在汇聚与传递之间定义和塑造空间当代柱的形变与本质 陈朝晖 龙灏
原标题：在汇聚与传递之间定义和塑造空间当代柱的形变与本质 陈朝晖 龙灏 时代建筑2022年第2期
作为结构传力路径的中枢，柱的压弯特性既为马亚尔和奈尔维等大师提供了有力的结构语汇，也成为自身尺寸和形态以及支撑范围和空间秩序的限制。柱，能否挣脱弯矩的束缚，而具有更多的造型可能，并塑造和支撑更高、更广、更加自由的空间？作为柱系列论文的收官之文，作者选取了当代建造实践中形态和传力特性迥异的树柱、管柱和细柱，展示出以新材料、新理论和新的设计计算方法为基础，柱可以不再是孤立的压弯构件和规则空间单元的独立支撑，而可以通过对树的仿生，支撑高敞的空间；通过抗侧柱与承重柱的分离或拉压杆的组合，使柱的形态和柱网的划分共同成为传力功能和空间塑造的主角。最后，文章凭借对外观形态和柱网秩序变化中柱的力学本质的揭示，进一步探讨存在于建筑空间、功能与结构形式及其力学特性之间深刻的交互作用。
从受力特性上看，柱主要为压弯构件，弯矩和轴压力是其主要内力。正如在《时代建筑》的柱系列文章的前两篇[1-2]
中所阐述的，由于柱的基本承载性能及在结构传力路径中的枢纽地位，其形象似乎已经固化——竖直、稳定、牢固，甚至粗壮。古典时期，中外建筑均用“模数制”构建了规则柱网下严整有序的内部空间和柱列构成的建筑立面，诚实再现了材料与结构自身的尺度。现代建筑时期，奈尔维则用混凝土巨柱的造型超越了古典柱式，但空间分割和柱形整体仍然是有序而规则的，本质上遵从着古典秩序。
结构的传力路径与秩序，某种程度上决定了空间的分隔与特点。承担力的汇聚与传递中枢的柱，在当代建筑与结构设计中是否束缚了空间分隔？柱是否可以挣脱弯矩的束缚而走向无序和不规则？如果梁的本质是索与拱的组合[3]
结构产生空间。若要支撑更大的覆盖面积和更高旷的空间，可以从楼盖的多个荷载作用点到一个最终支撑点之间，构筑一条新的传力路径。
树是自然优化的结果。趋光性促使树向上生长，分叉可以获得更多的阳光与养分；随着生长与分叉，树需要平衡生长产生的自重，并抵抗风的作用。通过不断调整以适应环境，最终形成了由树干逐级分叉、逐渐变细的自然树形，构成了一条最短且能量最低的传力路径。“树木是自我支撑的有机体，其形状具有内在的结构合理性。”
享有“最小作用量原理之父”美誉的法国著名科学家和启蒙思想家莫泊丢（Pierre-Louis Moreau de Maupertuis，1698—1759年）坚信自然界行为的简单性，而这种简单性正是通过某个“作用量”的最小化而展示出来的：“建立在这个原理（最小作用量原理）之上的运动学与静力学定律，应当与自然界所观察到的现象相吻合，我赞颂这一原理对一切自然现象的普适性，动物之运动，植物之生长，星体之运行，都不过是它的推论而已。”[5]
追溯历史，西班牙建筑师高迪也许是最早从树的形状中汲取设计灵感的现代建造大师，他常说：“没有比树或人的骨骼更好的结构了。”[6]
19世纪末，计算分析理论与技术尚不完备，高迪主要依靠模型试验与图解静力学（graphic statics）进行结构找形。在圣家族大教堂中，他不仅采用了树状分枝柱的结构传力理念，还模仿了树的真实外观并加以适当变形，由一组向上分叉的树状柱支撑旋转的双曲拱顶。置身圣家族大教堂，仿佛身处北欧传说的密林。20世纪初，当极简主义风潮开始盛行时，高迪的圣家族大教堂等作品均以混凝土的仿生柱与双曲拱券而独树一帜（见图2）。
