Industrial Construction Vol.51,No.2,2021工业建筑㊀2021年第51卷第2期㊀7㊀结构成就建筑之美拱结构在当代公共建筑空间塑造中的运用刘㊀伟㊀刘㊀明(长安大学建筑学院,西安㊀710064)㊀㊀摘㊀要:实用且精炼的结构体系是塑造建筑内部空间及外部形态的关键因素,也是建筑美学意向得以表达的理性构筑基础,其中拱结构的传统运用已经拓展于建筑的方方面面㊂对于大量公共建筑空间,当代拱结构突破了传统的范式和模板,在博物馆㊁图书馆等公共建筑空间结构的表达中塑造出与众不同的空间场所和氛围,表现出明晰的技术美学特征㊂㊀㊀关键词:拱结构;公共建筑;空间塑造;技术美学㊀㊀DOI :10.13204/j.gyjzG20072903THE BEAUTY OF ARCHITECTURE ASCENDIED FROM STRUCTURE :APPLICATIONOF ARCH STRUCTURE IN SPACE SHAPING OF CONTEMPORARY PUBLIC BUILDINGSLIU Wei㊀LIU Ming(School of Architecture,Chang an University,Xi an 710064,China)Abstract :A practical and refined structural system is a key factor in shaping the internal spaces and external forms ofbuildings,and it also is a rational construction basis for the expression of architectural aesthetics.The traditional useof arch structure has been developed to all aspects of buildings.For large numbers of public building spaces,thecontemporary arch structure has broken through the traditional paradigm and template,created distinctive spaces andatmospheres for museums,libraries and other public buildings by spatial structure forms,expressing clear technical aesthetic characteristics.Keywords :arch structure;public building;space shaping;technical aesthetics第一作者:刘伟,男,1978年出生,博士,副教授㊂电子信箱:404729169@ 收稿日期:2020-07-29㊀㊀在每座优雅或震撼的建筑背后,均有精妙和强大的结构技术予以支撑,结构成就建筑之美 已经在许多建筑创作中得以彰显㊂结构体系的精炼及巧妙运用不仅可呈现出建筑形态的 结构表现 特征,也在技艺结合的语境下将建筑材料的传力机制㊁组合形式㊁色彩质感等各个方面得以完整表达㊂而结构构件作为建筑与结构的共同语言和操作对象,既是建筑空间中分隔与限定的要素,又可成为符合逻辑及韵律的构成元素,在 真实与诗意 的建构法则中体现艺术美感[1]㊂在建筑技术趋于成熟的今天,建筑师更需与结构师密切配合,力求建筑的 骨骼 与 皮肤 相互融合,形成建筑造型与结构受力体系的和谐统一㊂很多大型公共建筑尺度巨大㊁空间丰富,需要与众不同的结构体系来实现大跨度无柱空间㊁超尺度悬挑㊁不规则开洞等空间形态,也可通过对结构构件的优化设计来体现形态塑造中的秩序和韵律㊂因此,精炼㊁合理㊁巧妙的结构,不仅可作为建筑的支承体系,其自身的表现力亦可直观地反映于空间塑造的美学意向之中㊂1㊀拱结构的形态特征在各类结构形式中,拱是一种传统又新颖的结构体系,其运用贯穿于建造美学的发展历史之中,作为结构体系的经典传承,拱结构的传力机制可巧妙地使荷载传递至拱基两侧,其力流的传导方式主要受线形㊁矢跨比㊁截面形式及材料性能的影响,拱的传统矢跨比已达到1/8~2,其高度与跨度的合理变化可以为建筑空间提供丰富的塑形尺度㊂而随着新型建筑材料的出现及其受力性能的不断提升,拱结构的跨度㊁拱形构件的形态以及结构承载效率也得以拓展㊂并且,当代张拉混合结8㊀工业建筑㊀2021年第51卷第2期构如张弦梁的广泛运用也使得拱结构的几何形态更为多样化,不仅单拱通过并列组合与交叉组合可形成无限延伸的建筑空间,设计者还塑造出筒拱㊁拱壳㊁索拱等丰富的空间形式,为建筑赋予了更为新颖且丰富的形象[2]㊂a 