建筑的第五立面——现代建筑屋顶发展趋势探析.pdf

同济大学 硕士学位论文 建筑的第五立面现代建筑屋顶发展趋势探析 姓名：张允 申请学位级别：硕士 专业：建筑技术科学 指导教师：颜宏亮 20050301 摘要 摘要 屋顶是建筑围护结构的重要组成部分之一，不仅为人们提供了抵御风雨侵 袭的庇护所，还具有重要的美学价值。现代建筑在结构、材料和技术上都比过 去有了质的飞跃，使建筑屋顶的外观形象更加丰富，内在功能更趋完善。本文 对现代建筑屋顶在建筑造型、城市形象、结构形式、使用功能等方面作逐一的 分析与研究。 建国以来我国的建筑业的建设水平有了长足的进步，但和世界先进水平间 仍有不小差距。本文围绕我国现代建筑屋顶的发展简况和各种设计思潮，研究 分析当前建筑屋顶上存在的种种问题，探讨未来屋顶发展的对策。 关键词：现代建筑，第五立面，屋顶，顶部 垒! 整! 竺! r o o fi so n ei m p o r t a n tp a r to ft h ee n c l o s i n gs y s t e mo f b u i l d i n g s b e s i d e st h e f u n c t i o no f p r o t e c t i n gt h ep e o p l ef r o mt h ew i n da n dr a i n ，r o o fa l s oh a si t sg r e a t i m p o r t a n c ei ne s t h e t i c s t h em o d e mb u i l d i n g sh a sg o ta ne s s e n t i a la d v a n c e m e n ti n t e c h n i q u ea n dm a t e r i a l ，w h i c hm a k et h eo u t l o o ko fr o o fm o r ea b u n d a n ta n di n t e r n a l f u n c t i o nm o r ep e r f e c t t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a d ea n a l y z ea n ds t u d yo ft h er o o f s f u n c t i o no nb u i l d i n go u t l i n e ，c i t yv i s u a l i z a t i o n ，s t r u c t u r ef o r ma n dn n c f i o no n eb y o n e a l t h o u g h i th a sg o tq u f f ea g r e a tp r o g r e s sa f t e rt h ef o t m d a t i o no f o u r c o u n t r y , t h e l e v e lo fb u i l d i n g ss t i l lh a sa b i gs h o f t a g e w h e nc o m p a r e dw i t ht h ew o r l d s c o m p a r t m e n t t h ep r o g r e s sr e s u m ea n dv a r i o u st h o u g h t so nr o o fd e s i g ni no u r c o u n t r yh a v eb e e ni n t r o d u c e di nt h ed i s s e r t a t i o n c o u n t e r m e a s u r e st o w a r d st h e d e v e l o p m e n t so f r o o f i nt h ef u t u r ew i l lb em a d eo u ta f t e ra n a l y z i n gt h ev a r i o u sk i n d s o f p r o b l e m so n i t k e yw o r d s ：m o d e mb u i l d i n g s ，t h ef i f t hf a c a d e ，r o o f , t o p i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：弓良孑u z 卯厂年3 月矿日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：1 & u z 。舢丁年j 月旧日 第1 章引言 1 1 问题的提出 第1 章引言 建筑是人类生活的主要的物质环境，屋顶则是这个物质环境中最重要的元 素之一。没有屋顶的建筑不能被称为真正的建筑，因为这样的建筑不具备一座 建筑的基本功能为人类提供遮阳避雨的场所。 古往今来的各国建筑师与工匠们都把屋顶作为展现他们智慧和才华的舞 台，为提高屋顶设计的技术水平和艺术价值而孜孜不倦地追求着。 屋顶也是分辨世界上不同地域，不同时期的建筑的最明显的标志，建筑史 上很多划时代的变革也与屋顶有关。如文艺复兴在建筑领域的开端，就是以佛 罗伦萨主教堂穹顸的设计建造为标志的。