圣安德烈教堂的建筑結(jié)構(gòu)—圣安德肋教堂
摘要：建筑結(jié)構(gòu)與形式表現(xiàn)藝術(shù)的關(guān)系是由古至今的熱議話題。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)與形式之間出現(xiàn)了新的關(guān)系，其中節(jié)點作為鋼結(jié)構(gòu)建筑中構(gòu)造與結(jié)構(gòu)的細部表現(xiàn)，受到了建筑師和工程師的重視。鋼結(jié)構(gòu)建筑中的節(jié)點以其科學性展現(xiàn)出材料的變化、結(jié)構(gòu)的變化，塑造出不同的立面形式與空間氛圍。本文將探討鋼結(jié)構(gòu)建筑中節(jié)點的表現(xiàn)藝術(shù)。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；節(jié)點設(shè)計；節(jié)點表現(xiàn)
1 結(jié)構(gòu)與表現(xiàn)形式的歷史背景
維特魯威說建筑應(yīng)具有“堅固、實用、美觀”的特點，這三個詞點出了從古至今建筑中永恒不變的主題：“結(jié)構(gòu)、功能、形式。”關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)與形式關(guān)系的討論從未停息，每個時代，建造的技藝不同、材料不同、建筑背后的指導思想也不相同，這些原因都使得有關(guān)于結(jié)構(gòu)的話題值得被重新討論。
古希臘的神廟，威嚴地高聳在山地之上，讓人能看出其莊重的柱，簡單有力的結(jié)構(gòu)形態(tài)（圖1）；古羅馬建筑中，拱券和柱既是結(jié)構(gòu)同時也體現(xiàn)著形式之美（圖2）；哥特建筑中，尖拱券的出現(xiàn)并不只是因為中世紀教皇權(quán)利集中的政治文化背景，其背后原因更包含著尖拱券受力的合理性（圖3）。文藝復(fù)興時期，建筑師成為獨立的身份，不再附屬于工匠或藝術(shù)家，關(guān)于建筑的討論變得更加主動和深刻。文藝復(fù)興時期的建筑師，將建筑中所有的要素都統(tǒng)一到同一個體系中，他們崇尚古典、和諧的比例關(guān)系，這使得他們要處理建筑從內(nèi)到外所有要素之間的矛盾，建筑被整合成一個整體，不論是結(jié)構(gòu)還是裝飾，都要達到一種數(shù)的和諧秩序，融入進同一個有著和諧比例的體系之中。阿爾伯蒂作為文藝復(fù)興時期早期的建筑師，致力于使建筑從內(nèi)到外達到和諧統(tǒng)一的完美比例關(guān)系，從對圣母瑪利亞教堂立面的探索（圖4），到圣安德烈教堂中局部與整體所有要素的完美統(tǒng)籌（圖5），阿爾伯蒂開創(chuàng)出了文藝復(fù)興時期的一種標準的教堂形式。從艾森曼考證到阿爾伯蒂這里，建筑學第一次不止關(guān)注它的存在——制作法本身，還從內(nèi)部和外部關(guān)注它的存在和表現(xiàn)法[1]。直到19世紀學科分離之前，結(jié)構(gòu)與建筑絕大多數(shù)情況下是由建筑師統(tǒng)籌考慮的，正如阿爾伯蒂在論建筑中所表達的思想一般：“建筑物這一整件事情是由外形輪廓與結(jié)構(gòu)所組成的[2]。”19世紀以來，建筑師們不斷地探索結(jié)構(gòu)與外在形式之間的關(guān)系，維奧萊·勒·迪克是結(jié)構(gòu)理性主義，他崇尚哥特建筑中的結(jié)構(gòu)美，認為建筑應(yīng)遵循一整套視覺和內(nèi)部結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一的邏輯系統(tǒng)。
圖1 古希臘神廟
圖2 古羅馬建筑
圖3 （左）巴黎近郊的圣德尼修道院
圖4（右上）圣母瑪利亞教堂
圖5（右下）圣安德烈教堂
在思想文化的不斷演變中，每個人都在自己的理解中處理著結(jié)構(gòu)與建筑外在展現(xiàn)形式的關(guān)系。19世紀，隨著鋼材的發(fā)展，以及結(jié)構(gòu)工程師與建筑師的學科分離，建筑結(jié)構(gòu)與形式之間出現(xiàn)了新的關(guān)系。由鐵架和玻璃建造的水晶宮開啟了建筑形式的新紀元（圖6），完全暴露出鋼結(jié)構(gòu)的埃菲爾鐵塔（圖7），帶給人們難以言喻的震撼（但當時的人們卻無法一下子接受這樣一個由鋼鐵塑造的巨型建筑）。水晶宮與埃菲爾鐵塔都由結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計完成，這無疑引出了在鋼結(jié)構(gòu)背景下的結(jié)構(gòu)與形式的話題，隨著鋼結(jié)構(gòu)體系的不斷完善，計算機參數(shù)化等設(shè)計手段的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑迎來的是一個發(fā)展的高峰，而關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)與表現(xiàn)形式的關(guān)系的探索與討論，自19世紀以來從未停歇。