达㊃芬奇手稿;b 模型拱桥;c 实际拱桥㊂图1㊀挪威奥斯陆的 里奥纳多桥Fig.1㊀The Leonardo Arch Bridge in Oslo,Norway 人们对拱结构的青睐也一直体现于桥梁和大跨建筑的设计之中,早在1502年,达㊃芬奇就设计了240m 跨长的里奥纳多桥,500年来,这座结构优美又具象征意义的拱形桥一直隐匿于达㊃芬奇的手稿之中,而如今已经依据其设计在挪威奥斯陆建成了一座真实的木结构桥梁㊂该桥具有3个桥拱,垂直拱承载顶部桥面荷载,两个斜拱提供侧向稳定,桥拱弧线直接采用结构力学推力线,形态优美且与结构受力完全匹配(图1)㊂著名建筑师高迪曾说: 自然界中没有直线,直线属于人类,曲线属于上帝㊂[3] 而作为这种特殊曲线的拱如同彩虹一样,更是自然美感的精辟所在㊂在普林斯顿大学建筑学的经典课程中,‘结构工程的美学 拱顶系列课程“是最受学生青睐的一门,可见拱结构之魅力所在㊂拱结构的自然弧线创建出了优雅的轮廓和形态,在传统的大跨建筑中,拱结构作为建筑屋盖的主要支承结构,独立应用或与其他结构合力承受荷载㊂而在当代建筑创作中,设计者越发注重体现结构原真性及结构美学,将拱结构进行创新性运用㊂拱,不仅仅只是单一的结构构件,还与桁架㊁壳体等结构形式相结合,突显混凝土或钢材㊁木材以及张拉体系中的索㊁膜等材料的力学特性及美学特征,化身为空间界面的物化本体㊂因此,当代拱结构的运用目标更富有空间塑造之特性,以结构之妙成就建筑之美,主要体现于空间结构的整合㊁空间氛围的营造㊁空间场所的创新等诸多方面㊂2㊀空间塑造2.1㊀空间结构的整合拱结构从单一的屋顶覆盖到与立面元素的界面整合,通过与支承构件如墙体及柱体的形态整合,使得结构构件更为完整,相应的空间塑造也更为统一㊂从拱结构的传统形制到当代建筑形体的转译,不得不提到日本建筑大师伊东丰雄所设计的多摩艺术大学图书馆,其结构体系是通过一系列简单的混凝土拱门的相互交错及并置,组合形成一个 复杂且紧凑的网格体系 ,拱的跨度从1.6~16.0m 不等,图书馆每3~5个拱结构围合成一个空间单元,并可以满足不同功能空间的尺度要求㊂多个连续拱造成了一种类似 拱廊 的效果,而水平与竖直方向的组合和重复使得拱结构的空间感更加强烈㊂连续拱形结构将整个建筑空间划分成重复且富有韵律的方形和三角形区域,在内部为使用者创造出虽有限定但可自由流转的场所,也使得建筑造型和立面自然地彰显出统一的拱形元素㊂这种整合性的拱结构比传统的 梁板柱 结构更为体系化,也为图书馆塑造出了特色明晰的 领域化 空间(图2)㊂图2㊀东京多摩艺术大学图书馆Fig.2㊀The library of Tama Art University in Tokyo结构成就建筑之美 刘㊀伟,等9㊀多摩艺术大学的整合拱结构和统一用材塑造出了富有趣味性的公共空间,这种 直白 式的结构㊁材料㊁空间所形成的直接性和朴素性,体现出日本建筑师在结构美学方面的传承和文化精髓㊂而在我国,也逐渐出现了许多利用拱结构进行结构整合和空间塑造的精彩作品,比如上海西岸龙美术馆即代表了一种对拱结构的拆解与重构:设计采用独立墙体的 伞拱 悬挑结构,呈自由状布局的剪力墙插入原有地下室与原有框架结构柱浇筑在一起,地下一层的原车库空间由于剪力墙体的介入转换为展览空间,地面以上的空间由于 伞拱 在不同方向的相对联接形成了多重的意义指向㊂机电系统都被整合在 伞拱 结构的空腔里,地面以上的 伞拱 覆盖空间,墙体和天花均为清水混凝土的表面,它们的几何分界位置也变得模糊(图3)㊂图3㊀上海西岸龙美术馆的 伞拱 结构Fig.3㊀The umbrella arch struture of the LongMuseum (West Bund)in Shanghai2.2㊀空间氛围的营造当代许多博物馆建筑也利用了拱结构的起伏,创建出特殊的展示空间,其中间起拱部分可形成放大的空间尺度,均质过渡的形态与支承墙体的结合更加自然,弧形构件形成的线或面在视觉中也更具优雅的美感,并往往结合材料营造出质朴的空间氛围㊂以拱结构来塑造形式单纯的展示空间,不仅可以带来更符合展览功能的空间尺度,并能通过结构秩序㊁材料质感以及光影变幻带来强烈的空间氛围㊂如在陕西富平陶艺博物馆和江西景德镇博物馆的设计中,博物馆的拱形空间原型都源于陶罐㊁瓷器等展品建造胚体的转译 