1991年，德国gmp建筑事务所（Architekten von Gerkan, Marg und Partner）与斯图加特Weidleplan Consulting公司和 SBP工程设计公司（Schlaich Bergermann Partner）合作，在斯图加特机场1号航站楼设计中依靠新材料（高强钢）实现了当代建筑结构中的树枝柱应用，树枝柱的结构优势终于得以施展（见图3）——航站楼覆盖面积巨大的单坡斜屋面仅由12根树状分枝钢管混凝土柱支撑，树柱形状相同，仅下部“柱基础”高度不同以适应净空的变化[7]
树状分枝柱需要支撑的面积与荷载越大，需要的分叉与分级就越多。斯图加特机场1号航站楼共采用了四级分枝，横向分枝深远。一级分枝，即柱干由四根圆形钢管混凝土组成，形似哥特式教堂的束柱。二、三、四级的分叉数分别为4、3、4，末级分枝的4根细钢杆与屋面隔栅梁铰接，支撑范围约4 m×4.5 m。这一大型树状支撑结构体系，使航站楼的内部空间高阔清朗，富有生趣。在2004年完成的该机场3号航站楼中，他们的设计沿袭了这一树枝柱的形式，用18根纤细的树枝柱营造了更为通透开敞的室内空间。
从承载单元划分与整体传力概念上看，斯图加特航站楼树枝柱与奈尔维的都灵文化宫和巴西利亚意大利文化中心的混凝土巨柱楼盖体系是一致的，但柱自身的传力机制在此已发生了根本变化。树柱本质上已构成多级空间杆件结构体系，常规柱的压—弯内力转化为了轴向压力（见图4）。各级轴力从顶端末梢分枝向下逐级增大，支撑面积与荷载越大，需要的分叉与分级越多。理想的设计是使各级分枝截面上的应力大致相同，整个树枝柱形成等应力状态
），高迪在圣家族大教堂就采用了湿吊法（见图2（b））。而在当代，随着拓扑优化理论、人工智能以及数值分析方法在设计分析领域的快速推进，数值方法成为树枝柱找形与优化设计的强有力手段，产生了大量优秀的树状分枝柱形式。日本建筑师矶崎新（Arata Isozaki）设计的卡塔尔国家会议中心中，象征“席德拉树”的标志性巨柱就采用了双向渐近结构拓扑优化方法（Bi-directional Evolutionary Structural Optimization，简称“BESO”）进行数值设计（见图7）。不过，从内力的角度，“席德拉树”的分枝已不是以轴压力为主的杆件，而是受到压弯组合内力的空间筒体，与状若“大象腿”、同样是矶崎新设计的上海喜马拉雅中心结构类似（见图8）。
葡萄牙里斯本东方火车站为1998年葡萄牙世博会建造，由西班牙建筑与结构工程师卡拉特拉瓦设计。车站站台屋顶高25 m，玻璃屋面为折纸的形式，每一个向下凹的四边形漏斗为一个受力单元，整个屋盖由4列棕榈形柱支撑。棕榈柱分三级，第一级最下部为柱干；第二级为拱肋，延伸至屋顶，与相邻柱的分支拱连接形成尖券拱，四个拱肋的推力在主干处相互抵消，自我平衡；第三级杆件状若棕榈树的叶脉，在拱肋两侧对称张开，是受压的轴力杆，与四条拱肋共同支撑一个屋面漏斗单元（见图9~图11）。
斯图加特机场候机楼的树枝柱是由支撑面积和空间高度（即建筑功能）决定荷载作用点到支撑点传力路径的结构形式，是由力流最短路径主导的结构。里斯本东方火车站则体现了设计者强烈的主观形式意图，是形式先导下的结构。二者虽然都找到了满足功能与设计意图的树柱的合理形式，但前者是真实简明的结构语汇，后者却成了拘泥于仿生的结构哑谜。
树枝柱的发展一方面得益于高强钢的应用，一方面得益于数值分析理论与优化方法。但工具不能代替思考，计算也远非设计，对结构、空间和材料关系的思考与理解才能把我们引向合理的建构。自然从来都是人类创造灵感的源泉，是摹其形、仿其貌还是师其道、凝其神，以上这些实例建成效果的区别值得设计者，特别是建筑师深思。
