全部
文章
视频
旅行报名
招聘信息
有方服务
按发布时间
按浏览量
按收藏量
条搜索结果
暂无数据

很抱歉,没有找到 “” 相关结果

请修改或者尝试其他搜索词

登录
注册
忘记密码
其他登录方式
返回
忘记密码
确认修改
返回
请登录需要关联的有方账号
关联新账号
关联已有账号

由一张桌子引发的结构思考 | “强结构”系列讲座实录

由一张桌子引发的结构思考 | “强结构”系列讲座实录
编辑:彭紫琦 | 2022.04.29 14:33

△ 讲座视频回顾

 

 

强结构——由一张桌子引发的结构思考

主讲、校订:曹婷 / 哈尔滨工业大学(深圳)

整理:王琪、崔春晓 / 哈尔滨工业大学(深圳)

 

很高兴能有这个机会跟大家一起讨论结构在建筑设计中的意义,这也是我们组织这次系列讲座要跟大家传达的一个非常重要的概念:结构除去承重作用之外,是如何塑造建筑的形式、空间,如何影响建筑内部人的活动与感知,甚至去创造建筑的社会意义及价值的。

 

我今天的讲座是给大家普及基本知识的科普性讲座,通过对案例的分析跟大家解释“结构不仅仅只能承重作用”这句话的内涵,以及强结构的概念是怎么通过对结构的基本操作表现出来,又是如何影响建筑的形式与空间。所有的案例都基于图解静力学进行了一个直观和定性的分析。

 

讲座实录 ©有方

之前有观众提问,在所谓结构导向型的建筑设计中,建筑师的作用是什么?实际上对于建筑师来说,如果他们想要在设计中引入结构的思考,他们并不需要非常详细复杂的计算,而更多需要的是一种定性而非定量的思考方式;这种思考方式实际上也是ETH(苏黎世联邦理工学院)的结构教学的基本出发点。建筑系的学生们在进行设计的时候,很大程度上需要的是直观的定性理解。

 

图解静力学作为一种图示化的工具,它可以把形式和力非常直观地联系起来,这就是为什么它能更容易被建筑师和建筑系的学生接受, 更容易把结构跟建筑设计结合起来。如果大家对图解静力学有兴趣的话,在最后我会跟大家推荐一本书,它从零开始利用图解静力学解释了一些基本的结构原理性知识。对于建筑师来说了解原理是非常重要的一件事。

 

 

“强结构”与桌子

 

今天的讲座题目是“由一张桌子引发的结构思考”。之所以要提到桌子,因为它是我们生活中最常见的一种结构形式,然而又非常容易被忽略。我们都知道桌子是用来放东西的,它起到了一个承重的作用。但是在承重作用之外,它还能表达什么样的含义,还有什么样的意义?很少有设计师或者日常使用者会去思考这个问题。

 

其实在建筑中,跟桌子承重原理类似的是板柱结构或梁柱结构,它们往往也容易被忽略。对于使用者来说,空间中的柱子或是墙这种竖向结构,时常让使用者觉得非常烦恼,因为他们就像障碍物一样,总是碍手碍脚。对于设计师来说,他们也会把结构忽略掉。设计师往往在一个建筑设计完成后,才把梁柱体系或是板柱体系当作一种额外的异物硬塞进去。这种硬塞结构的方式是强结构理念所反对的。强结构提倡建筑师在设计的过程中,主动引入结构,让结构积极参与建筑形式与空间的塑造过程,进而影响空间中人的活动,自然而然地塑造建筑的形式。

 

讲座实录 ©有方

今天的讲座我会跟大家讲,如果我们想用结构来表达空间、塑造建筑形式的话,可以通过哪些具体的操作手法或者是策略,把我们常见的板柱结构或者梁柱结构,转化成可以积极定义空间和形式的建筑实体

 

 

桌子的三类变形操作方式

 

在这里我把它归结成三大类:竖直系统的变化(像柱子、墙体的变化),水平系统的变化(像板、梁的变化),以及竖直和水平系统的整合(这种结构里柱、墙和楼板的边界都已经消失,所有形式的竖直和水平部分都融为了一体)。

 

图1:桌子的三类变形操作。 曹婷绘制

竖直系统的变化

 