1 9 世纪末到2 0 世纪初爆发了世界范围 的由对建筑新形式的探索演变而成的现代建筑运动，使屋顶的形式得到了极大 的变化与丰富，至今仍在不断推陈出新。 因此，无论从功能的角度还是从艺术的角度了解各种屋顶形式的结构原理， 组成屋顶的各个构造层次的作用机制以及各层次的材料特性，对于建筑师来说 是相当必要的。出于对本文实用价值的考虑和篇幅所受的限制，作者将本文的 研究范围定位于现代建筑的屋顶，即主要是二十世纪初爆发现代建筑运动以来 这将近一个世纪时间内的建筑的屋顶。 1 2 论文的研究目的与意义 和世界建筑的先进潮流相比，我国的建筑业水平由于种种原因，各方面均 长期处于落后状态。在屋顶上，这种落后主要反映为设计者在审美观念、结构 设计、构造层次、材料应用等方面和旋工方在施工水平上的差距。改革开放以 来，我国建筑界和世界各国同行间的学术交流和工程合作广泛开展，我们有机 会学习借鉴他人的先进技术，使我国的建筑水平得到全面的提高。 本文的写作目的，乃是通过研究当今世界建筑屋顶设计的发展情况，对屋 顶设计建造的最新理念和技术成果加以分析整理，以期呈现给国内广大建筑师 一个全景式的现代建筑屋顶的发展概况；同时，通过对我国现阶段建筑屋顶设 第1 章引言 计建造中的某些问题的分析思考，力争为二十一世纪我国建筑事业的发展提供 一丝有益的线索。 1 3 论文的基本框架 现代建筑屋顶的演化早期主要体现在建筑顶部造型的变化和对建筑功能的 完善方面。随着时代的发展和技术的进步，社会大众对建筑的要求已不仅局限 于好看和好用两方面，尤其是在二十世纪末全球可持续发展风潮的席卷下，屋 顶在塑造城市人文品质和节能环保方面的重要作用正被越来越多的人所认知。 在文中，作者将尝试逐一从以上几个方面探讨现代建筑屋顶的特征及未来发展 趋势。 图1 1 论文框架图 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 2 1 审美观念的变换对屋顶造型的影响 2 1 1 屋顶造型的设计手法 建筑是实体材料建造起来的立体空间，建筑造型在本质上讲是体块的造型 艺术。这一点在建筑屋顶上表现的尤为明显，这是因为建筑的几个立面朝着不 同的方向，人们一般只能看到其中的一到两个，所以单个立面的平面感比较强。 而屋顶更加突出的是其作为一个空间实体的立体感，人们在地面上即使看不到 屋顶的全貌，也能凭想象大致知道被遮蔽部分的形象。 古代建筑屋顶的造型受到当时技术水平，人们对材料性能的掌握，审美观 念和社会伦理等方面因素的制约。其中最大的制约因素当属技术和材料的因素。 无论西方的从混凝土实体穹窿到受力原理更合理的骨架券的发展，还是我国以 斗拱为主要特征的木结构屋架的演变，都能看出古代建筑屋顶造型的基调是由 上述两大因素自然而然同时又是别无选择的决定的。屋顶外观的主要区别只是 体现在体量大小的不同，曲线弧度和直线坡度的差异，以及装饰构件的繁简程 度和地域文化特征。 现代建筑技术在结构力学和材料学上取得了巨大进步，建筑平面的形状受 曰趋复杂的功能的影响呈现出更多的变化，这些都使现代建筑屋顶的造型无论 从客观需求上还是设计师的主观愿望上都获得了前所未有的自由度。这使我们 很难像过去那样难根据具体的形状对屋顶造型加以分类。本文尝试以屋顶造型 过程中所使用的三维造型手法为现代建筑屋顶的造型分类。 现代建筑屋顶的三维造型手法大致包括以下几种：体量的收缩、体量的放 大、体量的组合和以及自然与自由的造型。 将建筑的体量在顶部收缩得到的屋顶形象，拥有十分悠久的历史。这种设 计手法产生的屋顶形象轻巧稳定，符合人们意识里的传统屋顶形象，也与雨雪 受重力作用在屋顶自然的排放路径相吻合。因此，体量收缩仍是绝大多数现代 建筑采用的造型方式。 获得屋顶的收缩体量主要有下列三种方法：一，用本身县有向上收缩性质 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 的形状单纯的几何体作为屋顶。这一方式从古至今都很适用，常见的这种屋顶 包括各种坡屋顶、棱锥顶、圆锥顶、拱顶和穹顶( 如图2 1 ) ：二，将屋顶做 成退台的形状，使其在整体上具有类似于坡屋顶的收缩趋势。退台式的屋顶在 造型上比坡屋顶拥有更多的细节。应用在体量较大的建筑上的退台式屋顶，可 使项层在功能上得到更好的利用。若干的退台将屋顶化整为零，所以退台式屋 顶对平面形状的适应力很强，几乎适用于任何复杂或不规则的屋顶平面( 如图 2 2 ) ；三，对规则对称的屋顶几何体进行削切，得到各种生动的造型。这是现 代建筑特有的造型手法，蕴涵了现代建筑设计手法的几何逻辑关系，并使人们 通过想象可以猜测到屋顶造型生成的过程。因此，这种造型方法在现代建筑屋 顶中很常见( 如图2 3 ) 。 图21 ( 左) 辛辛那提市普罗克特和金波尔公司总部大楼 图2 2 ( 中) 日本福冈市“a c r e s 福冈”大楼 图2 3 ( 右) 达拉斯喷泉地办公大楼 体量的放大并不是指屋顶所占的体积绝对大于由建筑外墙围合限定的体积 ( 这只是使用“体量放大”的屋顶造型手法所缛的结果之一) ，而是指屋顶主 要轮廓的平面投影比较明显的大于外墙的平面投影。屋顶造型采用体量放大的 手法，最早是出于屋顶功能上的考虑：悬挑出墙体夕 的屋顶在采用自由排水方 式的时候，排出的雨水不会沿外墙流淌，减少了对墙体和基础的损伤；在炎热 地区，屋顶深远的出挑能对立面起到一定的遮阳作用。 