窑 ㊂在前者的设计中,建筑主馆由两个变直径的砖券长管与一个无穹顶的砖拱券连接而成,所用的建筑材料均来自于当地㊂建筑的整个形体设计如同窑炉,成为一个良好的风道,建筑墙体采用半掩土厚墙,热工性能和节能效果都十分优良㊂这座博物馆的设计以传统的建筑形制和简单的建造技术体现出强烈的在地性特征[4]㊂而变径砖拱所形成的强烈韵律,予以了当代公共空间的包容和融合,从而提升了建筑的整体艺术感染力(图4)㊂图4㊀陕西富平陶艺博物馆Fig.4㊀Fuping Ceramic Art Museum in Shaanxi景德镇中国陶瓷博物馆的设计灵感同样来自于砖窑独特的形式,博物馆的形态脱胎于独立体量与拱体单元的旋转及结合,从而避免在场地中规模和尺度过大㊂其更注重考虑的是参观者在整体场地环境中所感受到的空间氛围,希望为参观者提供可以沉浸其中的参观和体验感 博物馆的拱形象征着发掘出的遗迹,而一半的体量仍然在地下㊂它在地上与地下,现代与历史之间,创造了物质与精神上的连接㊂ 因此,建筑师通过一系列拱形结构的运用,创造了连续的展览空间 拱穹,这种空间使得建筑外形也突破了对容器的具象化模拟㊂拱形的博物馆引导游客进入原有的砖窑废墟及遗址,拱壳形态结合砖材材质的肌理,以简单㊁原始的空间氛围激发出人们对展览内容的溯源和联想(图5)㊂图5㊀景德镇陶博物馆中的拱结构运用Fig.5㊀The application of arch structure in Jingdezhen Museumof Chinese Ceramics魏春雨教授所主持设计的田汉文化艺术中心获得了Archidaily 2019年度中国文化类建筑金奖,其10㊀工业建筑㊀2021年第51卷第2期形态对拱顶结构进行了反向的空间操作,以 反拱 的造型赋予建筑以祈天的寓意,希望挖掘田汉先生源于地方的艺术精神,关注 日常性 与 仪式性 二元关系的转换与平衡㊂这种反弧形拱顶是以传统建筑坡屋顶的排水起翘转换而来,并结合弧形摆线修正生成,每跨拱顶通过两侧后退的双柱顶起,跨与跨之间形成类似多米诺的结构体系[5]㊂悬浮的折形和厚重的反弧拱形屋顶展现出质朴和苍劲的氛围,仿佛将建筑置于时间的长轴之上,呈现出纪念性建筑的岁月留痕和历史积淀,营造出了一种具有在地性的精神场所和空间氛围(图6)㊂图6㊀田汉文化艺术中心中的 反拱 Fig.6㊀The anti-arch structure of the Center forTianhan Culture and Art在建筑大师路易斯㊃康所设计的金贝尔美术馆中,其拱形筒壳并不是僵化地模仿半圆形的罗马拱,而是利用了稍平缓的摆线拱,并且受力方式由短向转变为长向,在角部由四根混凝土柱支承㊂结构体系通过各单元之间的间隙以及外墙立面提示出来㊂而日光从每个拱筒的顶部进入一条通长的狭缝,然后再经过顶部的独特的滤光构件反射到拱筒内部,并沿着抛光的清水混凝土材料映射入展览空间(图7)㊂图7㊀金贝尔美术馆中的空间氛围Fig.7㊀The space and atmosphere of the KimkellArt Museum由此可见,金贝尔美术馆的拱形筒壳在顶部是 断开 的,依靠拱底的两组柱子向左㊁右两侧各悬挑了半个拱㊂因此,建筑师和结构师们可以对拱结构进行富有逻辑的空间操作和构型设计,再利用光影和材质,使得展览空间更为纯粹,人们也可以更好地沉浸于空间的游弋㊂无论是整合还是形变,甚至是颠覆,拱结构都可以为空间氛围所服务㊂2.3㊀空间场所的创新空间场所的塑造首先来源于物化实体的界定,符合形式美法则的尺度和比例可以为人们带来满足使用功能的 容器 ㊂在构筑物中,传统的墙㊁顶面㊁柱都是限定空间的主要元素,但也往往给人们明晰的线性及切割的空间感受,缺失了少许趣味性和亲切感㊂而拱结构的自然过渡可以消解各类边界之间的界线,并且通过拱与曲面的贴合及拓扑形变,使得依附于空间变得更为流畅㊂在当代公共建筑中,设计者利用拱结构的形态变化进行了空间创新,而这些新的空间也激发了人们丰富的活动,从而使从场地到场所的美好图景得以实现㊂在BIG 事务所设计的芬兰赫尔辛基中央图书馆中,设计者直接运用了一个巨大的 桥梁 来进行创新性的空间塑造㊂通过在首层空间上方置入跨度超过100m 