圖6 水晶宮
圖7 埃菲爾鐵塔
2 節(jié)點的含義
建筑中的節(jié)點，反映著建筑物中多種多樣的連接關(guān)系，節(jié)點是局部的連接，通過這種局部的連接構(gòu)成系統(tǒng)反映著整體。“所謂節(jié)點，就是由各種不同性質(zhì)的單元體構(gòu)成，能夠獨立執(zhí)行一項或數(shù)項不同功能的綜合體[3]。”
一個完整的結(jié)構(gòu)體系由不同的受力構(gòu)件組成，構(gòu)件則通過節(jié)點來實現(xiàn)內(nèi)部轉(zhuǎn)換和相互連接。節(jié)點是受力的合理點，在結(jié)構(gòu)中設(shè)計清晰明了的節(jié)點，有利于力在結(jié)構(gòu)中有效地傳遞，能夠有效地發(fā)揮各構(gòu)件的力學性能，同時，節(jié)點也可能成為建筑中材料的交接處，需要考慮到不同材料的特性，充分體現(xiàn)材料的力學性能。
在傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中，斗拱就承擔著節(jié)點這樣一個重要角色（圖8）。在清朝以前，斗拱是結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，斗與拱層層相疊，連接屋頂、梁、柱，實現(xiàn)了力的傳遞，同時，它具有很強的裝飾性，斗拱作為明露的結(jié)構(gòu)，成為中國傳統(tǒng)建筑中不可忽視的美學形式的組成部分，以至于到了清朝，雖已不需要斗拱作為承重構(gòu)件，卻依然沒有取消這一結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
圖8 斗拱
鋼結(jié)構(gòu)具有材料均質(zhì)性好、各向同性、結(jié)構(gòu)總重量輕、塑性韌性好等眾多優(yōu)點，近20年來，我國的鋼結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量迅猛增長，衍生出豐富多樣的鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)與表現(xiàn)形式，而鋼結(jié)構(gòu)建筑體系中結(jié)構(gòu)的支撐也依賴于節(jié)點，合理的節(jié)點構(gòu)造能夠充分發(fā)揮鋼材料的力學性能，使得工作機理不同的構(gòu)件能夠協(xié)同工作，為千變?nèi)f化的結(jié)構(gòu)形態(tài)的穩(wěn)定提供基礎(chǔ)。
3 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的科學性
影響鋼結(jié)構(gòu)建筑中節(jié)點形式的因素有很多，節(jié)點的分類較為復(fù)雜，根據(jù)連接件的位置關(guān)系，節(jié)點可分為：搭接節(jié)點、平接節(jié)點、角接節(jié)點、對接節(jié)點等（如圖9所示）；根據(jù)節(jié)點的連接工藝不同可分為：焊接節(jié)點、鉚接節(jié)點、螺栓連接節(jié)點、銷栓連接節(jié)點、膠結(jié)連接節(jié)點等（如圖10所示）。
圖9 根據(jù)連接件位置而定的節(jié)點分類
圖10 根據(jù)連接工藝而定的節(jié)點分類
鋼結(jié)構(gòu)建筑中的節(jié)點根據(jù)其所起到的作用不同，大體可分為結(jié)構(gòu)性節(jié)點和構(gòu)造性節(jié)點。結(jié)構(gòu)性節(jié)點是結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間連接的節(jié)點，是建筑結(jié)構(gòu)中力的集中點與傳遞點，起到完成各構(gòu)件之間力的傳遞的作用，體現(xiàn)著各構(gòu)件之間的穩(wěn)定性和受力平衡，如：桿件與桿件之間的連接、索與索之間的連接、桿件與索之間的連接、構(gòu)件與支座之間的連接等（如圖11所示）。節(jié)點處的不同構(gòu)件受力方式不同，拉力、壓力、剪力等不同形式的力都反映在節(jié)點處，節(jié)點將這些力連接成一個整體，形成一個個視覺焦點，壓力在節(jié)點處往往雄健有力，增加空間的力量感，而拉力則輕盈明快，給空間增添活躍感（如圖12所示）。約翰內(nèi)斯堡體育館采用了一種懸掛結(jié)構(gòu)，節(jié)點連接了拉索與平衡桿（如圖13所示），節(jié)點處拉索通過平衡桿處的封板將拉力轉(zhuǎn)化為壓力，節(jié)點部位的加勁肋增加了節(jié)點的剛度和強度，實現(xiàn)了力的平衡。圖中拉索顯然承受很大的力的作用，維持受力平衡的節(jié)點顯得強勁有力，體現(xiàn)出節(jié)點作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學美[4]。以同濟大學B樓中庭大廳的屋頂為例（如圖14所示），采用四角錐體系網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，支撐起大跨度空間的覆頂，采用螺栓球節(jié)點（如圖15所示），具有節(jié)點部位沒有偏心、受力狀態(tài)好等優(yōu)點。
