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屈峰
摘要:从一个对自然事物构成方式的诘问,来引出关于体育建筑的结构与造型相互关系的辩证思考。通过层层深入的问题剖析和大量实际案例的引证和研究,一步步地阐明在体育建筑设计过程中结构构思的必要性、依据、方法及其重要性。
关键词:体育建筑;结构;优化
中图分类号:[TU-026];TU-098
文献标识码:A
文章编号:1008-0422(2007)03-0049-06
收稿日期:2006-11-28
作者简介:屈峰(1978-),男(汉族),湖南益阳人,博士研究生。
1引言――世界是优化的吗
法国著名的科学杂志《新发王见》在2006年3月号一篇文章的开篇向我们提出一个有趣而又富于启发的问题;世界是优化的吗?该篇文章继续说道:“一切能量系统,无论有无生命,似乎都遵循着一条由时间造就的优化几何法则。大自然也许就是头号伟大的构造工程师?”该文章通过分析自然界中的种种构造形式,诸如树木的构造、鸟类的羽支形态、干裂的土壤裂纹形式以及河床分叉形态等等,向我们揭示了一个不断优化的世界。笔者于是不禁类比,在建筑设计特别是体育建筑设计中,结构形式与构造形态是否也可以像自然事物一样优化产生?我们是否也可以成为像大自然那样出色的构造工程师?体育建筑设计中的结构构思,其中也有不少模仿自然的例子,但模仿不是目的,而是籍此来寻求自然的结构法则,探索隐藏在各种结构形态之后的看不见的规律之手,并以此来指导我们的设计创作实践。科布西耶早就发出向工程师学****的呼声,在他看来,新兴的科技成果,诸如轮船、飞机等等,都体现了力学与结构的规律,必定是合理的,也一定是美的。亚里士多德有云:美就是合乎自然。我们把这个观点深化一下,就成了“美就是合乎自然规律。”笔者仍然深信人的思维对于自然规律的正确把握以及创造性的效仿和运用,对于一个建筑师而言,必然能够创造出既合乎功用又多姿多彩的建筑作品来,就像大自然向我们展现的无限多样性一样。
2结构需要优化吗
柯布西耶曾说:房屋是居住的机器。笔者想说的是,体育建筑这类房屋更类似于机器。机器更明显地体现了人类对自然规律的理性而富于创造性地运用,机器美学是一种技术美学。而体育场馆是大跨度空间结构技术的产物,其建筑与结构技术的关系远大于一般性民用建筑,形象的塑造与结构技术更是紧密相关。建造体育场馆所需的结构技术往往来自于造船、航空等工业技术领域。自20世纪初以来,新材料、新技术的不断涌现及现代结构理论的建立与发展为体育场馆建筑的创作提供了有力的物质基础。近几十年来的体育建筑实践表明,结构技术是设计创新的“杠杆”,结构技术的进步带来了建筑形象的巨大改变。同时体育场馆的空间形态和建筑造型的发展又不断对结构技术提出新的要求,促进了结构技术的发展。结构技术与建筑在体育场馆建设中有着很强的依存、制约和促进关系。
另一方面,结构技术的发展对现代社会的思想意识和审美心理产生了深刻的影响。技术美学和技术价值观受到普遍的接受,科学技术已由物质层面上升到思想意识层面,具有“形而下’,和“形而上”的双重社会功能。结构技术的表现从某种程度上已经成为建筑艺术的一部分,深刻地影响着建筑形象的创作。
结构技术对建筑形象创作的影响作用主要体现在结构形态选择、构件细部处理和材料性质表现三个层次上。
每种结构体系都有其各自不同的形态,结构形态受力学原理的支配,合理的结构形态是力学规律的真实反映。根据空间需求和环境条件合理地进行结构选型是体育建筑创作的重要组成部分。充分挖掘结构形态自身的美学潜力,并对特定结构形态加以恰当地表现是体育场馆建筑形象创作的重要手段之一。例如:东京代代木游泳跳水馆和篮球馆,利用悬索结构的造型特点塑造了独特的建筑形象。慕尼黑奥运主体育场、冰球馆、游泳馆运用先进的索网结构,取得了形象上的突破。美国亚特兰大佐治亚穹顶,运用张拉整体结构体系,首次创造出索穹顶的建筑形象。卡尔加里冰球馆的鞍壳屋盖结构使其建筑形象颇具新意。结构形态的多样性为建筑形象创作提供了机遇和挑战。