的不对称拱结构,将入口化身为类似洞穴 的空间形态,与环境形成更为融合的交互场所㊂这个巨大的拱形钢结构外部包覆以钢筋混凝土板,并在其上方巧妙地建立了钢桁架体系,从而在造型上自然地形成了三维曲面形态的凹形空间,使得图书馆的主入口空间与基地中的市民广场形成了无缝衔接㊂拱与顶部桁架组合的创新性的结构方案不仅在首层构建出了延展内外的公共空间,还在桁架体系上形成了图书馆中的 阁楼 空间㊂用于支承顶层的桁架构件甚至也成为人们可以依靠的家具或装置㊂而最上层的无柱空间为市民打造出一个开放性活动平台,为图书馆的来访者们提供了信息传达㊁休憩聚会和观赏风景的场所(图8)㊂与赫尔辛基中央图书馆相似的是:美国费城天普大学查尔斯图书馆也在其入口处运用了巨大的拱形结构,内凹的空间设计在所处街道和场地中展现出一个包容学校和社区的共享姿态,并且也充分展现了空间交互的设计意图㊂这个巨大的曲面结构其实已经从原先截面庞大的拱体化身为空间壳体,于其形态中还结合功能开设了不同的洞口,塑造出相互贯通的空间效果㊂这个曲面屋顶也采用统一的木制材料,将建筑外部空间与室内共享大厅统一在之下,从而也将拱消隐在统一的形体之中(图9)㊂结构成就建筑之美 刘㊀伟,等11㊀图8㊀芬兰赫尔辛基中央图书馆形态及结构Fig.8㊀The form and structure of the central library ofHelsinki in Finland图9㊀费城天普大学查尔斯图书馆的中庭空间Fig.9㊀The atrium of Charles Library for Temple Universityin Philadelphia建筑师还将高耸的木拱界面一直延伸到室内,形成了一个引人注目的三层圆顶中庭,当使用者进入大厅空间之后,开放式直跑楼梯穿插于拱面之中,不规则的弧形窗洞形成了有趣的形态,图书馆的圆顶中庭及天窗也将自然光线很好地引入于建筑室内㊂通过拱结构及曲面屋顶的创新运用,查尔斯图书馆的中庭公共区域成为了当地使用者们最为喜爱的公共场所,空间的吸引力也升华为建筑在城市中所展现出的凝聚力㊂3㊀空间塑造中的结构表现在上述案例中,都可以看到设计者对拱结构的匠心独用㊂很多当代公共建筑设计也越发注重体现结构和材料的原真性,摒弃繁琐的装饰和复杂的表皮,反之以 结构表现 的方式来体现建筑创作中的美学意向,将结构体系优化与彰显结构形态作为建筑的美学表达目标㊂在拱结构中,由于其矢高与跨度的广泛应用范围,可以依据力学性能和材料特质进行直观的空间塑造,并通过对拱结构中的多样构件进行形态设计,为建筑达成符合 力与美 的艺术表达㊂例如在上海M2游船码头的设计中,建筑师采用覆土连拱的形式,利用拱的高度为下层候船大厅提供足够的净高,还以拱与拱之间的缝隙作为上层城市景观休憩通道的花池㊂在结构设计上以 混凝土壳屋盖+钢索框架+屈曲约束支撑 为结构体系,完成了薄壳拱结构体系的当代进化,并通过 暴露 混凝土连拱㊁梭形钢柱及张拉索等结构表达出建筑空间中独有的秩序和张力(图10)㊂a 码头实景;b ϕ180铰接柱(上㊁下收分);c ϕ40钢拉杆;d ϕ200钢拉杆㊂图10㊀上海M2游船码头设计中的 结构表现Fig.10㊀The structural expression in design of cruise terminal M2in Shanghai4㊀结束语从拱结构在当代公共建筑的运用可以看出,拱已不仅仅只是受力结构,更非造作的装饰或刻意的式样,而是以自身优美且富有逻辑的结构形体渗透入了建筑的 身形 之中,对拱的创新性设计和运用也使之成为人们青睐的空间 容器 本体㊂通过建筑师与结构师的协同合作,使得拱结构的简单构形上升至诗意建造,成为建筑美学表达的重要内容,为公共建筑的空间塑造达成技艺结合的高阶目标㊂参考文献[1]㊀冯董,刘征.结构技术成就建筑自然之美[J].建筑与文化,2018(6):98-102.[2]㊀ENGE H.结构体系与建筑造型[M ].林昌明,罗时玮,译.天津:天津大学出版社,2002.[3]㊀袁烽,刘宇扬,曾群,等.建筑与结构之辨[J].建筑技艺,2019(6):12-19.[4]㊀潘飞宇,孟聪龄.基于建筑审美的结构设计:以拱结构在建筑理论中的应用为例[J].城市建筑,2019(10):98-101.[5]㊀余秋雨,徐伟琦.拱结构形态在建筑局部和整体形象的艺术表现解析[J].砖瓦,2015(7):68-72.。