第一个案例是一个看起来非常平淡无奇的小房子。它是1920年在北欧芬兰建造的一个木制小教堂。我之所以把这个案例放在最前面,是因为想跟大家强调,我们说的“强结构”去塑造空间与形式,并不是说这个结构要以一种非常夸张或者非常新颖的造型去引起人的注意;我们说的“强结构”,是设计师在设计的过程中,积极主动地让结构参与到建筑的空间和形式的塑造中去。对于板柱体系或者梁柱体系来说,这种结构体系自身没有任何问题,有问题的是建筑师如何去使用它。不对的使用方式是:我们已经设计好了一个建筑,确定了所有的平立面之后,再把板柱体系或梁柱体系作为一个异物硬塞进去。这种操作方式和行为是不对的,而板柱体系和梁柱体系自身并没有什么错。

 

木教堂正是一个说明这个问题的好例子。它的竖向结构很简单,整整齐齐地排着,但却很重要地影响着建筑的空间。教堂内部空间是一个比较神圣、一般是规则的向心性空间(图3),而房子的基地是在一个森林里面(图2)。任何人要进入教堂的神圣性空间之前,都会穿越这样一片森林,而森林的空间是由很多树随机构成的,会给路过的人带来一种随机自由的空间体验。要从这样的一种随机自由的空间,进入到一个向心性、神圣性很强的空间里面,需要一个过渡。

 

在这个设计中虽然也用了柱子,但设计师首先用柱子的向心性去塑造了教堂内部的神圣空间,同时也用柱子实现了这种神圣空间和外部森林的自由随机的空间之间的过渡。在教堂的部分,它的柱子向心性地排放,与上面的穹顶结合在一起,围合出一种规则的、具有神圣氛围的空间。而在连廊部分,设计用了4排柱子,作为森林的随机空间和神圣空间之间的一个过渡。这个柱子是规律排布的,所以它在一定程度上回应教堂内部空间的规则性;而密度和排列的方式,又跟森林的树木所塑造的随机空间有一定的相似性。所以在这个案例中,虽然也用了柱子,但柱子积极地参与了建筑设计的过程,它基于场地,实现了两种不同性质空间的过渡,因此我们也可以称之为“强结构”。这是我想用这个案例跟大家表达的一个观点。

 

图2:Wood land chapel ©FEDERICO COVRE 图片来源:https://divisare.com/projects/386787-gunnar-asplund-federico-covre-woodland-chapel-skogskyrkogarden
图3:Wood land chapel ©FEDERICO COVRE 图片来源:https://divisare.com/projects/386787-gunnar-asplund-federico-covre-woodland-chapel-skogskyrkogarden

下面这个案例是Christian Kerez和Joseph Schwartz在瑞士设计的Holcim创新中心。根据这两个设计师自己的描述,在创新中心设计之初,他们有一个非常强的主导概念:他们希望这里能尽可能提供给人更多交流的可能性,创造一种比较开放、自由的空间。同时对于支撑结构来说,他们也希望能够尽量打破常见的承重墙或是承重柱从上到下对齐的、非常规律死板的状态。他们在初期做了很多尝试,又因为整个创新中心的体量比较大,他们也想把光线尽量引入到体量的内部来。他们的想法是,让结构和引入光线的通道结合在一起。所以最后做出来的方案是这样的:柱子看似随机倾斜, 呈现出一种无规律的状态(图4),但它们基本上都沿着楼板的开洞布置,开洞也会上下错开一些, 让光线照进来,柱子沿着它的周围排布。大家看到这个模型就会想,难怪这个房子会建不起来,看着那个柱子好像撑不住;但事实上并不是这样的。

 

图4:Holcim创新中心 ©Walter Mair

我们可以简单分析一下柱子的结构原理。对于这个案例来说,它初始的状态可以视为最常见的板柱结构。这种柱子是受压的,上下各有一个荷载和反力(图5)。如果我们想要呈现那种随机倾倒的状态,第一步可以把柱子对称地在一个平面内倾斜。它们可以互相向内倾倒,这样中间就会受压,出现一个压力;同样也可以向两侧倾倒,这样柱子要倒下去,就会在上部出现一个拉力。但这种对称倾斜的方式仍然没有达到设计师想要的那种随机、自由的构成状态,所以他们又进行了第二步操作。第二步操作,他们把柱子在另外一个竖直面上进行了倾斜。在平面上可以看到,柱子在水平方向上又倾斜了一次,这种情况下内部的压力仍然是存在的。它在水平面上的力没有达到平衡,所以就需要楼板额外施加一个水平的力。额外的水平力会被楼板所承受,通过楼板传递到立面上,再在立面上通过斜向的支撑传递到地面。

