钢结构建筑中技术与艺术的统一性.pdf

第九届全国现代结构工程学术研讨会 钢结构建筑中技术与艺术的统一性 刘军田王维斌张玉兰 ( 河北建设集团有限公司，保定0 7 1 0 7 0 ) 提要：2 0 世纪8 0 年代以来，钢结构以其预工程化程度高，施工速度快，高度更高，跨度更大，造型美观，轻巧坚固等 诸多优点，已广泛应用于飞机库、候机楼、体育场馆、会展中心等各类大型公共建筑中。本文从技术美学的角度探 讨钢结构建筑的美学表现方法，分析钢结构建筑所表现出来的理性与功能、结构造型与建筑美学的统一性，通过对 建筑和结构的关系的分析，从结构受力的角度探讨结构形态技术美学的价值及其表现手法，并说明建筑之美 贵在真实，结构形态的创新是实现建筑与结构和谐统一的关键。而钢结构建筑充分体现了材料的真实、结构的逻 辑、构造的完美，实现了技术与艺术的完美结合，体现结构造型的独特魅力。 关键词：钢结构，技术形态，技术美学，材料，造型，力流 一、引言 建筑艺术和技术在建筑发展历史中是共存的，建筑离不开艺术，技术也是建筑中任何时代和地区所共 有的一个东西，一个概念或者是一种艺术形式。可以说建筑有三个子系统，功能系统、技术系统和艺术系 统。艺术系统是建立在满足功能和技术支持的前提下，然后去增加的一种艺术的境界，这三者缺一不可。 随着社会的发展，技术不再仅仅是建筑的唯一要求。建筑市场的日益开放及新技术新材料的出现，受 西方知名建筑师设计的一些优秀作品，特别是高技派作品的影响，我国的设计师逐步认识到了结构形态技 术美学的价值。建筑之美贵在真实，而以真实的结构塑造真实的内部空间和外部形象，以科学的诚实风格 营造艺术的灵秀气韵是结构技术美学价值的关键所在。从美学的分类来看，结构形态之美属于技术美学的 范畴。建筑设计构思的自由性，是随着对结构设计的逐步深化而扩大的，而建筑构造的自在性又是在把握 美学构成法则的基础上得到飞跃的。结构形态技术美的表现关键在于实现建筑造型和结构形态的和谐统 一o 从建筑学的角度，不同的建筑材料表达了不同的建筑语言一石材代表凝重，木材代表温馨，玻璃代表 简洁，钢材代表轻盈，而不同材料间的相互结合又表达出不同的建筑语言。由于钢结构具有比混凝土和砖 石结构更好的力学性能，特别是现代钢结构的发展，将结构的受力体系从平面发展到空间，使其更能体现 结构造型的独特魅力。同时，钢结构也从一种结构工具变成一种建筑思潮，其结构构件成为了建筑设计的 一个组成元素和语汇逻辑的支撑体。我们在不同时期看到了钢结构建筑所表现出来的理性和功能、结构造 型和建筑美学的统一。 结构形态技术美的表现 在西方建筑史中很长时期，建筑完全由结构系统的形式逻辑所决定，建筑形态是由建筑物的结构骨架 产生的，建筑很少因视觉原因采取更多的措施，而只对结构做了一些可视性调整来体现建筑形式。在古希 腊的神庙建筑中，结构形态与建筑形式达到了一种完美的和谐。雅典的帕提农神庙就是这方面的典型范例， 神庙的建设者们并没有企图掩饰结构，而是采用一种合理而简单的、能够从当时材料中建造出来的形式。 中古哥特时期的主要建筑的情况也是如此，这些建筑也是用经过装饰的结构来体现建筑形式，在这类建筑 中，几乎一切可见的的东西都是结构的，这在技术上是完全必要而合理的。 工业建筑2 0 0 9 增刊9 5 3 第九届全国现代结构工程学术研讨会 二十世纪，随着新材料、新技术和新结构的出现，有一部分建筑师再次对构造学产生了兴趣，裸露结 构的装饰作用重新出现在西方建筑的主流中，结构形态所具有的魅力开始被关注，其美学价值得到了前所 未有的挖掘。与技术相连的概念被自由地用来产生赞美技术的建筑艺术，使结构本身蕴涵的充满张力的美 学特性得以充分发挥。建筑师们将最新的结构科技应用于建筑设计上，他们以技术的进步性、材料的先进 性和功能的合理性为建筑设计的终极目标。被称为钢筋混凝土诗人的意大利建筑师兼结构工程师勒尔维在 推动结构形态技术美学和建筑艺术的和谐统一方面所做的贡献是举世公认的。他熟练地应用可塑性较强的 钢筋混凝土材料，把结构的力与美有机地统- n 了建筑实体中，创造了近乎完美的建筑形象。 按照主要的视觉标准对结构构件进行充分应用，将结构技术的美学元素融入到建筑设计中，这是二十 世纪建筑艺术的主要特征之一。对这种特征的结构表现主要有两个方面。首先，建筑从象征意义上表现结 构形态。