现代建筑屋顶轮廓的放大主要有三种方式：浅而厚重的出挑、深而轻盈的 出挑和深而厚重的出挑。屋顶浅而厚重的出挑方式已经从古发展至今。古建筑 无法做较大的屋顶出挑，建筑师只能精心雕琢出挑部分的线脚和层次，来突出 屋顶形象。部分现代建筑的屋顶沿用了古建筑的这种设计手法。虽然在一些线 脚细部上的简化或变化使屋顶造型更具现代感，但这种浅而厚重的出挑屋顶带 4 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 给人的还是和过去一样的传统端庄的感觉。因此，这种造型手法经常出现在具 有复古情怀的政府与文化建筑的屋顶上( 如图2 4 ) 。深而轻盈的出挑屋顶是 结构和材料技术都相当发达的现代建筑特有的屋顶造型。这种屋顶出挑的一般 是屋顶的某些构件( 如屋顶遮阳) 。随着建筑技术的进步，出挑的距离越来越 深远，构件的连接手法也越来越轻盈精美。在美学上，这种屋顶造型体现是奔 放前卫的审美取向( 如图2 5 ) 。深而厚重的屋顶出挑，对屋顶结构和整个建 筑的支撑体系的要求是最高的。由于出挑的部分既有深度又有厚度，使它们不 宜再被作为屋顶的线脚或构件来设计，而是整个屋顶体量的自然延续。所以 这种造型手法往往使屋顶内部形成一个具有利用价值的顶层空间( 如图2 6 ) 。 这种屋顶造型的整体性和震撼力很强，在美学上，它体现的是庄重和奔放的双 重价值。 无论哪种轮廓放大的方法，屋顶的整体形象都会被其出挑部分不同程度的 遮挡。人们的注意力会不自觉地被吸引到那些出挑部分上去，所以出挑部分的 底面往往是这类屋顶细部设计的重点。 图24 ( 左) 北京中国科学院图书馆 图2 5 ( 中) 法国若内克朗市未来中学 图2 6 ( 右) 香港凌宵闺 体量的组合是若干简单的几何体单元结合而形成一个整体的屋顶造型手 法。采用这种造型方法的屋顶体量一般都比较复杂，因而比较适合平面形状复 杂的建筑。与复杂的平面对应的往往是建筑复杂的功能，用复杂的屋顶体量组 合覆盖多个复杂的建筑平面功能，正好符合现代建筑“形式反映内容”的基本 原则。人们虽然并不一定能从每个屋顶单元的形态判断出其覆盖下的室内空间 的职能和用途( 事实上也没有这个必要) ，但可以从屋顶单元间形状，质感， 色彩的对比得到“一定存在某种差异”的心理的暗示。 构成组合式屋顶的几何体单元中往往会有主次之分，作为造型主题的几何 体一般不是占据了屋顶的制高点就是体量最大，或者是造型最具有特点。其它 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 的几何体单元可以围绕着这个主体错落有至的分布，这是平面复杂的占建筑常 用的手法。应用于现代建筑屋顶的这种手法和古建筑的区别在于几何体单元的 造型要自由和丰富的多，它们围绕主体的排列方式也不需要严谨的对称( 如图 2 7 ) 。还有种现代建筑独有的屋顶体量的组合方式，就是让次要的几何体插 入主要的几何体。这样的组合式屋顶虽然每个几何体单元不再是完整的，但屋 顶的造型的整体性得到增强( 如图2 8 ) 。这种体量的“加法”和削切体量的 “减法”一样，最能体现建筑造型的内在逻辑和诱发人们对空间的想象力；同 时，屋顶上不同形状，质感，颜色的体量间的咬合，搭接，甚至是冲撞，都使 建筑屋顶造型更具动感。不管屋顶主次体量的相对位置如何组织，不同体量几 何体的比例关系和组合规律是这种屋顶造型手法成功与否的关键：对比与协调 始终是一对微妙的平衡，比例是调节这个平衡的砝码，规律则是造型逻辑“合 理性”的保证。 图2 7 ( 左) i e i 本爱媛县科学博物馆轴测图 图28 ( 右) 法兰克福d g 银行总部大楼 现代建筑屋顶中不属于以上三种的造型类型的基本上可以概括于自然与自 由造型的屋顶中。自然的屋顶造型主要是指一些使用了特殊结构体系( 如悬索 结构，帐篷结构等) 的屋顶，其轮廓主要服从于结构体系的力学要求，体现的 是屋顶最自然最合理的受力状态，而不是某种特定的审美理念或几何逻辑( 如 图2 9 ) 。自由的屋顶造型是指造型很难用简单规则的几何体或它们之间的“加 减法”来生成的形状不规则的屋顶。这类屋顶的造型往往极具震撼力或戏剧性。 虽然建筑师在屋顶造型的生成过程中往往也遵循了某种依据，内心对造型的结 蔓! 童堡垡堡箜星巫丝查煦垄垦 果也有“必然性”的解释。但这些超出几何学和空间组合论以外的“依据”和 “解释”往往很难被外人理解。在他们看来，这种屋顶造型的生成过程简直就 是建筑师的“即兴发挥”，其最终结果也充满了“偶然性”( 如图2 1 0 ) 。 图2 9 ( 左) 幕尼黑h e l l a b r u n n 动物园狮子馆屋顶 图21 0 ( 右) 东京朝日大厦屋顶 2 1 2 不同流派建筑屋顶的理念 现代建筑于2 0 世纪2 0 年代逐渐兴起，至今已经演变出了十几个风格特征 比较明显，设计思想比较清晰，并得到比较广泛承认的分支流派。同一时间并 行的不同流派在建筑风格，在设计理念上往往大相径庭，而不同时期的新旧流 派却不时给人似曾相识或一脉相承的感觉。时代背景与哲学愚想的差异，使不 同流派的现代建筑屋顶的造型风格呈现出百花齐放的景象。需要特别指出的是， 各个现代建筑的流派的设计手法与原则中几乎都没有与屋顶造型直接相关的内 容。屋顶造型只是不同流派的“内在的”设计原则通过“外在的”形式的自然 表现。 