 

所以整个结构,虽然内部的柱子是东倒西弯偏来偏去的,但是它外部会有这种斜撑,这些斜撑有一些是它的楼梯。斜撑起到两方面的作用:一方面用来平衡因为内部的柱子倾倒而产生的内部水平力;另外一方面可以平衡由外部荷载,例如风荷载或地震荷载,所带来的水平力。这个结构虽然看起来好像很杂乱无章的样子,但是事实上它是在某一个建筑概念的引导下,从一个常规的结构出发,一步步演变而来的;它的原理并不是非常的复杂

 

图5:竖直结构演化过程。曹婷绘制

水平系统的变化

 

水平结构系统一般是指梁或者板。这里举一张纸的例子,一张纸很薄,拿起来纸就塌了,但如果要让纸在水平方向上立起来的话,一般有两种策略(图6):一种是增加它的厚度;另一种是改变它的形式,把它折一下。

 

增加厚度的方式往往被看做是一种纯粹的工程师的做法:只会通过计算增加材料的厚度。改变形式的方式往往被称赞成是结构艺术家的做法,因为他用形式去创造结构的高度和坚固性,同时创造出的形式又能容纳建筑的空间。但是增加厚度的方式也并不是完全不可取的,要看怎么去增加厚度。如果增加了一个梁的高度,导致那个梁非常大,成了空间中的障碍物,那当然是不好的;但当梁同时也成为了塑造建筑空间的一个元素的话,那就不一样了。

 

图6:获得结构高度的方式:增加材料厚度与改变形式。 曹婷拍摄

(1)增加厚度

 

结构设计中有一种叫“深梁”的结构元素,很受结构工程师和结构艺术家们的喜爱,很多经典案例都是基于这种元素发展而来。它在结构层面上的作用是梁,用来实现水平跨度;而从建筑的意义上来说是墙体,可以定义空间边界,创造建筑的空间高度(图7)。在这种元素的使用中,材料厚度的增加成为了塑造建筑空间的积极因素。在库哈斯的波尔多住宅、克里兹的森林大街住宅,以及奥尔加蒂的帕尔帕斯高中等众多经典案例中,都出现了这种以墙为梁的结构处理方式。

 

图7;两支点简支深梁,以及悬臂深梁内部的力流分布。 曹婷绘制

(2)改变形式

 

第二种对水平构件进行操作的方式,即改变它的形式,也就是增加它的结构高度。相对于一个平板来说的话,其结构高度就是它的材料高度。但是对于一个像拱一样的单曲面来说,它有效的结构高度是从底部到拱顶部的距离;双曲面也是一样的。所以整体来说的话,这种弯曲或者折叠的结构,会比楼板传力的效率更高。

 

最广为人知的一个例子就是金贝尔美术馆。它顶部看起来像一个拱,但并不是一个拱,因为中间有一个开口,这个开口是为了塑造室内展览空间的光线氛围。它呈现出“被打断的拱”的形态,看起来像拱,而实际上就是一个在短轴方向上弯曲的梁,通过弯曲的方式来创造结构的高度,同时也添加了预应力钢筋来实现较大的跨度。它的结构和形式很好地结合在一起,塑造了室内空间效果。

 

水平与竖直的整合

 

通过形式来创造结构的高度与坚固性,这种操作方式也可以将水平的板和竖向的支撑融为一体,得到的整体形式光滑且连续。它是与前面的板柱结构不同的一种体系,比如双曲面或者单曲面的形式,有很多不同的方法可以去创造它们。

 

其中一种方法是物理找形法。物理找形法其实很常见,在我们系列的第三个章节会有一个关于Heinz Isler的讲座,他是使用物理找形法来做设计的结构大师。一般来说他的设计方法是通过对弹性布料的拉扯,或是在布料上施加荷载,让材料在力的作用下找到最合适的形式。

 

另一种是塑形法。最常见的几何形式就是抛物双曲面。它也是一种把水平和竖直系统整合起来的比较高效的结构曲面,既是直纹面又是曲面。直纹面意味着它可以用两组直线来定义,双曲面有两组抛物线,所以它承受荷载的能力会比单曲面强一些。抛物曲面最大的特点是它跟平面的相互转换非常简单,可以通过点的位置的移动来变形,并通过组合创造各种各样不同的形式。这种曲面比较好建造,可以用直的模板进行浇筑。