结构被用来作为一种视觉词汇，目的在于传达进步思想和由技术所决定的未来思想，与技术相关 的概念被自由地用来产生赞美技术的建筑艺术，并让建筑表现出时代的特色。其次，可以设计明显的裸露 结构用于与人造环境相适应，刻意强调工业结构、工业构造和机械部件的美学价值。 二十世纪后期，建筑造型由结构形态决定的情况主要体现在大跨度建筑和需要抵抗较大水平荷载的高 层建筑中。在这些建筑中，建筑师对建筑形态的创作注重结构体系和形态的合理性。大到建筑体系的构成， 小到构件和节点的处理，都考虑到结构受力的需要，透过建筑形式的表现，观者能够看出其本质特征仍在 于由结构形态所构筑的建筑之美。 三、钢结构技术与艺术的完美结合 建筑美学作为一种重要的社会文化，是人类的理想与意志的外在体现，也是时代特征和地域文化的 有机结合。同时，建筑美学也应与社会生产力的发展以及当代科学技术水平密切相关。在现代建筑中， 美而令人震撼的建筑往往有着绝佳的结构设计，合理而简洁的结构也往往给人以美的感觉，而这种美感 的本质是时代精神。钢结构建筑正是在时代精神的指引下，随着现代科学技术发展起来的一种全新建筑 技术表现形式，是材料科学、建筑学、结构力学以及现代环境学高速发展的综合产物。伦敦的水晶宫和 巴黎的艾菲尔铁塔向人们展示了欧洲工业革命那惊心动魄的力量，也正是因为有了这种力量，也即当时 的这种时代精神，钢结构建筑艺术才取得了如此巨大的进步，同时也促进了2 0 世纪工程技术的繁荣。钢 材作为一种能够创造出崭新空间和结构美感的建筑材料，逐步为现代建筑师所热爱和推崇。一些国际知 名建筑师的作品都不约而同地用钢去表现“新理性主义”和“简约风格”的传统及时代精神。他们非常 重视和善于掌握新材料和新技术，在细微感受和精心使用材料的同时，强调空间的丰富和人情味。正是 这种对新材料、新技术和人情味的敏感以及富于创新的新时代的思维，才使钢铁这种看似冷酷的材料在 现代建筑中体现得如此精妙和富于创新性。 ( 一) 钢结构建筑的结构美 在建筑的美学表现元素中，建筑造型与结构的联系最为直接，建筑美主要体现在造型上，而造型美的 本质就是结构美。钢结构建筑最能体现建筑结构技术与艺术的完美结合。在钢结构建筑中，由于钢材完全 不同于其他材料的力学性能及截面形式的多样性，使其具有比其它材料更强、更轻盈、更灵活的造型能力。 可塑性极强，其建筑造型可较好地通过结构解析来进行设计。钢结构建筑结构美的关键在于对力流的合理 组织和把握结构受力的合理搭配。一般来说，建筑钢结构力流的总体形状是树形的，在上部是逐渐汇集， 到地基时逐步扩散，具有明显的分形性质。而力流是沿着杆件传播的，杆件的布置其实就是对力的导向。 如何使力流的导向明确，而且传力途径短而直接，这是结构工程师对于结构选型的任务，也是建筑造型的 基础。在目前大量用于机场航站楼、会展中心、体育馆等公共建筑的空间钢结构造型设计中，上述概念显 得更为重要。而这种来源于结构设计和布置的结构造型美由于与力有关，故较具震撼力，体现了人类本能 对力的崇拜和永无止境的追求。钢结构索膜建筑的研究和形成过程正是充分利用了形态构成中力的规律， 将索膜建筑的美建立在结构预张力的基础上，使技术逻辑、结构语言成为了索膜建筑艺术美的主要表现。 上海东方明珠电视塔是结构造型美的典型建筑，其设计充分体现了对力流的合理组织和对力的分形性质的 工业建筑2 0 0 9 增刊 第九届全国现代结构工程学术研讨会 利用。在昆明国际会展中心新馆的设计中，建筑师和结构工程师充分合作，将建筑造型主要通过结构形态 来体现。结构工程师在对大跨度钢结构进行设计时，为了体现结构的形态美，刻意避开了传统的网架和其 它实腹钢结构，而通过研究结构的受力特点，对力流进行合理组织和引导，寻找到一种能同时符合力学原 理和建筑造型的几何图形与结构弯矩分布形状一致的梭形空间管桁架结构，充分体现结构力量美和建 筑形象美的有机结合。 ( 二) 钢结构的理性技术表现 钢结构所表达的建筑语言呈现明显的理性技术表现倾向。高耸的桅杆、流线型的空间结构、富于机械 艺术表现魅力的钢节点、充满张力的自然曲线的膜以及其它技术可望而不可及的大跨度自由空间，都给人 以艺术感染力和某种程度的技术神秘感，使钢结构更富于强调理性技术逻辑的表现特征。近年来在钢结构 建筑技术表现方面的卓越实践，则在更高层次上达到了建筑与结构技术的高度和谐统一。