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结构形态学研究  

2012-11-24 18:32:33|  分类: 形态场动力学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:周 琦  王…
对建筑来说,结构如同人体支撑全身的骨骼,是各部分正常运转的保证。同时,建筑本身的功能要求和审美要求也需要由内在空间和外在形态来共同体现,而结构正是这内在空间和形态得以支撑的基础。

长期以来,建筑师设计的实践过程中,对于内在空间或是外在形态的表达,常常通过基本几何形体发展而来,结构不过是充当那些规则或不规则、夸张或不夸张的几何形态成立的必备条件,单纯提供技术层面上的支持。

难道在设计中,结构的作用仅仅如此吗?

建筑师用以启动设计的,往往是其所理解并一直贯彻执行的设计思想,比如对文脉的理解,对空间的理解,对功能的理解,对环境的理解,或者是对某种特殊的设计逻辑的理解,等等。接下来便是把这些思想通过形式的语言加以具体化。在长期传统美学和形态构成训练的基础之上,建筑师最终会得出优美的建筑形态构成,反复多次之后,建筑设计构思的启动得以完成。

值得关注的是,在这样的设计过程中,结构到底是被搁置在怎样的地位——与文脉、空间、功能、环境相比较,是否拥有与这些要素相对等的地位,足以成为启动设计构思的关键所在?

国外随着工业的进步,针对结构的理论学说及其相关的表现手法得到了很大程度的加强,出现了诸如罗杰斯(Richard Rogers)、皮亚诺(Renzo Piano)、奥托(Frei Otto)等一批以结构作为主要表现手段的建筑师和一系列紧密结合结构的优秀作品。

那么,同样有理由相信,随着国内工业的高速发展,这种和制造紧密结合的设计手法将会拥有更广阔的施展空间。

因此,进行建筑结构形态学研究,从结构构思出发,旨在突破传统的结构形态设计,在结构选型的基础之上,以力学原理与曲线形态的结合为核心,通过非对称、不均衡等造型手法的运用,创造出结构构件与整体形态动态平衡效果的设计方法。

动态结构的形态,在遵循传统次序、韵律等建筑审美的同时,又会以丰富多样、新颖独特的结构形态作为建筑造型空间的主要表达手段,通过自身的美学原则、形式语言与设计逻辑给人以强烈的视觉冲击与心理震撼。

内在结构逻辑与外部视觉造型的推敲,往往在两个层面上同步进行,造型的节奏、韵律、变化等设计手法要与结构的合理巧妙的受力形态相呼应,而结构中的拉力、压力、剪力、扭力等受力元素也会直观的体现到造型当中去。

在实际操作过程中,由于环境条件,文化背景,项目性质的差异,顺应生态环境,节约使用能耗,呼应地方文化,表现时代精神等不同的具体目标,在结合结构和造型设计之后,也被融入到整体建筑设计之中体现出来。

所以,建筑结构形态研究,既是一次对当代新材料、新技术背景下结构形态发展特点的总结,又是对一种通过结构设计逻辑来启动设计的方法的全新探索,最后,也将会是一次建筑技术美学和多种不同内容有机综合的大胆尝试。

结构与造型的互动——广东东莞同沙大桥设计

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结构的形态设计中,总是会充满各种力的作用,如果很好的顺应力的作用,按照科学的方式表现力的感觉,不仅能够有效的回避难以处理的技术矛盾,还可以取得各种新奇的效果。其中,曲线特有的动态效果在造型设计中有着无与伦比的优势,曲线像是直线受到外力作用下产生变形后的状态,因而具有恢复原来形状的视觉心理,这是人们完形心理的一种表现。所以,相对于直线,曲线显得更加柔美而具有动感。对曲线造型的理解和应用,就成为了动态结构构思的重要出发点之一。

同沙大桥在桥体与主索的形态设计方面就集中了大量的曲线元素,这主要是通过结构形态研究来实现的。为了在视觉上达到动态的平衡美感,设计以一根主索横跨大桥上空,与桥体形成X型交叉形态。将主索与桥体之间的次索和辅索连接之后,在自然受力的状态下,主索形态就根据受力的变化而变形,形成近似S型的弯曲形态(图1)。

同时,主索的最终受力形态在设计阶段是不确定的,因为在桥体的结构形态设计中,主索与次索之间的张力、次索与刚性桥面之间的锚固作用是一种非均衡性的空间受力状态,因而主索与次索的走向是非常复杂的空间曲线,只有在施工过程中不断的调整,才能将其形态最终定型(图2)。

这种结构形态的不确定性和自然受力下形成的非对称的动态平衡正是大桥结构形态的魅力所在,这种空间曲线在给人以强烈视觉冲击力的同时,在受力形态上也完全合理,是动态结构设计的一大特色(图3)。

