多米诺结构体系的当代改造策略

王兴鸿，戴航/WANG Xinghong, DAI Hang

多米诺结构体系的当代改造策略

王兴鸿，戴航/WANG Xinghong, DAI Hang

柯布西耶于1922年设计的多米诺结构，是现代建筑的基本结构体系。本文分析了多个在传统多米诺结构基础上加以改造的当代建筑的结构体系，并试图对结构体系的未来发展加以展望。

多米诺体系，结构，形态 ，改造

1 柯布西耶的多米诺结构体系（图片来源：Yasemin İskenderoglu，A Thesis Submitted to the Grduate School of Natural and Applied Sciences[D]，Middle East Technical University，2009）

1 传统多米诺体系（Domino System）

在工业革命时代背景之下的1922年，勒·柯布西耶采用钢筋混凝土柱-板体系（Column-Slab System）为结构系统（图1），将墙体从建筑结构体系中释放出来，打破了古典建筑空间对称的格局，构建了自由的平面形态，形成了具有自我指涉符号的多米诺体系[1]，图2是一个典型的多米诺体系的剖面图，其结构骨架（Skeleton）由方形的竖向等截面柱、水平肋梁楼板以及竖向连接楼梯构成。多米诺体系节省了结构用材,使得各结构要素得到合理的利用，同时也奠定了现代建筑发展的基本结构骨架。柯布西耶以此为依据，于1926年提出了新建筑五点，最终完成了多米诺体系的理论体系。多米诺体系的建立对日后建筑理论的发展及设计实践影响深远。

2 多米诺结构体系的当代改造策略

在建筑多元化发展的当下，如何利用结构、材料和建造技术手段在传统的基础上对建筑空间及形态进行改进甚至突破，以适应现代空间发展的多样化要求，成为了建筑师们最为关注的问题。

2.1 基于材料和建造

二战结束之后，材料科学和制造业得到了飞速发展，多米诺体系也得到了相应的发展。当时的建筑师们开始深入探讨不同材料和建造方法对建筑设计可能的贡献，尤其是基于标准化、模块化的工业化建造思想的应用。

1950、1960 年代，钢结构多米诺也得到了很大的发展，最为著名的是瑞士建筑师菲利茨·哈勒（Fritz Haller）提出的结构体系。他在研究了工业化材料的设计和建造方法的基础上，对柯布西耶以钢筋混凝土为材料的多米诺结构体系进行了改造。他以钢为结构材料，提出了3种改造体系：适用于私人住宅和办公楼的“最小体系”（Mini-System）、适用于高层建筑的“中间体系”（Midi-System）、适用于工业园区建筑的“最大体系”（Max-System）。此类工业化背景下多米诺系统的特征是，配置了钢结构柱，在柱与板之间增加了空腹桁架梁，而梁柱之间则通过螺栓连接，使该体系中的构件均可以拆卸和循环使用，同时，空腹梁形成的空间可以被设备管线整合使用。在钢结构多米诺系统中，由于梁元素的加入，结构力流传递路径更加清晰，结构效能明显提升；由于标准化的连接节点和模数化构件的使用，多米诺快速建造施工成为可能。位于巴登的Kantonsschul（图3）和USM制造工厂（图4）可以完美地诠释哈勒的设计理论。该体系也是他由建筑师转而成为家具设计师后，发展出哈勒模块化家具设计体系（USM Haller System）的原点。

木材作为结构材料在多米诺系统改造中也取得了很大的突破，尤其是胶合木技术的发展，使得木材作为结构材料被广泛运用于建筑中。罗杰斯设计的英国摩斯伯恩社区学校采用整体式木框架结构建造完成，所有构件简洁纯粹，结构构件的连接采用了钢构节点（图5、6）。该设计对连续梁的抗弯性能进行了优化：主跨梁头出挑，简支梁跨度减小使弯矩减小，立面呈现出优美的韵律感。由ABCG建筑师事务所设计的瑞士幼儿园及多功能厅采用胶合木技术，节点连接采用更加纤薄的钢片，在实现对多米诺结构材料改造的同时，为儿童的学习提供了一个亲切舒适的连续空间（图7、8）。

