建筑的美与符合结构力学的选型

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【提要】通过对一些建筑的结构选型与艺术价值的分析比较，认为好的建筑通常是结构选型合理，传力路径简单明确，符合力学原理的；是经济和安全的；同时是经得住时间考验的。提请建筑师们应该在方案选型的第一步，就选择一个好的结构方案，因为这与建筑的美并不矛盾。

【关键词】结构选型 结构力学 建筑的艺术

看着一座座超高层建筑的建成，一栋栋结构选型极不合理的建筑方案顺利过关，进而在不久的将来变为一种现实的存在，我真不知道作为结构工程师应该感到骄傲还是悲哀。 我们把很多近乎不可能的建筑变成了现实的存在。在中国的大地上，从国家大剧院到奥运会的几个体育场馆，从中央电视台新台址到某博览中心、某某五星酒店。中国成了新建筑新结构的实验场。在这个过程中，结构工程师承担了很大的风险，很多的责任，可只有很小的权力去对建筑结构的选型进行选择和优化。我们只能在各国“建筑大师”划定的圈子里做少许的调整。真想让大师们都去上堂结构课。

纵观古今中外多少优秀的建筑均是力与美协调的产物。埃及的金字塔，存在千年源于坚实浑厚的基础。法国的象征艾菲尔铁塔，自是力的流畅的线条。中国两千年的石拱桥，仅仅用石块就造就了大跨度并且线条轻盈优美的曲线。哥特教堂取消了大量厚重的石材，而代之以细的拱肋，使推力和反力互相抵消，完美的体现了力的平衡。这些建筑无一例外的充分利用了材料的特性，有很好的结构体形，是美的建筑，也是符合受力特征的建筑。它们完全没有任何多余的装饰，仅仅由线条和形体就形成了自己的风格，我认为这是真正的每个建筑的个性，决不会雷同，无论从外表还是骨子里。

现在的建筑多的是堆砌和浮华、虚伪的装饰、莫名其妙的符号，它们仅仅通过改变窗子的大小和形状，增加一些装饰的腰线和檐口，没有任何实际作用的柱子，几种柱头的形式，就说自己是什么什么风格。结果造就了很多不伦不类，似是而非的东西。

在上个世纪六十年代初，意大利著名建筑工程师P.L.奈尔维就在他的《建筑的艺术与技术》中为我们做了很好的指导，时至今日，其中的很多观点，仍然感觉是对现今建筑界的一济良药。比如其中提到“对一个设计得很差的结构，想以堆砌附加的东西来加以掩盖完全是徒劳的。建筑的受力结构必须以简图方案为基础正确的进行设计，它应该以最简单最自然的方式，符合于把重量和应力传递到柱子和基础的功能要求。”我们现在的很多建筑，动则进行转换，错层，移位。全然不顾最基本的力学原理。仅仅为了某种形而上的大空间而不惜一

筑龙网 W W W .Z H U L O N G .C O M 切，不但造成了安全的隐患和经济上的浪费，对视觉的冲击也经常让人很不舒服，细细的柱子支撑着上部庞大的体量，给人一种不安全和怪异的感觉。这似乎不应该是一个建筑传达给居住者或是任何使用者的感觉。