 

图8:光滑复合双曲面既可以用直线定义,也可以用曲线定义。

我的研究是对历史中抛物双曲面研究的一个延伸,发展出一种新的抛物双曲面的组合方式,称为光滑复合双曲面(图8),它由抛物双曲面单元光滑拼接而成。约束单元拼接的几何规则,是基于力学层面的考虑来制定的,它可以保证力从一个面传递到另一个面的时候,相互之间的作用力总是在面内传递。如果力与材料轴线不平行就会产生弯距,这个曲面就不是一个壳体了,它就会变得很厚,需要用桁架或者梁来加固。这种组合方式保证单元拼接起来以后,依然是一个类似于壳体的结构

 

在这个研究的基础上,我做了一系列小的设计,并把它们建造出来。这个在南京东南大学建造的项目是一个预应力拉索的铝管网壳曲面(图9),这在里可以看到竖直的元素与水平的元素已经完全融合在了一起。

 

图9:双曲亭Hypar pavilion。曹婷拍摄

第二个是跟大象设计合作的一个临时的露天剧场,它是用胶合木建造成的,实际上是由54个抛物双曲面组成(图11)。底部在靠近支点的地方,使用三角形的钢折板把它支撑了起来。因为这个曲面同样是一个壳体,可以做的很薄(图10)。

 

图10:“引力波”(Hypar wave)木网壳露天剧场 ©大象设计
图11:“引力波”(Hypar wave)木网壳露天剧的平面与立面。 曹婷绘制

最后这个是今年跟东南大学的张宏老师工作室合作的一个太阳住宅(图12),它实际上是由几种相同类型的抛物双曲面组成。这种抛物双曲面会组成一个边界为直线的单元,这些单元重复复制之后,就形成了整个曲面的形态,它可以无限延展,同样的竖向与水平的结构元素都融合在了一起。

 

图12:Solar Ark 3.0 太阳能住宅 ©张宏老师工作室

 

结语

 

通过这个讲座我想跟大家强调的一点是,建筑是一个艺术和技术交叉的学科。艺术层面上我们要考虑空间和形式,在技术层面则需考虑结构构造、材料性能等;它们应该同时引入到设计中,相互作用,引导你的设计往前发展。这实际上就是我们“强结构”概念所强调的——结构不仅仅承重,它还有很多其它的意义。同样的原理也可以推广到建筑技术中去,像构造材料性能都是一样的,不仅仅是满足技术上的需求,同样要对建筑的空间和形式产生积极的影响。它会是一种限制,但同时也会成为设计建筑的灵感来源。

 

最后我想跟大家推荐的是这本书就是The Art of Structures,是EPLF的Muttoni教授与我的博士导师Schwartz Joseph一起写的。这本书是一本非常好的,用图解静力学,从零开始给大家解释结构设计的原理,实际上我们本科的结构设计课的内容就几乎跟这本书一致,所以大家有兴趣的话可以找来看看。

 

 

关于“强结构”系列国际讲座

 

“强结构”系列国际学术讲座由哈工大(深圳)、ETH、有方联合主办,邀请十余位中外结构专家,深度推演结构设计逻辑,带来全球最前沿的行业视野。

 

在当下的建筑设计中,我们往往将结构等同于承重系统,然而结构的意义远不止于此。“强结构”系列讲座,以五个主题章节、共十场讲座,反思结构在当下建筑设计中所扮演的角色,展示结构承重作用之外的多重建筑学意义。


本文由主讲人授权有方发布,欢迎转发,禁止以有方编辑版本转载。

关键词:
强结构
曹婷
讲座
0
参与评论
热门标签
中国空间研究计划
建筑师在做什么
建筑师访谈
建筑讲座
有方招聘
行走中的建筑学
项目
视频
订阅有方最新资讯
投稿

*注意:

1. 邮件标题及资料包请以“新作/视频投稿-项目名称-设计单位”格式命名;

2. 由于媒体中心每日接收投稿数量较多,发送资料前请确认项目基本信息、文图资料准确无误。接受投稿后,不做原始资料的改动;

3. 若投稿方已于自有平台进行发布且设置“原创”,请提前开设好白名单(有方空间账号:youfang502;Space内外账号:designall),并设置好“可转载、不显示转载来源”两项。

请将填写后的表格与以上资料,以压缩包形式发送至邮箱media@archiposition.com,尽量避免使用网易邮箱的附件功能。