2.2 基于效能优化

单一的多米诺结构体系显然已不能满足现代建筑的设计和表达，对传统结构体系的优化自然成为构建多元化建筑形态的必要手段。建筑师和结构师们在设计实践中采取了多种措施以实现结构效能的优化，总体的优化策略遵循在用材最少的情况下达到最合理的形式这一原则。多米诺结构体系的优化策略之一是改善柱板体系的受力，一方面，有效抵抗柱板部位的冲切剪应力，另一方面，改善板的受力，提升结构效能，使板的用材减少、自重减轻。图9中，柱头的扩大处理或顶板局部加厚（a、b）、框架体系支撑应用（c、d、e）、主次梁和井式梁支撑应用（e、f），都是基于上述的优化考虑[2]。

奈尔维（Pier Luigi Nervi）的混凝土作品中，二维交织的网格状结构体系符合板结构应力分布形态，用结构形态的表达反映结构力流传递的图解，优化了结构体系，同时获得了独特的建筑形态（图10、11）。另外，霍普金斯（Michael Hopkins）设计的剑桥设计中心的一层楼板形态也是源于同样的技术策略（图12）。

2.3 构件重构

此种策略运用现代结构技术和建造工艺，通过对多米诺系统中的“柱”与“板”在结构构件的材料、组织方式及结构抗力性能等方面进行了改造，建立建筑形态、空间模式和结构体系的新特征。

2.3.1 管状柱+蜂窝板

由伊东丰雄设计的仙台媒体中心是运用此种改造策略最成功的案例之一，是日本乃至世界建筑的一个里程碑。

伊东是以在水中漂浮摇曳呈现出动态的、极具自然之美的水草形态为出发点，希望实现“浮动的海草般的立柱”，并且探寻出媒体中心在新的时代背景和新的技术条件下建筑形态的表达和不同的空间体验。伊东和结构师佐佐木穆朗在综合考虑柱子形态及受力之后，最终确定了该建筑的结构体系[3]（图13、14）。

若将媒体中心看作一个重构体系，那么，这个体系的重构原形就是柯布西耶的多米诺体系。该体系对传统多米诺体系中的“柱”和“板”分别进行了替代和改造，媒体中心的结构设计中采用了SMT原理：从板（楼板）、管（柱）、表层（立面）3个要素开始，整体建筑结构只由板和管状柱构成[4]。

对柱的改造方面：媒体中心结构由截面大小不一、有机分布的13根非线性管状柱支撑起7个水平开放的无障碍空间层，通过不同位置和不同截面13根柱的配置，满足整体结构的稳定性；根据柱的受力状况和抗力机制，综合竖向力和侧向力的抗力需求，调整管状柱内部构件的密度和组织方式，确保结构的效能 （图15）。这些管状柱是由一系列竖向、斜向的“钢管柱”和横向的“环”构成的“柱”系统，这里“柱”的概念已经被建筑师空间化了：在这些管状柱的空间中，容纳了建筑所需的辅助管线设备及建筑的垂直交通系统，完全将结构与建筑、空间进行整合设计，在达到结构高效要求的同时，实现了建筑最大化的开放性、通透性和无障碍化（图16）。

新体系中的非线性管状柱打破了单调的空间模式，形态各异和赋有动感的13根柱子犹如水面中激荡的波纹，使得柱子之间的场所也充满流动性。仙台媒体中心在确保结构效能的同时，实现了结构与建筑空间的完美结合。