结构与节能的结合——中国药科大学体育馆设计

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中国药科大学体育馆(图4)的设计同样突出了曲线的动态感,它是通过结构形态在均衡条件下的非对称手法来完成的这一目标的。这座学校体育馆占地12000平方米,建筑高度22.5米,固定座位1600座,结构跨度73.5米,是一座体量中等的大跨结构建筑(图5)。设计通过一大一小两个曲线桁架结构体系分别覆盖辅助功能性用房与大跨体育活动用房两个性质不同的空间类型(图6),其桁架交接处固定端通过其下方混凝土结构固定。

对称性结构的重心往往是在其几何中心处,而在体育馆的结构形态中,由于小体量空间覆盖了两层的混凝土结构用房,其荷载比较大,结构重心发生了偏移。于是,体育馆大小两个体量在形态上给人以不均衡,向一侧倾斜的视觉效果;但另一方面,小跨桁架覆盖的复合空间与大跨桁架覆盖的的单一空间在结构上的重心正好处于两个桁架体系的交接处,因而又产生了结构合理条件下的视觉动态平衡(图7)。

同时,设计还重点着眼于打造一个能应对南京当地“两季”气候特征的节能型生态型体育建筑,曲线造型能大大减小风压和维护面面积,既有利于减少热能流失和结构损耗,又有利于自然光线的入射(图8)。

设计深化的过程中,在整体设计和综合考虑的基础上尽可能减少一次性投入费用和日常能耗,试图以高效的技术手段创造出健康舒适的建筑人工微气候。在确立了主体结构为框架结构体系,屋面为大跨钢结构的基础上,在施工设计中又采取了三项独特措施(图9):

地下通风系统——在建筑物之下敷设一条长800米,截面宽2.5米,高2米,埋深6米的盘旋地下通风管道(图10)。整套设施的运作首先通过其位于地表以上的送风口由若干风机进风,地表空气进入地下管道进行长距离运动,过程中充分与地下土壤进行热交换,从而达到在夏季使空气变冷,冬季使空气变热的效果。之后,经过预冷或预热的空气再经由十个均匀分布的出风口进入约3000平方米的主会馆(图11)。

金属维护面系统——设计方案具有极强的造型整体性,屋面系统作为外维护面的延伸,是设计中的重点。在设计中选用了直立锁边金属屋面系统(图12)。其构造层自外而内分别为1.0mm厚直立锁边铝镁锰合金屋面板,100mm厚玻璃丝棉带单层铝箔防潮层,铝合金固定座带隔热垫、镀锌钢丝网,檩条,40厚袋装玻璃丝棉,浅色打孔压型穿孔铝板(孔径3,孔距5,穿孔率≥30%)。经过调整后的设计从屋面构造、材料性能及施工工艺上保证建筑物防水、抗风、抗变形、保温、隔音、排水、防雷、防火等技术和功能要求(图13)。

自然采光——天然采光是实现室内环境自然化的主要策略(图14)。因此体育馆的天窗和侧窗设计成为了重点(图15)。在每榀大工字梁之间设高1.2米的北向通长采光带,保证会馆内充足的光线的同时,同时避免了眩光;出挑深远的檐口为各个方向的高侧窗遮挡大部分直射光线;遮阳百叶让自然光线经过多次漫反射由这些采集口进入体育馆中(图16),可以保证均匀的照度,创造出充满自然气息的室内空间环境。

结构与地域的统一——宁夏电视塔综合体设计

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通过结构形态与受力分析的研究,宁夏电视塔综合体摆脱了传统钢筋混凝土单筒式塔身在造型上的束缚,采用“倒三角”式拉索桁架结构体系,通过塔身核心筒、楼板层以及顶部的拉索形成一个由下到上向外发散式的结构形态,内拉索结构是整个结构体系得以稳定的重要结构要素(图17)。既取得了颠覆性的视觉效果,又清楚的传达了力学传递途径:

结构的主要受力体系由塔外侧6根弧形柱(2根柱为一组)、顶部6根拉索(两根拉索为一组)、内部钢筋混凝土核心筒和连接于弧形柱间的巨型桁架所构成,结构整体上将楼层分为3段,位于结构的上部、中部和下部(图18)。

水平方向——有楼层处,结构的外柱与内筒通过楼面梁、支撑及索相连,具有整体性和良好的水平刚度,在无楼层处,外柱不与中心筒连接,仅靠外柱和内筒各自自身刚度形成结构整体式水平刚度;竖直方向——塔身核心筒有效传递自身重力荷载,而外侧6根发散弧形柱则由顶部斜向拉索平衡自身重力下产生的巨大侧推力(图19)。

造型设计中,曲线再次成为最主要的视觉元素。构成外轮廓的3组弧形柱,形态呈内收状,由下向上逐渐变大,顶端与内拉索相连(图20);在结构细节处理上,弧形柱之间的曲线桁架连接构件、圆形拉环与拉索等等结构构件的曲线形态处理,也在反复强调结构形态的动感。

