以与钢结构空间网壳相媲美，而又具有木材所带来的特殊美感。橡胶材料/软钢材料→消能减震装置随着设计理论的发展，设计思路和指导思想也在发生变化，比如对于抗震设计，已经从砖石结构的“硬抗”转为消能减震装置的“四两拨千斤”。随着现代橡胶、软钢这些合适材料的出现，消能减震装置真正开始大规模应用在抗震设计中。比如基础隔震技术已经在日本得到了相当程度的推广应用，也就是整个建筑结构不与地基土接触，所有的柱子都落在橡胶垫上。软钢、橡胶等各种粘滞材料构成的耗能阻尼器、耗能支撑等等也取得了大范围的应用。总结材料和形式是结构工程的一体两面，缺一不可。人类历史上罕见的天才达芬奇构想了很多新颖合理的设计，但受限于当时的材料水平，很多都无法付诸实施，只能停留在纸面上；同样，我们有了钢筋混凝土，但如果没有配套的新的合理的设计理论，还是停留在用混凝土块垒长城、垒金字塔的水平，那现代建筑结构就无从谈起。其实不只是结构工程，在机械工程、航空工程、工业工程等其它领域也是如此，只有材料应用和设计理论的协同发展，才能取得新的工程学成就。图片来源罗斯马南泰阿斯餐厅JotDownCulturalMagazine正十二面体煤炭仓库伦敦动物园企鹅池PenguinPoolLondonZoobyBertholdLubetkin外滩汇丰银行大楼外滩12号汇丰银行大楼米拉公寓德国凯撒旅游集团同济大学土木大楼http