对板的改造方面：蜂窝状楼板作为整体结构中减震的另一个要素，在设计中也进行了精心处理：楼板类似于多米诺体系中的钢筋混凝土肋梁楼板，但为了减轻楼板的自重、减小其截面厚度，采用了钢结构系统（图17），上下两片钢板夹着钢肋的“三明治”楼板，以达到更小的厚度和更大的跨度，最终采用400mm厚的蜂窝状楼板解决；另一方面，为增强结构的稳定性和刚度，在板与柱的连接位置，依据楼板开洞后应力分布状况，进行了辐射式拓扑变形，因此楼板呈现出3种区域：管状柱贯通孔洞区，板与柱力流转换区，承受板面荷载区。此种中间夹钢肋的楼板可以理解为立体的工字钢体系或者是立体桁架体系，上下板面分别承担拉与压的不同作用，

极大地提高了结构的效能（图18）。

5、6 英国摩斯伯恩社区学校（图片来源：戴航，高燕. 梁构·建筑[M].北京：科学出版社，2008）

9 传统结构体系的优化（a.柱头扩大；b.顶板局部加厚；c.单向框架；d.双向框架；e.主次梁体系；f.井式梁体系）

10、11 奈尔维的预应力结构体系（图片来源：[意]P.L.奈尔维. 建筑的技术与艺术[M]. 黄运升译. 北京：中国建筑工业出版社，1981）

12 剑桥研究中心（图片来源：G. A. R. Parke, C. M. Howard. Space Structures 4[M]. Reston, Virginia. Amer Society of Civil Engineers, 1993）

3 巴登的Kantonsschul

4 USM制造工厂

2 多米诺结构体系剖面分析（a、b 垂直剖面分析；c 屋面楼板剖面分析）

7、8 幼儿园及多功能厅（图片来源：Stefania Briccola. Giovani architetti comaschi a Lugano[M]. Italy，2012）

13 仙台媒体中心结构体系（图片来源：参考文献[3]）14 仙台媒体中心构思草图（图片来源：参考文献[9]）15 仙台媒体中心柱系统（图片来源：参考文献[3]）16 仙台媒体中心空间中的柱（图片来源：参考文献[9]）17 仙台媒体中心蜂窝状楼板结构平面（图片来源：参考文献[3]）18 仙台媒体中心空间蜂窝状楼板结构分区19 KAIT工房室内柱子（图片来源：参考文献[5]）20 KAIT工房整体结构模型21 施工中的KAIT工房格子状楼板22 两种不同作用柱的截面几何形状23 两种柱在不同作用力之下的变形（a.弯矩应力分布；b.竖向力作用下的应力分布图；c.地震力作用下的弯矩分布图)(20-23图片来源：参考文献[7])24 鸡蛋展览馆结构体系25 建造中的鸡蛋展览馆（24、25图片来源：http：//www.proholz.at/ zuschnitt/40/immer-unter-spannung/）26 乐观建筑学院内景27 乐观建筑学院结构体系28 乐观建筑学院正交柱网的重构（26-28图片来源：参考文献[8]）29 多摩艺术大学图书馆外景30 多摩艺术大学图书馆结构体系（29、30图片来源：参考文献[9]）31 多摩艺术大学图书馆非规则型柱网的组织32 温弗雷德对传统多米诺体系的改造概念草图33 温弗雷德对传统多米诺体系改造后的结构体系（32、33图片来源：Wilfredo Méndez Vázque：Principios de una Cultura Bio-técnica，2010，http：//arquillano.com/2011/02/21/principios-deuna-cultura-bio-tecnica/）

在2011年的海啸中，仙台媒体中心这一“改造后的多米诺体系”主结构完好无损，充分证明了自身结构体系高效的抗力性能和极佳的稳定性能。

2.3.2 拉压组合柱+预应力板

日本神奈川工科大学KAIT工房是石上纯也2009年主持完成的。整体建筑使用305根尺度纤细的“柱”支撑起45m见方、4.2m～4.8m高的空间体量[5]，建筑通过突破传统审美与常规尺寸的极细的“柱”，实现其追求的轻盈通透和空间的暧昧效果。