同时,作为未来西北地区的第一高度,宁夏自治区的区域标志,银川市的城市象征,宁夏电视塔综合体同时又需要具备标志建筑应有的地域特色,拥有鲜明的可识别性。因此,结合当地浓郁的民族风情和宗教传统,结合结构,又在造型设计中引入回族文化因素。

在弧形柱之间采用曲线桁架,除了突出结构形态的动感,也呼应了当地回教建筑中被反复使用的拱券母题(图21)。同时,作为塔上最为显著的标记和视觉焦点,塔顶部分的造型又对塔刹形式进行抽象。使得宁夏电视塔综合体既是一个极具时代感和技术美的现代建筑,又可以融入当地特有的文化环境当中(图22)。

结构与象征的隐喻——2010年上海世界博览会中国馆方案设计

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2010年上海世界博览会中国馆设计方案是对结构形态研究进行的一次阶段性总结。

中国馆的设计方案中,综合了社会的工业、信息、生态和数字技术(图23)的成就,运用有机及仿生技术结合象征手法,带来复杂而具有表现力的建筑形式,充分展示了中国的发展状况。并且提出最适宜性技术的口号,采用适应中国、适应长江中下游地区的技术手段,达到可持续发展的目的(图24),并借助全新的数字化设计方法,应对当前严峻的社会环境问题。

这种有机形态采用装配式薄壳结构,结合仿生学完型形态的设计,具有整体性强,主从分明,重心突出等特点。采用短距标准受压构件形成交错网格,构成壳体结构。网壳轻盈,有四个支点落地,配合围合体系,形成多点支撑的整体性结构体系(图25)。
历届世博会都凝聚了人类科技重大进步及历史文化发展的结晶,又切实展示举办国的综合国力。建筑活动作为社会生产的重要环节,往往从侧面展示出一个国家工业水平和科技成就。中国2010年上海世博会,也将体现21世纪中国改革发展的巨变,科技的进步与腾飞给世界带来的深远影响。

在历史的启示下,融科学、文化、技术于一体,中国2010年上海世博会中国馆设计方案(图26)选择有机的原创形式来体现国家形象和时代特点,运用理性的分析,合理解决功能,设计新型结构,以求达到纯净完整的形式,同时展现中国的发展与腾飞,寓意世界的和平和繁荣。

以2004年的东莞同沙大桥为起点,到2008年正在进行中的宁夏电视塔综合体设计,再一直追溯到已经建实施或正在进行之中的设计案例(图27),结合在教学活动中的有关高层建筑的研究,从最初赋予建筑动态造型形式的探索,不断向前发展——对环境的尊重,节能的考虑,地域特色的表达,文化传统的认同,都被逐一融入到结构设计逻辑的体系之下。

以结构逻辑来启动设计的方法而延伸出去的道路,渐渐容纳了更多的内涵。现代的技术,新兴的思想和时代的美学通过建筑得以全面体现。从结构形态研究的过程中提炼出来的,不仅仅是形式的决定性意义和自我塑造的能力,还有对功能、建构、生态、材料、经济、文脉的多重思考。

事实上,无论以怎样的构思为起点,从步入实际操作的那一刻起,设计所面对的就不再是单纯形式的问题,更需要同时处理技术问题、环境问题、经济问题、文化问题,甚至走得更远。是否这就是日益复杂的现实社会对于建筑师养成全面解决问题的综合能力而提出的更高要求?

通过业已结束或者仍在过程之中的这些案例,而寻找得来的建筑结构形态研究的方法,这些抱负,或许,更在形式的问答之外。

以2004年的东莞同沙大桥为起点,到2008年正在进行中的宁夏电视塔综合体设计,再一直追溯到已经建成、付诸实施或者仍在进行之中的设计案例(图27),同时结合在教学活动中的有关高层建筑的研究,结构形态学的探索,正在不断地向前发展——

从最初赋予建筑动态造型形式,时至今日,对环境的尊重,节能的考虑,地域特色的表达,文化传统的认同,都被逐一融入到结构设计逻辑的体系之下。

以结构逻辑启动设计的方法而延伸出去的道路,渐渐容纳了更多的内涵——

现代的技术,新兴的思想和时代的美学通过建筑得以全面体现。从结构形态研究的过程中提炼出来的,不仅仅是形式的决定性意义和自我塑造的能力,还有对功能、建构、生态、材料、经济、文脉的多重思考。

事实上,无论以怎样的构思为起点,从步入实际操作的那一刻起,设计所面对的就不再是单纯形式的问题,更需要同时处理技术问题、环境问题、经济问题、文化问题,甚至走得更远。是否这就是日益复杂的现实社会对于建筑师养成全面解决问题的综合能力而提出的更高要求?

通过业已结束或者仍在过程之中的这些案例,寻找得来的建筑结构形态研究的方法,这些抱负,或许,更在形式的问答之外。

 

本文转自:http://www.chinaacsc.com/attention/ShowArticle.asp?ArticleID=2331&Page=1

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