大空间公共建筑结构技术与形象创新

徐海龙 黄丽蒂 罗 娜

(东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆 163318)

大空间公共建筑的外在形象和结构技术的关系远比一般民用建筑要紧密得多，因为此类建筑的大空间需要大跨度结构的覆盖和围合，没有受力合理、技术先进的结构体系是无法胜任的。自20世纪以来，新材料、新技术的推广与应用及先进的结构理论的建立与发展，促进了大空间公共建筑向高技派形象的创新，涌现出了一批建筑形象和结构技术完美融合的大空间建筑作品，使建筑艺术从某种程度上与结构技术的表现无法分割，结构技术正越来越深刻影响着建筑形象的创新［1］。

在大空间公共建筑创作中，由于结构技术扮演着如此重要的角色，使得它成为此类建筑形象的技术保证，也进而成为建筑形象表现的要素，是建筑形象创新的主要动因。

1 历史的回顾

19世纪英国伦敦的水晶宫和法国巴黎的埃菲尔铁塔(见图1)，作为令世界瞩目的建筑奇观，拉开了近现代建筑的序幕。与传统建筑相比，这些作品在形态比例上不乏美感，却少了些柱式和线脚，多了些建筑功能与结构要求的一致性。随后，西方社会开始积极探索新的建筑材料，钢铁工业的繁荣和波特兰水泥的发明启发了建筑师，将其应用在大空间公共建筑的穹顶部分，从而为建筑的发展提供更为广阔的视野，而促进建筑发展史形成一次重大飞跃的，当数钢筋混凝土结构的出现，它使混凝土的抗压和钢筋的抗拉能力得到了完美结合，改变了传统的建造方法，是建筑形象得以创新的又一物质基础。

图1 埃菲尔铁塔

进入20世纪后，钢结构和钢筋混凝土薄壳结构的兴起，不论在材料基础上，还是在物质基础上，均促进了建筑方法和手段的大力发展，使建筑形象令人耳目一新，同时也涌现出了一批杰出的建筑师和工程师，最著名的代表人物包括:意大利建筑师奈尔维(P.L.Nervi)、美国建筑师小沙里宁(Eero Saarinen)、美国工程师富勒(B.Fuller)、德国建筑师奥托(Frei Otto)等人。奈尔维毕生致力于探索钢筋混凝土的性能和结构潜能，为推进建筑艺术与技术的和谐统一方面做出了杰出的贡献。他的代表作品有都灵展览馆B厅、罗马小体育宫(见图2)等。罗马小体育宫的内部采用了混凝土网格，增加了建筑的秩序美和韵律美，实现了力与美在建筑实体中的有机统一，创造了近乎完美的建筑形象。小沙里宁是注重建筑表现与结构形态相结合的建筑师的代表人物之一，他设计的美国环球航空公司航站楼(肯尼迪国际机场)，是一个凭借现代技术把建筑同雕塑结合起来的作品。内外形态的有机变化、清晰可见的结构空间、准确无误的细部表达，均体现了建筑、结构与艺术三者之间的巧妙融合。他的另一杰作是华盛顿杜勒斯国际机场候机楼(见图3)，大楼为悬索屋顶，结构形态符合美学的基本规律，具有美观舒展的视觉效果，看上去显得十分自然。富勒于1948年提出了用于网壳结构的短线穹顶的结构和索球形网壳的形态构成，在大空间建筑界有着深远的影响，他最著名的代表作品有1967年蒙特利尔世博会美国馆(见图4)。奥托最著名的设计作品是1967年蒙特利尔世博会西德馆和1972年的慕尼黑奥林匹克体育场(见图5)，他曾致力于悬挂结构的研究，并设计了多个张拉索结构建筑。

图2 罗马小体育宫

图3 华盛顿杜勒斯国际机场候机楼

图4 蒙特利尔世博会美国馆

图5 慕尼黑奥林匹克体育场

结构技术是大空间建筑形象创作的坚实基础，而且合理地运用结构体系和建筑材料能突显大空间建筑的形体特征，经过对其具体形象进行适当的调整、修改，使其整体的建筑形象更符合社会审美心理和周围环境的要求，达到结构与形式的完美统一，同时，社会进步、经济发展、精神需求等又不断地对形体空间提出更高层次的要求，这些要求反作用于结构技术上，又促进了结构技术和施工材料的不断发展。大空间建筑的结构技术和形象创新正是在这样相互影响、相互依托、相互促进中，共同推进彼此的发展［2］。