为了达到空间和形体上的要求，石上纯也与结构师小西泰孝对每一个柱子的位置、尺寸与方向进行了长达3年的分析研究，其结构体系的原形，依然是柯布西耶的多米诺柱-板体系，其技术策略是利用现代结构技术和施工工艺，对“柱”与“板”进行了改造，形成了新的抗力体系（图19）。

对板的改造方面：楼板采用钢肋梁体系，在设计试验中，小西泰孝利用了预应力技术：先将压力构件就位去承受屋顶的重量，然后对1990m2的板面模拟施加可能的雪荷载，当屋顶受力变形降到某个高度时，才将拉力构件从梁架往下与地面连结（如图20），当模拟施加荷载去除后，结构形成了预应力（拉）和压组合的高效体系。整栋建筑的每个结构细节顺应着结构工程师的逻辑，微量变形达到其所预定的尺寸，甚至屋顶的泄水坡度都已经考虑在内[5]。此种改造方式明显区别于传统的多米诺体系，它在实现建筑形态和空间效果的同时，引入了张力体系，改变了板的受力状态，减小了板面断面尺寸和结构自重，提高了结构体系的抗力性能（图21）。

对柱的改造方面：因为有了上述预应力板的试验和改造策略，新结构体系中的“柱”自然而然表现为受压柱和受拉杆两种形态（图22）。经过仔细研究，项目突破了传统矩阵式的柱布局模式，采用非匀质化的布局，用42根柱子作为支撑垂直荷载的压力柱、263根柱子作为平衡结构体系的拉力杆，共同完成了整个结构体系。柱子都是矩形截面形态，最薄的拉力构件是16mm×145mm，最厚的压力构件是63mm×90mm[6]。

工坊整体结构采用预应力板+拉压组合柱的模式对多米诺体系进行了改造，使结构的抗力性能得到极大提高：受竖向荷载时，受力主要通过板和受压构件传递；在水平力作用时，板与受拉构件起主导抵抗作用，满足结构的抗侧刚度要求（图23）[7]。最终结果达成了结构形态与建筑空间的深度整合。

另外，位于汶登镇（Winden am See，奥地利布尔根兰州）的鸡蛋展览馆（Das Eiermuseum）也是基于这种改造策略。该展馆是由建筑师乌尔丽克·沙尔特纳（Ulrike Schartner）和亚历山大·汉纳（Alexander Hagner）为鸡蛋收藏艺术家昆斯特·艾尔（Künstler Eier）设计，设计旨在为收藏品提供最佳的观赏角度的同时，释放底层的建筑空间，将建筑完全地融入周边环境之中。基于柱板改造方法：利用两根受压钢柱和边缘下拉稳定索形成建筑结构竖向和水平受力体系（图24）；一层楼

面采用钢构井字梁式楼板结构，其中井字梁在檐部向上折曲支撑上部结构体系，并给一层空间提供较宽阔的视野，建筑底层两根钢柱刻意向不同角度倾斜，也不同程度增加了建筑视觉上的动感。在施工中，首先建起两根钢柱，然后在矩形平面4个角点竖起4根临时支柱，再将楼面结构就位，建造胶合木结构檐部和屋顶，之后加入底层稳定索线系统，最后撤除角点4个临时支柱（图25）。这种结构体系在稳定性和刚度方面都能达到甚至超越普通结构的性能，达到功能、空间和结构的统一，可以说，改造是非常高效的。

2.4 基于平面柱网

柱网是建筑中柱的排列形成的网格，同时也是建筑空间划分和结构配置的重要载体。此种改造策略从平面出发，打破传统多米诺体系的平面组织方式，对柱网系统的组织方式进行重构，在满足结构功能的基础上，构建更加灵活且具有特质的建筑空间。

2.4.1 规则型柱网的重构

传统多米诺体系中的柱网是以正交型柱网为基础、以钢筋混凝土材料的支撑和跨越能力为依据形成建筑空间要求的网格。而现代建筑要求更加丰富的功能和更加灵活的空间布局，因此，在设计中对柱网进行重构是重要的改造手段和策略。