现在很多建筑甚至采用了一种很难成

立的计算简图，可以说是一种很不稳的力学

模型。甚至可以称之为“正在表演杂技的建

筑”。而且这个建筑不是一个中小型的项目，是建筑面积达到二十多万平米，建筑高度达

到278米的大型超高层建筑――中央电视台

新台址。它是一个空间扭曲的“Z ”字型，

空间的倾斜，超大的悬挑，使最底层的柱子

也有可能会受拉力。柱脚必须按照拉和压两

种受力状态进行设计。基础的厚度达到7米，

只所以会有如此之厚，仅仅是为了防止建筑

整体的倾覆。在这个标新立异的建筑中，结

构工程师付出了很大的精力和劳动，也体现

了很高的技术水平和智慧，但是，我不认为他们帮建筑师设计的是一个好的建筑。这个建筑时刻在考验着央视的精英们的心理承受能力。

建筑对结构选型的不合理，同样造成了

很大的浪费。跨度很大的“鸟巢”的钢结构

屋顶，选用平面受力的门式刚架，已经超出

了它的适用范围。致使用钢量奇大。即使后

来经过专家论证，进行了结构优化，因为结

构工程师没有权力进行大的改动，结果当然

不会明显。鸟巢看起来很美，可是又有几人可以拥有这样一个视角？

著名建筑师R.B.Fuller 在1962年提出了由索和杆件组成的张拉集成结构（Tensegrity systems ）的结构设想，Fuller 希望在这种结构中尽可能的减少受压杆件，结构处于连续的受拉状态，使压力成为张力海洋中的孤岛，他认为这种状态符合自然界固有的规律，能最大限

筑龙网 W W W .Z H U L O N G .C O M 度的利用钢材长于受拉的特性，从而实现以尽量少的材料建造更大跨度的空间。再后来，美国的 B.H.Geiger 和M.Lery 进一步对其进行演变和发展，提出了索穹顶结构体系（Cable Dome ）。这是一种结构效率极高的张力集成体系，是极懂结构的建筑师提出，又由结构工程师进一步完善形成的。这是一种很轻巧的结构，充分利用了钢索的强度，通长情况下，钢索的强度是普通结构钢材的4～6倍，而且因为绝大部分构件为受拉的钢索，不用考虑稳定系数的问题。如果我们如“鸟巢”等等奥运场馆可以采用这种结构形式，用钢量也许仅为现在的10％。直到今天，我们仍然感觉到其中的妙处，仍然是值得我们学习的好结构形式。

由工程院院士著名结构大师江欢成作为总设计师，主持设计的东方明珠电视塔，造型也很独特，以其独一无二的造型，成为上海市的标志性建筑。它的艺术气息，它的震撼，它的丰富的文化内涵，在向人们诉说着力与美。正因为江院士在力学上的高超的造诣，使设计突破了世界上混凝土塔惯用的单烟筒式结构的常规，创造了一个全新的结构形式――带斜撑的多筒式巨型空间框架，体现了现代高科技和东方文化的完美结合。通过独具匠心地将11颗球体缀连成串，创造了“大珠小珠落玉盘”诗一样的境界。同样，因为有很好地受力体系，468米地高度，挑战了混凝土结构的极限。

甚至在一些细节方面，结构工程师也常常会给建筑师一点惊喜，现在广受建筑师欢迎的管桁架，采用相贯线进行节点的处理，显得简洁干净。

其它例如体育馆的马鞍型屋面，热电厂的双曲线冷却塔，都是艺术与技术完美的结合。其灵感都是源于对力学的深入了解。当然，类似的多了，好像不是太稀奇，但是这是一个很好的方向，我们应该沿着它继续走下去。 建筑的结构选型的不合理源于对力的处理方法上，不合理的结构选型，对待力的态度是“抗”，由外力传来单位为“1”的力，由于不合理的抵抗，不合理的受力简图，构件承受的力可能是“2”是“3”甚至更大。合理的结构选型对待力是因势利导，让它通过最短，最简洁，最明确的路径传到墙或柱子，然后传到基础。合理的力的流程，在传递的过程中不会被放大，不应有突变，应是娟娟溪流逐渐汇集下来，不应造成跌宕之势。

现代建筑技术的高度发展，新的材料的应用，例如：钢铰线、玻璃、纤维织物、充气的膜、高强度的混凝土，这些都给了建筑师一个更广阔的舞台。但是，不是有了好的材料就可以肆意的挥霍，任何的浪费都是可耻的。我们如果拿着先进的材料，但是不了解材料的特性，没有发挥它的优势，甚至完全违反了力学的原理，那么可能建造出的建筑反而不如古人。任何的哗众取宠都不会长久，只有吻合于自然之道，服从于力学的原理，达到一种平衡和协调的建筑，才是美的建筑，才能长立于天地之间。