这些现代建筑流派的设计理念涉及与建筑有关的许多方面，对有的流派来 说，外观与造型并不是体现其与众不同的主要元素；各种屋顶结构体系和外围 护体系材料的通用性也使建筑屋顶造型的自由度很高。以上两点原因使每个建 筑流派在屋顶外观上没有一个统一的或是固定的模式，即使是同一名建筑师的 不同作品，其屋顶在造型上也很难被贴上其个人的标签。因此，本文所归纳的 只是不同的设计思想体现在屋顶外观上的某种大致倾向，而不是某种流派屋顶 造型的死板教条。而且这些倾向在每个建筑个体上的表现程度也不一样，有 的明显一些，有的则比较模糊。 在这十几种现代建筑的流派中，屋顶造型的特征与流派风格的关联程度是 不尽相同的： 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 有机建筑：以2 0 世纪早期美国著名建筑师赖特的作品为代表的建筑流派， 是一种有生命的，整体的自内而外的建筑。整体性是指建筑内外空间与环境的 统一，自内而外是指在设计的过程中强调建筑的功能。 象征主义：象征主义是2 0 世纪6 0 年代较为流行的一种建筑设计流派，追 求的是建筑个性的强烈表现，设计的思想和意图常寓于建筑造型中，能引发人 们的联想。建筑在满足功能要求的前提下，把艺术造型和环境设计作为首要考 虑的问题。 这两种现代建筑流派虽然在风格和设计哲学上没有什么共同点，但它们的 屋顶造型对建筑风格的体现和识别性的重要程度都很高。赖特的有机建筑中有 一种重要的建筑类型被称为“草原住宅”，这些住宅在外观上都有两个重要的 特征，即出檐很大的坡屋项和穿出屋顶的壁炉烟囱( 如图2 1 1 ) 。这种坡屋顶 和烟囱似乎成为了一个母题，不管平面形状多复杂的草原住宅，其屋顶都是由 若干坡屋顶以烟囱为构图中心错落组合而成的。象征主义建筑的屋顶是建筑师 通过造型表达某种寓意的最重要的部位。跌宕起伏的屋顶轮廓线让人很容易联 想到其它具有某种象征意义的物体，这也是这个流派名称的来源( 如图2 1 2 ) 。 图2 1 1 ( 左) 芝加哥罗比住宅 图21 2 ( 右) 柏林爱乐音乐厅 粗野主义：粗野主义是以2 0 世纪中期现代建筑大师勒柯布西耶所设计的 比较粗犷的建筑风格为代表的一种设计倾向。受时代背景的影响，该流派的建 筑师认为建筑应该经济的从钢筋混凝土的毛糙，沉重与粗野中寻找现实的出路。 后现代主义：它总体上说在功能和技术上继承了现代建筑的风格，但在发 展新形式的同时对现代建筑的理论加以修正，甚至从根本上加以否定。后现代 主义建筑重新强调了建筑的语言价值，即“形”与“意”的表达，提倡复杂性、 多样性和关联性。 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 高技派：建筑对高技术的运用在建筑外观上的表现就是夸张的强调了建筑 构件的力学特性，极力宣扬机械美学和新技术的关系，把技术元素变为刻意的 装饰元素。这种建筑风格是对早期机械美学的极端发展。 解构主义：以往的建筑一直代表着稳定性，解构主义建筑则强调变化，推 理与随机的统。它是对现有规则，约定的颠倒和反转。它在解除了对象的隶 属关系的同时，还创立新的体制。所以它不是虚无的破坏或片面的重组，而是 解体与重构的统一。 新古典主义：新古典主义建筑作为后现代主义文化的产物，强调历史的关 联性，在风格上借鉴古典建筑的典型语言，是古典建筑和现代建筑的功能，技 术相结合的产物。 新地方主义；新地方主义这个名称在居现代主义文化的背景下，成为地方 风格和具有类似特征的一种潮流的代名词。新地方主义在手法上不是仅仅照搬 传统的地方风格或形式，而是借助象征和隐喻来达到体现地方文化特色的目的。 以上六种流派的建筑，屋顶形式是其建筑风格的体现者，但却不是唯一的 或最重要的体现者。粗野主义建筑把表现与混凝土的性能和质感有关的沉重， 毛糙，粗犷等特征作为建筑美的标准，造型上突出了混凝土的可塑性特征，建 筑轮廓凹凸强烈。所以在屋顶与墙，柱的交接处经常有粗大的梁头突出来，它 们的表面和墙柱一样还可能保留着模板的痕迹( 如图2 1 3 ) ；后现代主义、新 古典主义、新地方主义这三种风格一脉相承的建筑，外观上对完整的古典和地 方形式或不完整的装饰片段的模仿运用是这三类建筑的主要设计手法之一。它 们的屋顶是进行模仿的重要部位，和立面一道通过某种有意味的形象来体现建 筑的时代文化和地域文化的内涵( 如图2 1 4 ) ；高技派建筑追求新材料和新技 术与建筑全方位的结合，强调新时代的审美应考虑技术的决定因素，力求使高 度工业化的技术接近人们习惯的生活方式和传统的美学观。所以其屋顶秉承立 面的风格，以错综复杂而又井井有条的方式将各种结构构件，设备管道，暴露 在外，以体现高度工业化和技术的先进性( 如图2 1 5 ) ；解构主义建筑是对现 有规则，约定的颠倒和反转，它往往用难以名状的屋顶造型配合建筑整体的分 解、破碎、颠倒、无序的形象，发展到极端时，甚至无法将屋顶与建筑的其它 部分加以分辨( 如图2 1 6 ) 。 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 图2 1 3 ( 左) 耶鲁大学艺术与建筑系馆 图2 1 4 ( 右) 母亲住宅 图2 1 5 ( 左) 香港汇丰银行大厦 图2 1 6 ( 右) 德国魏尔市维特拉家具博物馆 功能主义；功能主义作为早期现代主义建筑的一个流派，奠定了现代主义 建筑的基调。