圖11 結(jié)構(gòu)性節(jié)點
圖12 節(jié)點的視覺焦點
圖13 約翰內(nèi)斯堡體育館采用的懸掛結(jié)構(gòu)
圖14 同濟大學B樓中庭大廳的屋頂
圖15 螺栓球節(jié)點
構(gòu)造性節(jié)點，連接的是鋼結(jié)構(gòu)建筑的附屬功能構(gòu)件與結(jié)構(gòu)構(gòu)件，是皮與骨的連接，節(jié)點處不同的材質(zhì)有著不同的肌理變化和材料質(zhì)感，如鋼材與玻璃、鋼材與膜材等，這些不同的材料在節(jié)點處形成強烈的對比，展現(xiàn)出各種材料的沖突，節(jié)點使這些材料在沖突中形成一種和諧、穩(wěn)定的關(guān)系，突出不同材料的交融（如圖16所示）。以玻璃幕墻與受力構(gòu)件之間的連接為例（如圖17所示），玻璃幕墻與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接方式較為多樣，如明框式玻璃幕墻構(gòu)造、隱框半隱框玻璃幕墻構(gòu)造、全玻式玻璃幕墻構(gòu)造、點支玻璃幕墻構(gòu)造等。例如上海當代藝術(shù)館的玻璃幕墻即采用點支玻璃幕墻構(gòu)造，“每塊玻璃的四個角分別由不銹鋼支撐爪件作四點固定，在支撐爪件背后設(shè)有11mm的鋼索系統(tǒng)縱橫繃緊固定[5]”，如圖18所示。這種點支玻璃幕墻更強調(diào)玻璃的通透性，使得建筑外立面更具特色、內(nèi)部空間更顯開敞。正是由于節(jié)點構(gòu)造的不斷進步才更好地展現(xiàn)了不同材料的特征與性能。
圖16 構(gòu)造性節(jié)點
圖17 玻璃幕墻與受力構(gòu)件之間的連接
圖18 上海當代藝術(shù)館的玻璃幕墻即采用點支玻璃幕墻構(gòu)造
4 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的藝術(shù)性
節(jié)點的藝術(shù)性一方面體現(xiàn)在其本身所展現(xiàn)出的力學美上，另一方面體現(xiàn)在節(jié)點對建筑表現(xiàn)形式與空間的塑造中。節(jié)點的設(shè)計可以豐富建筑的立面，構(gòu)造節(jié)點在聯(lián)系建筑的表皮與骨架時，會帶來立面上的肌理，充分利用節(jié)點的形態(tài)，可以突出立面的表現(xiàn)形式。如東京國際會議中心的玻璃幕墻的節(jié)點設(shè)計，突出了簡潔有力的立面形式（如圖19所示）。
節(jié)點的設(shè)計可以成為內(nèi)部空間塑造的重要形式，節(jié)點往往設(shè)計于結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)折處，結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)折通常會帶來空間的變化，因此節(jié)點的設(shè)計對于空間的變換與界定有著重要意義。如雷諾中心中廊道的設(shè)計（見圖20），在圓柱形鋼管上套了單獨設(shè)計的構(gòu)件，完成工字形和圓形截面的結(jié)合，同時鋼柱與橫檔共同界定出廊道空間。
圖19 東京國際會議中心的玻璃幕墻
圖20 雷諾中心中廊道
節(jié)點的連接方式同樣對內(nèi)部空間的塑造起著重要作用，節(jié)點的設(shè)計不只是局部設(shè)計，它對于建筑整體有著不可忽視的影響，如螺栓球節(jié)點展現(xiàn)出的是靈活輕盈的特性，焊接則更具力度，在漢堡航空港候機樓和日本關(guān)西國際機場的巨大鋼管桁架中，采用直接連接的方式相貫焊接（如圖21所示），沒有多余的連接構(gòu)件，節(jié)點體系干凈利落，營造出開敞的大空間。
圖21 相貫焊接
節(jié)點作為結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上起到起承轉(zhuǎn)合作用的重要部分，在設(shè)計中體現(xiàn)著受力特點和材料的多樣性，每一個轉(zhuǎn)折都體現(xiàn)著材質(zhì)的變化、力的作用以及光影的變化。節(jié)點系統(tǒng)的設(shè)計在鋼結(jié)構(gòu)建筑中起到重要的作用，它作為局部，與建筑這一整體系統(tǒng)融為一體，形成一個由內(nèi)而外、由局部到整體的邏輯系統(tǒng)。正是因為節(jié)點設(shè)計的復(fù)雜性和多樣性，在節(jié)點處才更能體現(xiàn)一個建筑師的設(shè)計思想，或輕快或有力，或質(zhì)樸厚重，或變化多樣。建筑師在細節(jié)處追求精致的構(gòu)造，如結(jié)構(gòu)收頭的處理、材料交接的轉(zhuǎn)折等，精致的節(jié)點設(shè)計可能看起來一目了然，卻能精確地融合入整個建筑，與其他構(gòu)件一同構(gòu)建出尺度、層次均豐富細膩的空間。