事实上，树枝柱不仅扩展了柱的支撑面积，提供了从多个传力点汇聚到一个支撑点的全新路径，也为柱在力的传递与汇聚中定义与塑造空间增添了新意。同为以孤立的柱作为建筑物的空间边界和标识，与图12（a）预张拉钢索梭形柱的纤直规整形成鲜明对比的是，美国新泽西中央地铁公园大楼用造型独特的树枝柱支撑了巨大的悬挑结构（见图12（b）），使建筑整体呈现强烈的虚实对比，造型极不对称但传力路径仍然清晰简明——正是树枝柱以其独特的形态与引人注目的体量，为空间注入了新的个性。
当代树枝柱的造型虽然因材料、受力特性与柱的外形、尺度及支撑面积截然不同，但仍然采用了与古典柱式及奈尔维的混凝土巨柱相似的空间分割方法——均以单个柱与屋盖构成传力和空间单元，各单元之间受力相对独立，柱网规则统一，未脱离规则有序的古典秩序（见图13）。能否打破这一规则的传力单元与空间划分，而塑造真正的流动空间呢？
在仙台媒体中心的设计中，建筑师希望整个建筑呈现开放和流动的姿态，为仙台这座城市注入活力。媒体中心的整体为49 m×50 m×32 m的立方体，建立在三个基本元素之上，即板、管和皮。“板”即7层楼面叠合而成的正方形板层；“管”指贯穿并支撑楼板的管状柱，它们既是灵活的结构元素，也是垂直交通的媒介与介质传输的通道，声、光、水、气等从中穿流而过；“皮”是将建筑内部与外部分离开来的元素，包括面向主街道的双层玻璃外墙以及屋顶机房的外栏。13根无序分布、直径2 m~9 m不等的扭曲“管状柱”贯穿整个建筑，既是结构的主体，也是空间的焦点。
虽然仙台媒体中心的结构整体仍是以柱直接承载的无梁楼盖体系，但摆脱了规则柱网与均匀的空间单元分割后采用了不规则柱网和“海草般浮动的柱子”，塑造了无序流动的空间。结构师佐佐木睦朗受竹编工艺的启发创造了不规则编织管状柱——竹子纤韧的秘密在于竹纤维和竹结构的优越力学性能与结构性能，竹材的比强度①
[3]在柱上得以用杆件拉压组合的方式实现（见图15（a））。柱上设置的环箍、板柱交接处的加密楼盖网架等一系列措施还构成了管柱的竹节效应，增强了柱的侧向刚度，也满足了无梁楼盖抗冲切的要求。（a）不规则编织管状柱
日本是地震多发地，结构体系的抗震性能至关重要。佐佐木将结构的抗震与承重功能加以分离，建筑四角布置抗震柱以实现体系抗侧刚度的最大化，其余的柱子因此从抵抗侧弯中解放出来，只承担竖向重力荷载，柱径随之大大减小并可以灵活布置。楼板采用轻质的钢网架，设置加密板带以增强板的整体刚度、提高柱的抗侧刚度（见图15（b））。抗侧柱与承重柱的分离以及板带的设置，使看似无序的柱网遵从了清晰有序的传力机制。而不规则的柱网划分、大小与形态各异的扭曲管柱代替墙体实现了空间的非常规“自由分隔”，管柱的尺度和形态既标识出了不同场所的性质，又使空间上下贯通。在这里，勒·柯布西耶所主张的自由平面与自由立面找到了新的表达方式。
这一空间形式是建筑师对“自由于一切固定功能的建筑”的大胆尝试：“时代发展变化的节奏速度变化之快已经令人感到夸张，这个时代的价值观变化也不是转向简单的规律性变化。突然一天，也许你考虑的东西会有180°颠覆性的转变……与这个世界的巨变形成鲜明对比的是，建筑的演变似乎非常缓慢。两者间的反差太大了。‘自由建筑’，即与不定形、不安定、不确定对应，回应着高速增值而过度失控的多元化的价值观。”
KAIT工坊中，线一般纤细的柱使由常规尺度和形态的柱所定义的场所变得边界模糊，但“暧昧的空间，并不是没有结构的、虚幻的理想状态。这种暧昧、不确定的空间会有新的结构形式作为支持”[12]