美国建筑师沙利文提出的“形式服从功能”的1 3 号成了现代主义 及功能主义建筑的灵魂。以后的现代建筑诸流派均以功能为立足点，向不同的 方向发展，完善现代建筑之路。 国际式建筑：它是现代建筑在某种程度上过分强调了形式服从功能的产物， 这类建筑以技术代替艺术，认为美既是功能，把使用者抽象为生理或物理意义 上的人，忽视了不同地域不同文化的人对精神和审美的要求，导致了被人们称 为“方盒子”式的建筑的泛滥。 密斯风格：以现代建筑大师密斯的作品为代表的建筑流派，外形上具有极 其净化的形式。形式不是目的，而是一种结果，是结构的表现；细部上将玻璃 材料和钢结构的精美推向了顶点，体现了密斯“少既是多”的设计理念。 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 典雅主义：典雅主义的建筑庄重精美。 代的结构产生规整，庄重，典雅的安定感。 筋混凝土梁柱的精美。 它们通过运用传统的美学法则使现 在建筑的细部特征上表现为追求钢 晚期现代主义：晚期现代主义建筑和后现代主义建筑差不多同时兴起，但 两者在哲学思想上却有很大的差异。它全盘继承了现代主义建筑的理论和风格， 只是在形式上进行了更为细心的创造。 新理性主义：新理性主义是2 0 世纪6 0 年代起源于意大利的建筑设计潮流。 其作品似乎远离了商业化和工业化的负面影响，表现出理性的注重历史修养和 地方性的特征。新理性主义将从古至今的建筑划分为各种具有典型性质的类型， 认为设计的首要工作是为特定的环境挑选出历史上适宜的建筑类型，将其与现 在的需求结合，用简洁的几何形式表达建筑与现实和过去的关系。 新现代主义：新现代主义与晚期现代主义之间存在某种同一性，但两者的 内涵有所差异。新现代主义的“新”不仅仅因为它产生于现代主义建筑之后， 还因为人们不仅能从这类建筑中发现属于现代主义建筑的“旧”的审美观念的 连续性，又能发现许多不属于现代主义建筑的新东西。从发展趋势看，新现代 主义很可能成为2 1 世纪建筑发展的一股稳健的潮流。 以上七种建筑风格( 典雅主义除外) 是现代建筑诸流派中最理性的几种类 型。它们都和功能主义明显有着一脉相承的关系，造型上以纯净而抽象的几何 形态反对任何不必要的装饰。它们的屋顶往往是立面上部的一个自然的终结， 而不是其风格上明显的识别标志( 如图2 1 7 2 1 9 ) 。典雅主义建筑虽然在形 象上有着对细部的刻意追求，但这种体现风格的刻画一般是集中在立面上，屋 顶也不是其可识别标志( 如图2 2 0 ) 。 图21 7 ( 左) 西柏林国家美术馆 图2 1 8 ( 右) 巴黎法国国家图书馆 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 图2 1 9 ( 左) 迪斯尼办公建筑 图22 0 ( 右) 美国驻新德里大使馆 另外，现代建筑的发展过程中还出现过构成主义和未来派这样昙花一现的 流派。它们虽然有清晰的设计思想，但由于几乎没有建成的建筑实例，所阻其 屋顶造型和建筑风格的关系也无从谈起。 2 1 3 屋顶与建筑外墙的整合 在传统的建筑上，我们可以很容易地将屋顶和外墙区分开来。这主要是因 为古往今来，屋顶和外墙在功能上扮演着不同的角色：屋顶是遮风避雨的水平 构件，防、排水是其面临的重要问题。外墙是支撑屋顶荷载的垂直构件，门窗 开启的大小、数量、位置是设计外墙时要仔细推敲的问题。这种功能上的差异 导致了屋顶和外墙在结构类型和材料上的差异，使绝大多数建筑在立面上存在 屋顶和外墙的分界线( 有时是一条分界带) 。 历史上最早的颠覆了屋顶与外墙之间界限的著名建筑可能是古埃及的金字 塔了：一个简单到极至的四棱锥，分不清哪是墙哪是顶( 如图2 2 1 ) 。但它不 是一个能容纳人类活动的“真正意义上的”建筑。后来无论哪个时期的古典建 筑，在对柱式与比例的严格控制下，屋顶与外墙的分化都很明显。 现代建筑发展到2 0 世纪末时，建筑审美观的变化，结构体系和材料的发展 使某些屋顶和外墙之间的界限逐渐模糊起来。 从建筑审美观方面看，人们对各种手法主义的厌倦和全球信息化潮流的冲 击，使建筑的整体形象又开始向简约回归。和早期棱角分明的简约主义不同， 这次的简约主义风潮使建筑的形象更加活泼甚至是不可名状。这种美学思想和 建筑外围护结构“表皮化”的设计潮流结合在一起，诞生了一批将屋顶与外墙 整合设计的建筑。这些建筑怪异的外形往往要借助先进的计算机技术才能完成 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 设计，这使屋顶与外墙整合设计的建筑在某种程度上成为信息时代高科技的象 征。 从结构体系方面看，现代建筑开发出了种类繁多的大跨度屋顶结构体系。 其中的许多种屋顶结构都需要较大的矢量高度，使屋顶在整个立面构图上所占 的比例越来越大，甚至超过了外墙。人们在视觉上容易将这些大跨度建筑屋顶 的下部当成外墙的部分，而将真正的外墙忽略( 如图3 2 0 ) 。有些大跨度建 筑的屋顶干脆接顺势延 f e n 地面，使屋顶和外墙在外观上完全整合到了一起( 如 图2 2 2 ) 。此外，桁架结构体系由尺度小、直线形的杆件组成，对各种荷载的 变化均能适应，不仅能作为大跨度屋顶的结构体系，也能作为支撑高层建筑外 立面的垂直结构体系。