乐观建筑学院（Institute of Optimistic）是由WAI建筑事务所设计的一个先锋派空间设计和教学机构的研究项目（图26）。该项目以中国传统灯笼为理念，以传统多米诺体系为起点，对传统建筑体系进行拓展，使柯布西耶现代建筑五点特征在这里得到了全新阐释——连续平面、自由剖面、自由结构、自由空间、墙作为窗（图27）。尤其是在结构体系方面，为适应现代多元化建筑复杂的功能、灵活的空间要求，它对传统建筑的正交型柱网进行了重构。首先，确定建筑传统的柱网体系，然后根据具体功能所要求的空间大小，删去柱网中不符合要求的柱，根据结构的要求，再对局部看台结构重构（增加斜撑、补强节点），形成满足空间和功能的新的结构体系（图28）。乐观建筑学院对柱网的重构创造了优化的空间，突破了传统结构的限制，释放了空间，同时承载了连续平面和自由空间[8]。

2.4.2 非规则型柱网的应用

由伊东丰雄事务所设计的多摩艺术大学图书馆即是应用此种非规则型柱网的成功案例（图29）。为了与倾斜的基地环境和周边的公园、建筑保持一定的协调和延续，使视线和行为可以自由地贯穿，同时在建筑底层提供一条穿越校园的通道。设计师在结构上采用了新型的设计理念来实现自由的建筑空间，以取得建筑、环境、地形之间相得益彰的关系[9]（图30）。其中，非规则型柱网的使用，配合仅有200mm厚度的型钢混凝土骨架体系，产生了更加轻盈柔美的空间体验、更具灵活性和趣味性的建筑空间（图31）。

承载于非规则布置柱网之上的拱形框架体系将空间柔和地划分为不同大小、不同形状的学习和阅览空间，因此图书馆内的不同空间既保持着独特的个性，同时又在视觉上、空间上保持着结构的连续性。穿梭于这些经过精心设计的拱形结构之间，可以感受到时间与空间的变换与交织。

2.5 结构仿生再造

自1960年第一届仿生学会议开始，“仿生学”（Bionics）一词便逐渐进入了人们的视野，开始在建筑学中大显身手，在现今多元化的建筑界占据了一席之地[10]。仿生建筑，就是借助于自然界中物质的形态、行为等构成和逻辑，结合生态学、形态学、建筑学和技术科学等相关领域的知识，获得相对优化的形态或结构的建筑类型。类似的，结构仿生便是汲取自然界中事物的形态或构成逻辑作为建筑中的结构体系，提高结构体系的抗力性能和稳定性。

在对于传统多米诺体系的改造方面，波多黎各大学温弗雷德·巴斯克斯·门德斯（Wilfredo Mendez Vazquez）的设计研究小组应用结构仿生方法在2010年取得了突破性进展（图32）。他们通过对人体骨骼和肌肉的组成和结构进行的研究，以结构仿生的方法将其抽象出来作为建筑的结构体系，使传统多米诺结构体系在结构材料的使用量和结构体系的抗力性能等方面得到了很好的改善（图33）。研究中，门德斯基于人体骨骼自重轻和结构能力强的特点，利用计算机将骨骼和肌肉的生物形态学参数（如几何形状、比例、结构等）转译为建筑中以钢筋混凝土为材料的结构构件，并模仿骨骼中空的特点，利用结构柱几何中心区域受弯极小的力学原理，将结构构件也处理为中空的形态，同时使用索线增强结构体系的稳定性。

最后，利用Rhino、SAP和ETABS软件来量化比较仿生前后建筑结构体系与生物结构的材料用量和结构效能。最终试验结果表明，该仿生结构体系具有更高的结构效能，抗地震性能是传统多米诺体系的3倍，结构材料用量比传统多米诺体系节省30%，CO2放量也减少到原来的7%～10%[11]。