在忠实于结构形态的同时,按照美的原则对视觉有明显冲击的具体构件进行艺术处理,是建筑形象创作的另一重要方面。许多世界著名的建筑大师如奈尔维、飞利浦?考克斯、卡拉塔瓦等都在这方面做出了贡献。罗马小体育馆的“Y”型柱和极富韵律感的天花、悉尼超级圆顶体育馆极富张力、直冲云霄的桅杆与拉索都给人们留下了深刻的印象。
结构技术的发展和新型材料的出现是密不可分的。不同的材料具有不同的力学性能和艺术表现力。从力学、材料学等现代科学方面寻求灵感越来越成为现代建筑形象创作的潮流。混凝土的朴素粗犷、玻璃的通透晶莹、金属的光亮纤巧、膜的洁白轻盈,都是建筑师手中富于表现力的素材。准确把握材料特有的个性特点并将其用于建筑形象的塑造是许多优秀体育建筑共有的特征。
图片来源:图12:世界建筑结构设计精品选,日本篇/《世界建筑结构设计精品选――日本篇》编委会编。-北京:中国建筑工业出版社,,第149页
图13:复旦体育馆建筑方案设计文本,同济建筑设计研究院,
3结构如何优化
在前面我们讨论过自然界各种事物的结构总是遵循自然规律在时间中逐渐优化形成。那么人类的思维和创造力又如何效法自然,创造出优化的建筑结构呢?其中的共同点在于必须分析各种客观的设计条件,合理选择和改进结构形式。但仅此并不够,作为人类思维所创造的建筑,具有科学与人文的双重诉求,即必须具有合乎自然规律的美与合乎人文文化的美。两者的有机结合才能创造出优秀的建筑作品。
体育建筑因其对空间的更高要求而使得结构形式成为必须首先考虑的问题。这使体育场馆的设计更富于科学性与创造性,而不囿于常规建筑的美学思路。体育建筑的设计要求建筑师们具备更为敏锐的科学眼光,更为谙熟结构规律,同时又富于***,在造型设计中不拘一格,充分发挥想象力和创造力,向自然界学****所谓效法自然不逾矩,这样才可能有不俗的作品诞生。
比如在常熟体育中心的体育场设计构思中,针对体育场东西两侧的观众人流量大小不同的特点,采用了东西不对称的看台设计,与之相应的雨棚设计成两片不对称的月牙形钢网壳,并且西面网壳屋顶用一道落地拱桁架支撑,彰显出体育场如虹的气势和迎接八方来宾的门户标志性。
(图14~图19:图片来源:体育娱乐建筑/日本MEISEI出版公司主编。-沈阳:辽宁***,(现代建筑集成),第201页)
另外,结构优化并非单纯的结构选型,而是在确定合理的结构类型的基础上创造丰富多彩的结构形态。这一点恰恰是建筑师能够发挥其创造力和个性的地方。我们比较一些实例就可发现,即使两座体育建筑采用同样的结构形式,其建筑形象也可以完全不同,体现出各自的特色。比如东京代代木游泳馆和北京朝阳体育馆,结构类型同为中间有脊梁的悬索屋面,但因为其脊梁的形式完全不同,一个为悬索桥结构,一个为索桁架结构,故其结构形态和建筑形象就各异其趣。
再来做一个有意思的比较。上面两个膜
结构屋顶粗看起来造型几乎一模一样,但实际上两者的结构设计截然不同,这一不同主要体现在对于结构构件的交接关系和节点造型的不同设计之上。如伦敦国王板球场屋盖与南非哈特列维尔球棍球场屋盖的比较。所以说结构优化是一种极富创造性的工作,与建筑构思同样重要。
(图片来源:图20:SantiagoCalatrava:ThePoeticsofMovement/WrittenbyAlexanderTzonis.-London:HudsonLtd,2001,:THOMASHERZOG&HERTZBERGERARCHITECTURE,,图23:CONTEMPORARYWORLDARCHITECTURE/HUGHPEARMAN.-London,phaidonPresslmc,2002,第370,385页)