所以，现代建筑中整体采用桁架结构的高层和多层建筑 也具备将屋顶与外墙整合到一起的条件( 如图2 2 3 ) 。 图2 2 1 ( 左) 埃及吉萨金字塔 图2 2 2 ( 中) 北京国家大剧院鸟瞰图 图2 2 3 ( 右) 香港中国银行总部大楼 从材料方面看，现代建筑的屋面和外墙面的材料都面临着防水，保温，美 观这三大问题，使传统的砖和瓦不再分别成为外墙和屋顶的特定用材。而玻璃、 塑料、金属板材成为了屋顶和墙面均可使用的围护结构材料，这为许多现代建 筑的屋顶和外墙面在外观上的浑然一体创造了更迸一步的条件。尤其在一些对 外围护结构材料的性能要求不需要那么全面的小品式建筑上，用单一的材料将 建筑表面整合为一体的现象更为普遍( 如图2 2 4 2 2 6 ) 。 一 箜! 至塑垡建篁星堕垄查塑垄星 图22 4 ( 左) 伦敦人行天桥鸟瞰 图2 2 5 ( 中) 伦敦人行天桥剖面图 图2 2 6 ( 右) 曼彻斯特人行天桥外观 许多新兴的建筑生态节能技术，如太阳能光电技术，也正逐步在屋顶和外 墙上通用起来。可以预见，屋顶与外墙的趋同化将成为2 1 世纪的建筑潮流之一， 继续推动建筑在美学和技术上的进步。 2 2 屋顶支撑结构体系的发展 2 2 1 大跨度屋顶 在古代，罗马万神庙的直径4 3 3 m 的穹顶已是西方古建筑屋顶的最大跨度 了。近现代以来，随着钢筋混凝土和钢这两种抗压抗拉性均优异的材料的推广 应用，建筑师们才有能力设计出大跨度，平面形状各异的屋顶来。按照大跨度 屋顶的受力特性，可大致分为悬索结构、帐篷结构、气囊结构、拱结构、薄壳 结构和各种桁架结构体系。这些大跨度的屋顶，主要出现在体育场馆，会展演 出类建筑，大型车站航站建筑上。早期比较著名的例子有罗马小体育宫( 如图 2 2 7 ) ，采用穹窿形拉梅拉拱顶1 ( 如图2 2 8 ) ，直径6 0 m ，构件最薄处仅2 5 m m 。 华盛顿杜勒斯国际机场候机楼是悬索结构的著名实例( 如图2 2 9 ) 。在主楼前 后两排柱墩上张挂着4 0 多米长的钢索，其上铺屋面板。自然形成的屋面曲线使 屋檐向上轻盈的翻起，有力的渲染出空港的环境。 拉梅拉拱是一种投影的单元平面为菱形的现代拱结构体系，于1 9 0 8 由德国建筑官员左林杰发明，引自 ( 美) 穆尔著结构系统概论p 2 5 2 1 4 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 图2 2 7 ( 左) 罗马小体育宫 图2 2 8 ( 中) 罗马小体育宫屋顶内景 图22 9 ( 右) 华盛顿杜勒斯机场候机楼 到2 0 世纪末2 l 世纪初，大跨度建筑已不再仅仅是在规则的平面上覆上一 座由简单曲线生成的屋顶。设计师们开始向更复杂的平面，更有个性的外形发 起冲击。同样是采用拱作为屋顶结构体系的柏林鲁德维格艾华德大厦的每一 榀拱的高度和跨度都不相同，很好的吻合了其平面的一条弧形边缘( 如图2 3 0 ) 。 桁架结构体系的屋顶使建筑的平面形状具有更大的灵活性。英国圣奥斯塔尔 伊甸园工程就是由若干不同跨度的球形桁架屋顶穿插在一起覆盖的世界上最大 的室内植物园( 如图2 3 1 ) 。各种现代建筑屋顶结构体系的特性将在下文中详 细介绍。 图23 0 ( 左) 柏林鲁德维格艾华德大厦立体分解图 图2 3 1 ( 右) 英国圣奥斯塔尔伊甸园工程模型照片 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 2 2 2 梁板结构体系 现代建筑中最普遍的屋顶形态是中小跨度的平屋顶。这种屋顶的支撑结构 一般是直梁和楼板组成的梁板结构体系。梁和板是承受屋顶荷载的不同环节： 板承受着屋顶荷载并把它传递给梁，但它们在力学原理上是相同的。 通常一个简支梁是水平构件，它能够承载竖向荷载的承载机制是由梁截面 内的压应力，拉应力和剪力协同作用，产生与外部旋转力矩相抗衡的力矩( 如 图2 3 2 ) 。梁的截面纤维根据离轴线距离的远近所需的强度不同。离轴线越远， 所承受的拉压应力和弯矩就越大，反之亦然。这对于均质材料的梁来说是相当 尴尬的：靠近轴线部分的材料特性得不到充分发挥，而远离轴线部分的材料强 度又嫌不足。 为了改善梁的受力性能和经济性，人们在梁的形状和连接方式上采用了一 些特殊手段： 改进截面形状：使材料尽可能的分布在梁的上下表面，将截面形状做成如 “箱形”和“工形”( 如图2 3 3 ) ； 改进长向的形状：在梁的轴线附近连续挖洞，使其作用机制接近于桁架( 桁 架的特性将在下文中介绍) 。如由水平与垂直的钢筋混凝土杆件组成的范仑迪 尔梁，只要再加上斜向支撑，它就和桁架一模一样了。范仑迪尔梁虽然从结构 经济性上还比不上真正的桁架，但其矩形开口可作为管道空间( 如图2 3 4 ) ； 图23 2 ( 左) 简支梁( 上) 和悬挑梁( 下) 在均布荷载下的应力分布图 图23 3 ( 中) 直梁截面形状的优化，梁的材质从上至下依次为：木材、钢材和钢筋混凝土 图2 3 4 ( 右) 范仑迪尔梁 连续梁：所谓连续梁就是一根单独的梁连续跨越好几个支点。和静定状态 的筒支梁不同，连续梁在每跨的支点都会承受和跨中相反的力矩，使整个梁的 形变呈现为一条波浪形的曲线( 如图2 3 5 ) 。在曲线斜率为零的地方，就是力 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 矩为零的“挠曲点”。