线是无法受压和受弯的，因而必须改变屋盖与竖向支撑体系的常规传力关系，将柱从常规的压弯中解放出来。结构师小西泰孝同样采用了抗侧与承重分离的策略，但抗侧性能不再是依靠单根柱的抗弯刚度来提供，而是以线——预张拉的吊杆——来提供。预张拉体系提高了结构的整体抗侧刚度，还避免了细杆受压失稳的问题（见图17）。柱网中承重柱其实仅42根，为62 mm×90 mm的扁钢柱，下端与基础刚接，上端与屋盖钢梁铰接，以释放节点的弯矩；其余263根为张拉吊杆（厚16 mm~45 mm，宽96 mm~160 mm的薄型扁钢），分布于整个结构平面，抵抗来自不同方向的地震和风的作用。为了使吊杆就位并达到预设的张拉状态，结构师还采用了来自民间的建造方法，限于篇幅，本文不赘及。
仙台媒体中心与KAIT工坊在设计中都为了适应流动、开放乃至不确定的建筑空间要求，不再以单个柱构成承载与空间单元，而是设法将柱从受弯中解放出来，采用了抗侧与承重分离的结构策略，并使柱网与屋盖构成整体传力体系，柱本体的形态和柱网的划分形式共同成为塑造空间的主角。媒体中心管状柱的尺度和形态特点非常显著，但传力机制仍然是规则和有序的，各抗侧柱仍然遵循了柱的压弯力学规律；KAIT工坊则在数量与尺度的表象下潜藏了对结构与空间概念的颠覆，以拉杆形成的空间柱网形成整体抗侧机制。仙台媒体中心由柱的构思推进了建筑形式的发展，KAIT工坊则是在建筑形态明确的前提下寻找结构解决方案。前者以结构为主导，后者结构臣服于建筑，这一主导性的差异也体现了两组设计师个性与合作方式的不同。
柱，既是力的汇聚与传递，也是塑造建筑空间的主角。从古代中国与希腊柱式的规则典雅到马亚尔、奈尔维混凝土巨柱的雄浑有力，人们对柱的认识经历了从受压到压弯的逐步深入。树状分支柱的巧夺天工、管状柱的摇曳多姿与KAIT工坊拉压杆的纤细，展示了当代设计者从顺应并再现柱的压弯特性、寻求最优力流传递路径，到构筑“拉—压—弯”分离的新型整体路径的演变。
结构的创新是因应空间（功能）的要求，从来不是源于计算，计算永远是第二位的。从古到今，柱的外观形态与其构建的建筑空间和秩序的变化，本质上是对柱网受力机制的重新塑造。
（本文工作得到德国gmp建筑设计公司合伙人吴蔚先生、重庆大学建筑城规学院唐聪博士的帮助，重庆大学建筑城规学院2020级硕士研究生张杨协助绘制了大部分线稿图，同济大学建筑与城市规划学院田唯佳副教授、洛桑联邦理工学院（EPFL）硕士生董其远和苏黎世联邦理工学院（ETH）硕士生龙雨翀提供了部分原创照片，在此深表谢意！）
（图片来源：图2（a） 由董其远拍摄，图2（b）源自，图2（c）由龙雨翀拍摄，图3（a）源自参考文献[7]，图5源自参考文献[9]，图6源自参考文献[9]和[10]，图9、图10由田唯佳拍摄提供，图12（b） 源自，其余图片均为作者自绘或自摄）
① 比强度：材料强度与密度之比。比强度越高，说明材料力学性能越优异。竹子的顺纹抗拉强度可达到530 Mpa，而密度只有1.2 g/cm3。竹子从竹梢到竹根的断面尺寸，接近等强度状态，也是自然优化的结果。
[1] 陈朝晖，龙灏. 在汇聚与传递间定义和塑造空间——传统木柱与石柱之辨[J].时代建筑，2021（06）：144-148.
时代建筑》2022年第2期15分钟社区生活圈 陈朝晖、龙灏《在汇聚与传递之间定义和塑造空间当代柱的形变与本质》，未经允许，不得转载。作者单位：重庆大学土木工程学院、重庆大学建筑城规学院、山地城镇建设与新技术教育部重点实验室
龙灏（通讯作者），男，重庆大学建筑城规学院 建筑系 系主任，山地城镇建设与新技术教育部重点实 验室 研究员，教授，工学博士
在汇聚与传递之间定义和塑造空间 当代柱的形变与本质[J].时代建筑, 2022(02):170-174.[2]
陆地.美国历史建筑康复性再生的发展及其标准评述[J].时代建筑, 2022(02):175-179.本期杂志责任编辑：邓小骅，高静应力变程交通安全器材