今天的理性技术 表现真正把技术逻辑和技术手段作为建筑美学表现的基础，并在此基础上对真实的技术逻辑加以升华和提 炼，追求技术与艺术的完美结合，使技术从思想深处影响人们对于技术的审美态度。在建筑设计越来越注 重环境的今天，与整体环境是否和谐早已成为人们评判建筑设计成功与否的关键。钢结构建筑在空间和平 面布局上的高度灵活性，使其往往与周边环境自然地融为一体，建筑师可充分利用由钢结构的可塑性所形 成的自由形态来达到空间上的聚聚合合、若分若离的多层次变换。 ( 三) 钢结构的超尺度表现手法 在对比、协调及超尺度的表现手法上，钢结构具有其它材料无法比拟的优越性。城市建筑中，大量的 建筑形象处在矩形序列的变化之中，而钢结构建筑所体现的技术表现形象却与众不同，它那不加修饰且简 洁明丽的动感外观，若加以巧妙运用，可起到画龙点睛和提气醒神的效果。同时，由于钢结构的技术特性， 往往可达到超尺度的建筑表现，并能便建筑空间的跨度、高度及空间品质更具有自由度。运用超尺度的对 比达到更高层次的尺度协调是大跨度钢结构建筑设计的常用手法。西班牙建筑师，2 0 0 4 年雅典奥运会主体 育场建筑群的设计师圣地亚哥卡拉特拉瓦，被人们称为“追求结构造型美的艺术家”、“熟知结构的建 筑师”。他致力于把钢结构的建筑造型通过结构解析来进行设计，因此他的作品使人感到一种精致典雅的 结构美和震撼人心的力度，其由结构构件所表现出来的空间造型能力，往往令人兴奋不已，如葡萄牙里斯 本东方车站及巴伦西亚科学城等钢结构建筑都是充分运用钢结构的的对比协调来体现结构美感和力度的 代表作。建筑师理查德罗杰斯和结构工程师哈波尔德设计的英国格林威治千年穹顶采用了超尺度的表现 手法，其由钢结构的形态所决定的巨大建筑体量带给人的空间感受是一种超乎自然的伟案与神奇。虽然这 项工程一建成就引起了人们较多的关注和争论，但从技术美学的角度来看，其美学概念是比较简单的一 将建筑物作为一种技术作品来欣赏，因为技术是一种理性行为，技术的进步从思想深处影响人们对技术的 审美态度。 ( 四) 钢结构与仿生建筑 近几年，一些建筑师开始尝试用更加生态化的建筑语言表达未来的时代精神，仿生建筑逐步出现在人 们的视野中，而结构和材料仿生是这种建筑创新活动的基础。由于钢结构所具有的力学性能和可塑性，它 在仿生建筑中扮演着重要角色，是最适宜应用于仿生建筑的结构体系。在仿生建筑的设计中，一些大跨度 和形式较为复杂的结构，使用砖石或钢筋混凝土往往难以实现，即使勉强实现了也难以表现出仿生结构的 轻盈和优美，而钢结构则可将结构的受力体系从平面发展到空间，在模仿自然界的形态上具有其它材料无 法比拟的优势，从而使建筑师的梦想有了实现的可能。圣地亚哥卡拉特拉瓦的许多作品的设计灵感都来 源于大自然，他把动物的脊椎、羽毛、贝壳，甚至人的肢体语言通过钢结构的形态设计和谐地运用到建筑 中。他的作品往往是在解决了工程问题的同时也塑造了形态特征，真正体现了实用性和艺术性的结合。在 由英国建筑师尼古拉斯格雷姆肖设计的伊甸园全球植物展览馆中，结合地形自由布置的由钢和玻璃构成 的一连串穹隆晶莹剔透，自然而又充满动感，让人联想到自然界很多的生物形态。钢结构索膜建筑也是仿 生研究的结果，德国斯图加特和加拿大温哥华国际机场利用了树枝状的钢结构支承体系，北京2 0 0 8 年奥 运会主体育场的设计灵感则来自鸟巢的形状。实际上，对一些比较重要的公共建筑来说，设计的竞争在很 大程度上是建筑设计方案结构形态的新颖性和美观性的竞争，而利用仿生学原理进行建筑和结构设计是一 工业建筑2 0 0 9 增刊 9 5 5 第九届全国现代结构工程学术研讨会 种行之有效的方法。从近年来国外建筑师在我国参与国际招标所提供的设计方案来看，建筑造型的仿生化 是一个明显的特点。 四、结论 结构形态技术美的表现关键在于实现建筑造型和结构形态的和谐统一，结构中蕴涵的诗意之美需要建 筑师和结构工程师的真诚合作才能得到体现。从美学的分类来看，结构形态之美属于技术美学的范畴。建 筑设计构思的自由性，是随着对结构设计的逐步深化而扩大的，而建筑构造的自在性又是在把握美学构成 法则的基础上得到飞跃的。前文提到了三种美，即技术美、艺术美和自然美，建筑技术美学充分利用技术 所提供的可能性对建筑作出处理，并力图使技术艺术化。钢结构在建筑中的运用是当今的一种趋势，在钢 结构建筑中，这三种美的关系表现为自然美蕴涵在技术美中，技术美又成为了艺术美的主要体现，三个层 次上的有机结合构成了钢结构建筑的美。当今的技术美