所以在相同截面高度的情况下，连续梁每跨的跨度要可 以比静定的简支梁大； 井字梁：井字梁是一种双向受力的梁板体系，通常用于正方形的平面中。 在井字梁体系中垂直交汇的梁同时也互相支持，一根梁上的荷载会通过与其垂 直的梁分散到附近的梁上，所以这些梁的高度会比单向梁体系小( 如图2 3 6 ) 。 图2 3 5 ( 左) 连续梁受力后挠曲的形态 图2 3 6 ( 右) 并字梁受力后韵形态 尽管从材料特性的角度讲，梁板体系的传力方式不尽合理，但采用梁板体 系的屋顶还是有其自身的优势，不管未来建筑结构技术如何发展都不会消亡。 这是因为：首先，它是所有屋顶结构体系中技术最简单，造价比较低廉的一种， 对于大量中小跨度的民用建筑、简易建筑的屋顶非常适用；其次，它是除平顶 桁架外唯一能产生平屋顶形态的屋顶结构体系，这点对于有特殊功能要求的 屋顶非常重要。 像粱和板这样的由直线形构件组成的屋顶支撑结构体系，借助其沿轴线方 向的挠曲( 即弯曲) 所产生的截面应力来承受垂直于其轴向的外力( 如重力荷 载) ，并将这些垂直外力传递到各个支承端点，被国外有的工程师称为截面作 用体系2 。 同属这种结构类型的屋顶支承结构除梁板体系外还包括刚架体系。在刚架 体系中，粱通过与支撑点的刚性连接，不仅可使支点分担部分弯矩，减少自身 弯曲度，而且也使结构体系建立了抵抗水平力的机制。截面作用体系未来的发 展重点在于克服重量跨度比值低的缺点。 2 2 3 悬索结构，缆索结构，帐篷结构，气囊结构和拱结构体系 悬索结构大致可分为三种形式：单曲悬索结构、双曲悬索结构和双向曲线 悬索结构( 如图2 3 7 ) 。单曲悬索结构是由两个主要的支撑点间由若干平行的 2 详见( 德) 海诺恩格尔著结构体系与建筑造型p 1 5 5 1 7 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 索曲线组成的，在此体系上在悬挂屋面板。悬索在承受重力荷载时其形态呈现 为一条向下突出的抛物线，华盛顿杜勒斯国际机场候机楼的屋顶采用的就是这 种结构体系( 如图2 2 9 ，2 3 8 ) 。对于由非刚性材料制成的悬索屋顶来说，风 力的抬升作用很容易造成屋顶形变。为了解决这个问题，双曲悬索结构和双向 曲线悬索结构应运而生。双曲悬索结构传递力的方式和单曲悬索相同，但在主 要的承重索外另加一组平行的索抵抗风对屋顶的上举力。双向曲线悬索结构是 由两套垂直相交的索组成的，其中一组索用来承担屋面荷载，另一组用来抵抗 风对屋顶的上举力，美国耶鲁大学曲棍球场的屋顶采用的为此种结构体系( 如 图2 3 9 ) 。 图23 7 悬索结构的三种形式，从左至右分别为：单曲悬索结构、双曲悬索结构和双向曲线悬 索结构 图23 8 ( 左) 华盛顿杜勒斯机场航站楼悬索结构屋顶的受力分析图 图23 9 ( 右) 美国耶鲁大学曲棍球场屋顶结构分析图 较常见的缆索结构体系是两边有支点，在中间处挂荷载，如瑞典威尔郡雷 诺销售总部的屋顶( 如图2 4 0 ) 。缆索也可以由中央支撑，与桁架的压力杆结 合传递屋顶承受的荷载，但压力杆两端需有加强体系维持缆索的稳定，防止屋 顶被风掀起，如英国格温特郡英莫斯公司研究实验中心的屋顶( 如图2 4 1 ) 。 缆索和悬索虽然都是以非刚性材料的拉应力发挥效能的结构体系，但两者的受 力方式和工作形态有所不同：前者的屋顶荷载作用于索的某一点上，受力时的 索被拉成直线形；后者的屋顶荷载一般是以均布荷载的方式均匀的分布在整条 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 索身上，受力时索的形状是一条抛物线。所以缆索结构从传力机制到工作形态 都更接近于桁架结构，这在中间支撑的缆索结构上表现的更为明显。 图2 4 0 瑞典威尔郡雷诺销售总部 图24 1 英国格温特郡英莫斯公哥研究实验中心 帐篷材料是一种有弹性的抗拉材料，用于屋顶时其受力原理和悬索相同， 因此帐篷结构实际上也是一种悬索结构。两者的区别在于悬索只能作为屋顶的 支撑结构，而帐篷既是承担屋顶荷载的支撑结构，又是屋顶的外围护结构。面 积较小的屋顶可以直接将帐篷的边缘固定在几个支撑点上( 如图2 4 2 ) ，当屋 顶面积较大时，就要用拱或者悬索将帐篷表面分成好几个部分来帮助其传递荷 载( 如图2 4 3 ) 。在这里，拱和悬索起的是类似于梁板结构中梁的作用，而帐 篷的作用相当于板，将屋顶荷载传递给拱或索，再由它们传递到其它支撑点。 诗帮冷 图24 2 ( 左，中) 边缘直接固定的帐篷结构屋顶 图24 3 ( 右) 借助拱将屋面划分成两部分的帐篷结构屋顶 从前，阳光照射会使屋面的帐篷材料老化，人们认为帐篷结构只适合作为 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 临时性的构造。近年来随着玻璃纤维和一些涂料的应用，帐篷结构的寿命也越 来越长。 气囊结构体系和悬索一样主要也是以薄膜材料的张拉力来承受荷载的结构 体系。气囊结构主要有两种形式：充气式结构体系和气层式结构体系。充气式 的薄膜材料为单层，通过灌入空气使屋顶内表面气压高于其外表面，以维持屋 顶的形状( 如图2 4 4 ) 。这样的屋顶下的室内气压必须维持一定的数值。