浅谈大跨度建筑结构表现的建构

周健祥

【摘 要】本文简要地阐述了大跨度建筑的结构特点，着重从效能、经济和优雅几个方面针对大跨度建筑结构表现的建构进行了探讨与研究，以供大家参考。

【关键词】建筑；大跨度结构；结构形式；关联度；艺术形式

建筑结构表现与结构选型不一样，其主要是以结构的内在规律为指导，努力创作出富有表现力的结构形象，是一种创造性的设计过程，而结构选型只是其中的一个方面。创造性的结构表现是在给定的设计条件下去寻求最新的结构形态。结构形态的固定化、手法化以及机械地选择，是与创造性的结构表现完全对立的。结构表现与结构构思也不同。结构构思的主要任务是解决结构形态的概念设计和建筑立意的问题，而结构表现不仅涵盖了结构构思，还有一个结构构思的实现问题。结构表现要把结构构思提出的概念、立意、想法等通过运用相应的设计手法转化为真实的建筑、结构元素，最终创造出具有艺术性的结构形态。本文结合工作实践，主要就如何构建大跨度建筑结构表现方式进行了论述。

1 大跨度建筑的结构特点

1.1 结构与建筑的关联度高

大跨度建筑的结构与建筑的关联程度远远大于一般民用建筑，其建筑空间的围合、形体的构筑、形象的塑造等都与结构紧密相关。对于大跨度建筑来说，常常建筑就是结构，结构就是建筑。结构体系是大跨度建筑创作的基础，结构的合理性在设计中处于核心地位。大跨度建筑结构分为屋盖结构和下部支撑结构，其中，屋盖结构的技术难度以及对建筑空间的影响都比较突出，是大跨度建筑结构表现的重点。大跨度建筑结构由于受力学规律支配，其结构形态和使用范围等都有着内在的规定性，从而对建筑构思和设计产生较大的影响。

1.2 结构造价高

大跨度建筑的造价高，需要耗费巨大的社会劳动和社会资源。例如，国家主体育场方案——“鸟巢”经优化调整后的工程造价仍达22.67亿元，设计用钢量4.2万吨，是目前国内外体育场馆中用钢量最多、规模最大、施工难度最大的工程。中国工程院院士沈世钊教授曾经指出，“在建筑学上，结构重量跟跨度是不成正比的，是指数的关系。一个体育馆，如果跨度是100m，它的用钢量将是80-100kg/m2。如果跨度是200m的话，用钢量就可能是250kg/m2。而 300m 跨度可能就是 400kg/m2。”

1.3 技术含量高

在大跨度建筑设计中，需要充分考虑结构、施工、节能、智能控制等多种技术问题，并且技术因素与建筑物的美学处理密切相关。大跨度建筑通过对高、新技术的应用，创造出反应时代特征的建筑形式。例如，大跨度建筑結构设计所采用的技术必须达到跨度的要求，因此应该着重研究屋盖结构中可能产生的巨大弯矩和结构自重等问题，以采取合理的技术措施，保持所承受荷载与结构自重之间的合理平衡。同时大跨度建筑为了减轻自重，必须使用效率更高的结构形式，最大跨度的结构形式是那些最有效的结构类型形式，而结构的有效性越高，结构形式也就越复杂。因此，大跨建筑可以看作是真正的“高技派”建筑。

2 大跨度建筑结构表现的建构

2.1 效能

支撑起建筑的结构必须是牢固的，必须足以承受各种形式的外力，包括建筑物的自重、雪荷载、风荷载和各种活荷载等等。因此，结构的合理性是结构形态发挥其效能的基础。结构形式、材料运用、构造处理、结构耐久和技术可行等无不影响着结构效能的最终实现。 结构的合理性也可以理解为结构的正确性。奈尔维在 1956 年的《结构》中写道：“结构的正确性与功能和经济的真实性一样，是形成建筑令人信服的美学价值的充分必要条件。”那么这种“结构正确性”指的是什么呢？ 首先是有完整的结构体系，其次是有合理的结构形态，最后还要有恰当的结构布置。结构正确性是一种合理的重力的传承关系，必须体现出结构最优化、平衡的原理以及由此产生的应力分配的规律，并与建筑艺术形式和功能的要求相一致。

在建筑设计中，借助弯矩概念分析，可以帮助我们进行结构构思。如GMP设计的柏林火车站方案（图1），屋面拟采用单拱形式，最大跨度为50m。由于在结构形式上做了修饰性变化，端部呈内收形式，加之矢跨比较小，在通常的竖向荷载作用下，弯矩作用明显。鉴于此，设计采用索桁架形式予以加强，其布置形式与弯矩图一致，充分展示了力学原则本身所提供的艺术表现力，使结构形态更为丰富。

图1柏林火车站屋面结构形态分析

2.2 经济

经济常常是大跨度建筑设计中的决定因素，结构技术的经济指标是评价建筑设计与创作的一个重要依据。再好的构思，再好的方案，若不能为经济条件所接纳，那也只能付之东流。 结构的经济性一般表现为较少的营建费用。营建费用包括人工费用、材料费用，还涉及施工中 的其他费用，如搭制脚手架、材料运输等。结构的后续耐久性也是评价结构经济性的重要指标。此外建筑运行（使用）中的节能问题越来越被重视，也是评价结构经济性的重要因素。

2.3 优雅

结构是美的，结构有着自身的视觉表现力，结构可以看作建筑艺术中的一种重要的“艺术形式”。 结构的美是多层面的，在宏观层面上是反映在建筑体型中的雕塑美；在中观层面上是结构构件与空间处理完美结合的表现力；在微观层面上是细部节点的精致美。结构有四个基本要求，即平衡的要求、稳定的要求、强度的要求和刚度的要求。在建筑形象设计中，正确地反映这四个基本要求是对结构的科学美的追求。相应地，结构的科学美可以分为平衡的美、稳定的美、强度的美和刚度的美。在结构表现的过程中，应力求使结构科学美的内容尽可能产生视觉空间艺术美的形式，同时，也要力求视觉空间艺术美的形式尽可能具有结构科学美的内容。这是结构技术与建筑艺术相互统一的基本途径，也是结构表现的内在要求。

例如，在建筑结构构件的表现上，多采用巨型构架的造型的手法展现技术美。这些结构构件本身具有一定的几何特征，起到传递美学信息树立美好形象的作用。这些几何特征鲜明的结构构件，就像文学和绘画艺术的语言和符号一样，强化了建筑的行为特征，增强了建筑的可识别性。另外，很多建筑还利用钢材抗拉强度高的特点，以斜拉杆件中张力所呈现出的紧张感和力度感给人们以视觉冲击。

3 结束语

结构表现的目的在于综合社会的、经济的、技术的、人文的因素，运用结构逻辑和形象思维，赋予大跨度建筑以情感的秩序和艺术的属性，使之具有深刻的内涵、鲜明的个性和优美的形式。在成功的结构表现的建筑中，力的作用总是被清晰地表达出来，同时结构以优雅与轻盈掩饰了内在的复杂性。一座建筑物的形式，即使具有高效能的结构体系，是简洁、有秩序和令人愉快的，这正是结构表现的美学要求。

【参考文献】

[1]赵巍岩.当代建筑美学意义[M].南京：东南大学出版社2001.

[2]布正伟.结构构思论：现代建筑创作结构运用的思路与技巧[M]. 北京：机械工业出版社2006.