在设计中我们为了优化结构和创造丰富生动的建筑形象,除了针对该建筑的特定设计任务要求之外,还必须对结构加以巧妙的优化构思。这就必须掌握一定的方法,加工改造原型结构以实现结构形态多样化。就大的方面而言,有很多构思的出发点,比如前面提到的效法自然,从仿生学的角度来构思结构形态,也可以从工程技术的角度分析研究最佳的结构和构造形式,或者体现某种文脉的隐喻,等等。这些方面都不是截然分开彼此对立的,而是相互关联,彼此交叉的。就具体设计手法而言,大致有四种常见的手法可供参考,即调度几何参数、置换结构构件、结构剪裁和结构组合。
调度几何参数简单的说就是将结构原型的技术参数,如结构的高度、形状等进行调整和重新设计,使得同一结构原型可以创造出不同的结构形态。这一方法应用广泛。比如桁架结构,只要通过结构放置方式的变化,就形成不同的空间,如一端高,另一端低,形成倾斜的空间。其他结构也是如此,如东京代代木篮球馆,整个屋盖看上去像是由一片悬索屋盖绕主立柱旋转而成,而实际上仍是由两根立柱通过索桥张拉悬索屋面,只是其中一根立柱缩短成为了基础柱,而不再是对称结构。再如笔者导师钱锋教授所作的复旦体育馆的投标方案,将一片环形的屋面切断并在垂直方向拉开一定高度,然后延伸自然形成螺旋线形的结构,这样便打破了屋面的呆板形式,更加富有动感。
还有一个有趣的例子,如酒田市综合体育馆。该馆由主馆和副馆两部分构成,两部分都覆盖着单曲屋面,屋盖结构并不复杂,都是采用的索桁架体系。但其巧妙之处在于将索桁架的两个跨端变作由钢斜柱支撑,这样就缩短了桁架索的拉伸跨度,使得结构高度降低,同时两个端部的侧立面也有相应的造型处理,使之能够反映出内部结构的交接关系。
置换结构构件常常是建筑师出奇制胜的一种造型方法。结构构件种类很多,可以变化的形式更加不可穷尽,这就要求设计者除了有全面的结构素养之外,还必须有丰富的创造力和想象力,才能化平淡为神奇。比如著名的树状结构,这种结构形式将普通的梁柱传力方式变为了自然有机的传力形式,不能不说是打破常规,另辟蹊径。而这一构思的出发点其实就是将司空见惯的方式进行再思考,从本质上挖掘形式的可能性。而树状结构又可以有很多的变形方式,如卡拉特拉瓦设计的树状结构就和托马斯?赫尔佐格的设计风格迥异,也和Jourda&Perraudin及GMP的同工异曲。
另一个著名的例子是目前在建的中国国家体育场。这一巨大的鸟巢状体育场,可以说是宛自天开的大师之作。其结构与建筑造型浑然一体,不可分割。看似凌乱的结构形式背后是主要受力结构的清晰而合理的存在,并且具有仿生与自然有机的特点,令人耳目一新。其实该结构造型完全可以用一般的曲面网架形式来代替,但那样的结果就会使建筑的形象大为逊色。所以结构的变化方式完全可以体现建筑师设计水平的高低,这一点才是我们真正应该学****的精髓所在。
结构剪裁经常用于作为决定结构体形的依据。我们通常所用的体育场馆的屋盖结构常为曲面,这些曲面在设计时为了方便确定其几何体形,一般都是采用从某个完整曲面上剪切而成,如从球面、双曲面、环形面等等之上。这样既能剪切出适合需要的曲面形式,又能方便地确定其几何参数。结构剪切的过程可以用一个实例说明:伦佐?皮亚诺设计的罗马音乐厅。
结构剪裁的成功例子很多,如笔者导师所作的海南省体育中心体育馆,屋盖平面为三角形,但通过剪切出一道曲线形的缝,将三角形分成了两部分,中间覆以膜结构,并在缝两端设立柱和拉索拉住屋面。这样就使对称的三角形屋面具有指向性,同时屋顶造型更加丰富多彩。