室内 气压的维持一般是依靠鼓风炉，如1 9 7 0 年世博会美国馆的室内气压就是由四座 出风量为3 ，7 7 m 3 s 的风扇维持( 如图2 4 5 ) 。使用这种结构体系需要密切注意 薄膜材料有没有漏气的现象。即使在屋顶薄膜材料没有破损的情况下，使用频 繁的建筑物的进出口也会成为气压流失的重点部位。所以为采用充气式屋顶的 建筑的开口设计是一项挑战，双重门和旋转门是比较好的解决方式。为充气式 屋顶的室内加压的费用接近于温带气候所需的空调费用，在上个世纪7 0 年代的 能源危机之后，维持充气式屋顶的费用越来越高了。 图2 4 4 ( 左) 充气式屋顶结构示意图 图2 4 5 ( 右) 1 9 7 0 年大阪世博会美国馆 气层式屋顶的薄膜是一个双层的封闭结构，屋顶的荷载是由气囊形成的拱， 梁，板等构件来承担，室内则毋需再充气( 如图2 4 6 ) 。这种构造方式和充气 式相比起码有两点好处：一，它不会像充气式构造那样因为人员的出入而漏气； 二，由于屋顶内部被分割成了一个个独立的小气囊，就算其中的任何一处构件 发生了损坏，也不会影响整个屋顶的结构安全。1 9 7 0 年世博会富士馆采用的为 此种结构体系( 如图2 4 7 ) 。 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 图2 4 6 ( 左) 气屡式屋顶结构示惹图 图2 4 7 ( 右) 1 9 7 0 年大阪世博会富士馆 气囊结构屋顶的材料和帐篷结构屋顶一样，都是弹性的织物材料，随着技 术的进步，这类材料的防水、防火性能都在逐渐提高，使用寿命也能达到2 5 年 以上3 。 前三种屋顶结构体系主要是依靠材料内的拉应力来维持屋顶的形态和承 受，传递屋顶的荷载，拱结构则是依靠材料内的压应力来达到上述目的的。因 此，拱顶的外形是一条和悬索方向相反的抛物线。在古代，拱结构曾经是西方 国家运用的最纯熟的屋顶结构形式，到了现代建筑时期，拱的形式又有了新的 发展。1 9 0 8 由德国建筑官员左林杰发明的拉梅拉拱，是一秭投影的单元平面为 菱形的现代拱结构体系，其室内外露的结构呈现出编织物状的图案，是建筑天 然的天花( 如图2 2 8 ) 。 最常用来建造拉梅拉拱顶的材料是木材( 如图2 6 7 ) ，2 0 世纪四五十年代 时木材的价格很低，拉梅拉拱顶被大量应用在大型建筑上。尺寸短小的钢材和 混凝土构件也可用来建造这种拱顶。 将悬索结构、缆索结构、帐篷结构、气囊结构、拱结构放在一起介绍，是 因为它们在抵抗屋顶荷载作用机制方面的相似之处：像它们这样将非刚性而且 具有可挠曲性的材料依照某种方法成形并将其端点固定，能支撑其本身并跨越 空间的体系也被称作形态作用体系4 。这种结构体系的特点是：仅通过简单的法 向应力来传递荷载，即经由压力和拉力来传递荷载，并通过法向应力改变外力 的方向。因此，按重量跨度的比值计算，形态作用体系的屋顶是跨越空间的最 3 引自( 美) 穆尔著结构系统概论p 2 0 2 4 详见( 德) 海诺恩格尔著结构体系与建筑造型p 4 1 2 1 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 经济的结构体系。在理想状态下，形态作用体系屋顶的结构形态会精确的与应 力流相吻合，也就是说其受力状况非常合理。从此意义上讲，形态作用体系是 屋顶获取大跨度及形成大空间的最适宜的结构体系。 形态作用体系的屋顶在各个端点会出现水平应力。在设计这类屋顶时，如 何承受这些水平应力是一个主要的问题。 当面i 晦新的荷载情况时，属于拉力形态作用体系的悬索、帐篷和气囊结构 靠其本身形变承担起新的拉力线，这种对荷载变化的适应性使它们的形态总可 以保持索曲线。而属于压力形态作用体系的拱结构必须以自身刚度来补偿所改 变的压力线，而不能任意改变形态。 拉力形态作用体系因荷载变化带来的不稳定性，以及拱结构为了抵抗荷载 变化而带来的厚重性都是形态作用体系的缺点，其未来的发展方向即为对各种 能有效克服这两项缺点的措施进行进一步的开发研究。 2 2 4 桁架结构体系 桁架结构基本上是由若干三角形的杆件结构单元组合而成的屋顶支撑体 系。每个结构单元内的杆件都以铰接的形式连接，只承受压力或者拉力，既没 有剪力也不会弯益，水平力也在内部抵消。结构单元中的杆件以三角形组合， 是因为三角形是所有简单几何形状中最稳定结构，除非改变其边长，否则无法 改变三角形的形状。这些杆件的位置与外力作用方向的关系，决定杆件内部应 力的大小。对应于外力的方向，斜向杆件的适宜角度约为4 5 。至6 0 。之间，大 于这个范围，杆件将承受太大的内应力；小于这个范围，在跨越相同跨度的空 间时将耗费过多的杆件，既增加了屋顶的结构自重也不经济。 桁架结构按杆件的空间组合方式可分为平面桁架、曲桁架和空间桁架( 如 图2 4 8 ) ：平面桁架结构是由处于同一垂直平面内的三角形杆件单元组成的。 同济大学“一二九”礼堂的屋顶采用的即为此种结构；如果将处于不同平面 内的三角形杆件单元组合在一起，就产生了曲桁架结构。伦敦大英博物馆中庭 屋顶采用的即为此种结构( 如图3 1 1 ) ；如果将二维的三角形单元发展成三维 的三棱锥或四棱锥，由这些三维杆件单元组成的结构体系就成为了空间桁架( 或 者称为网架) 。东京国际展示中心东展示大厅屋顶采用的即为此种结构( 如图 2 4 9 ) 。 第2 章现代建筑屋顶形态的发展 律印一 图24 8 桁架结构的三种形式，从