3 结构体系的发展展望

3.1 材料与结构体系

材料科学的发展给结构体系带来的变化是突破性的，新材料可以创造新结构。同时注意到不同材料具有自身的材料性能（意志），因此在构件尺度、表现方式、连接构造等方面都会为建筑带来不同的空间感受。随着新材料如高强度材料（碳纤维等）、全透明材料（结构玻璃）、生态材料以及复合材料技术在结构体系中的更多应用，必将为建筑空间和形态带来革命性的变化。

3.2 力与结构体系

3.2.1 传力路径设计

对于整个结构体系而言，力流的组织非常重要。传统多米诺体系的力流传递路径和方式简单明了，但还留有很大的优化空间，因此，对力流的分析并重新组织分配是结构体系发展的另一个方向。力流的传递与结构材料的选择、结构构件的形态、构件之间的连接方式、结构的建造方式等因素密切相关。运用这种基于结构的方式可以取得具有力学逻辑的形态美。

3.2.2 拉压系统整合

传统的多米诺体系中所有结构构件都以受压和受弯为主，其结构效能较低，而结构构件都会受到拉力、压力和弯矩的作用，普通结构构件无法达到拉力和压力的高效分配和组织，但是通过结构体系中索线的加入，将结构体系中的拉力和压力有针对性地分配给受压构件和受拉构件，使得结构体系更加高效，同时更加节省结构材料。

3.3 数字技术与结构体系

随着数字技术的不断发展，结构中数字技术的应用也备受设计师的关注。在计算机平台上，通过建立数学模型、仿生优化和几何拓扑等现代结构找形方法，生成结构体系和形态，是今后结构体系建立和优化的重要方向之一。

4 小结

在新技术、新材料的支撑下，当下建筑设计的新理念和新方法层出不穷，与之相适应的结构体系的重构和创新策略也不断地涌现。本文在分析传统多米诺的基础上，从结构体系角度出发，以结构体系的高效和建筑空间的丰富为目标，梳理出当代建筑基于多米诺体系的结构改造及建筑形态设计的技术策略。分析表明，经典的多米诺系统蕴藏着极丰富的内涵和能量，采用特定的技术思考路径和相应的技术动作，即可激发其内在的生命力，最终贡献于建筑创新设计的目的。因此，研究传统多米诺体系，对我们还原体系的本构，运用新材料、新技术和新思维，探寻建筑设计创新渠道，依然有非常好的启示作用。

[1] 彼得·埃森曼. 现代主义的角度——多米诺住宅和自我指涉符号[J]. 范凌译. 时代建筑，2007（6）.

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[3] 伊東豊雄，佐々木睦朗. 伊東豊雄： せんだいメディアテーク1995-2000[M]. 東京：A.D.A. Edita Tokyo，2001.

[4] 王洁，朱浩飞. 从空间的构筑到场所的形成——评仙台媒体中心的非构筑性[J]. 华中建筑，2006（2）. [5] 日本株式会社新建筑社. 日本新建筑2：日本青年建筑师[M]. 大连：大连理工大学出版社，2010.

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[8] http：//www.chinese-architects.com/en/ projects/39052_institute_of_optimistic_ architectures/51/featured?lang=zh.

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[10] 叶青会，陶健，俞冬良等. 仿生学原理在空间结构中的应用[J]. 结构工程师，2010（3）.

[11] http：//arquillano.com/2011/02/21/principios-deuna-cultura-bio-tecnica/

Contemporary Transformation Strategies of the Domino Structure

The Domino Structure is the column-slab system designed by Corbusier in 1922, a foundational structural system for modern architecture. This paper analyzes the structural systems of several contemporary buildings. It shows how these systems can be viewed as transformations of the 1922 system at the same time they represent new approaches in the development of structural systems.

Domino System，structure，form，transformation

东南大学建筑学院

2013-11-15