2 大空间建筑结构设计手法

结构创新是现代大空间建筑创作手法中极具生命力的表现手段。由大空间建筑结构设计和形象创新的相互作用规律可以得出以下几种结构设计手法。

2.1 灵活选用已有的结构形式

大空间建筑的空间结构形式十分丰富多样，充分挖掘结构形态自身的美学潜力，使其与建筑形态完美的融合，并加以恰当的表现是体现建筑形象创新的重要手段。

常用的结构形式有:

1)钢筋混凝土薄壳结构。它的基本形式为圆筒、圆球、双曲抛物面，外部体形以曲面、外凸状为主，姿态雄伟、气魄非凡;

2)平板网架和网壳结构。它的最大特点就是由杆件构成了重复而有韵律的几何图形，表现形式轻巧、玲珑，不加任何修饰即表现出精美、现代的艺术效果;

3)悬索结构。它多呈单曲和双曲(马鞍形)两种形态，具有柔性舒展的特点，呈现出受拉、下凹姿态，外形轻盈;

4)膜结构和索—膜结构。主要由支撑构件、拉索和薄膜面层组成，其自重轻，故形态表现出自由灵活、轻快飘逸的特点。近年来国外用得较多的“索穹顶”，实际上也是一种特殊形式的索—膜结构;

5)混合结构。通常是柔性索和刚性构件的联合应用，表现出来的建筑形象，柔中带刚，更加多样化，有很强的视觉震撼力［5］。

2.2 广泛应用柔性的抗拉材料

索、膜等柔性材料由于其轻质和良好的抗拉性能，大大增加了建筑的跨度，也使得建筑造型更显轻盈，在大空间建筑结构中得到了广泛应用;索桁架是以索来代替桁架的受拉杆件;张拉索杆结构由柔性张拉索(或链杆)及刚性撑杆组成的结构，使屋面与两端支撑达到了一体化设计，改善了传统的桁架、网架下弦杆件给人视觉、感觉上所带来的粗重感，突出了建筑中的技术成就表现［2］;膜结构造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，在世界各地受到广泛使用。张拉索与膜组成的索膜体系除了可实践具有创新且美观的造型外，也最能体现膜结构的形式特征，实现前所未有的大跨度。

2.3 普遍使用完善的计算工具

现代结构的发展建立在理论分析和力学计算的科学基础之上，使空间结构如空间网架、网壳等的计算问题迎刃而解。随着电子计算机的出现和普及，及一些理论分析、力学计算软件的应用，为这些空间结构的发展和广泛应用创造了条件，从而也有助于设计方案的比较、优化以及结构试验的模拟，为验证结构方案的可行性和理论计算的可靠性开创了经济快速的途径。

2.4 积极探索新型的结构体系

建筑新形象的产生，无疑要以创新的结构体系的出现为基础，这是大空间建筑形象创新中最具决定性的基础因素。社会进步、科技发展和人们的精神需求必然会推动新结构体系的产生，而建材性能、计算理论、计算工具和施工技术等的创新是新结构体系发展的保证。如在体育建筑中，最显著的新型结构要数开合结构，它使得建筑的空间具有可调性，开合屋盖结构可根据天气情况或赛事的要求来决定屋盖的开启和闭合，近几年的工程实例多用在体育类建筑中。总的来讲，在新型的结构体系产生的同时，建筑师应该始终积极地去探索与之相协调的建筑形象［4］。

3 结语

意大利建筑师奈尔维认为:一个从美学观点公认的杰作，技术上一定是优秀的;而一个技术完善的作品，可能在美学观点上并不被认可。结构技术是形象创新的动因，形象创新受制于结构技术，又推动了结构技术的发展。近几年来，世界各地均出现了一些单纯为了视觉刺激而创造出来的建筑形象，而采用了不合理甚至虚假的结构形态的做法是不可取的。注重建筑结构与形象的有机结合、灵活选用合理的结构、不断提高结构技术水平、积极探索新的结构形式，必然是大空间公共建筑形象不断创新的重要途径。

［1］马国馨.体育场设计邹议［J］.建筑创作，2001(sup):6-26.

［2］姚亚雄.建筑创作中的结构表现［J］.建筑创作，2002(7):28-33.

［3］沈世钊.大跨空间结构理论研究和工程实践［J］.中国工程科学，2001，3(3):34-41.

［4］Huang L D，Liu D M，Zhang Y Y.Dynamics-based strandedcrowd model for evacuation in building bottlenecks［J/OL］.Mathematical Problems in Engineering，2013(2013)，Article ID 364791，7 pages.http://dx.doi.org/10.1155/2013/364791.