混凝土的工程美學(xué)
Engineering Aesthetics of Concrete
撰文 葛文俊 堂朔空間設(shè)計(jì)研究室主持建筑師
混凝土技術(shù)起源于古羅馬，后失傳，一直到20世紀(jì)初，法國(guó)人奧古斯特?佩雷成功地將鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用在諸多類型建筑上，證明了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)大的適應(yīng)性。隨后曾經(jīng)在佩雷設(shè)計(jì)室工作的勒?柯布西耶在1914年提出了多米諾體系，它作為國(guó)際式的原型將鋼筋混凝土框架體系推廣至世界各地。低廉的造價(jià)和相對(duì)較低的工藝要求，令鋼筋混凝土在經(jīng)濟(jì)和人口爆炸式發(fā)展的20世紀(jì)成為應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)體系。框架體系在鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)原型中無(wú)疑是最具生命力的。力求突破常規(guī)的現(xiàn)代主義大師創(chuàng)造性地提出一系列展現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)特有的“工程美學(xué)”。
古羅馬藝術(shù)博物館
古羅馬藝術(shù)博物館位于西班牙梅里達(dá)，處于廢墟之上。莫內(nèi)歐為實(shí)現(xiàn)新舊建筑之間的完美共存，摒棄了用大跨結(jié)構(gòu)跨越廢墟的做法，將混凝土這種強(qiáng)度較大的填充粘結(jié)材料澆筑在兩面薄且平的磚墻之間，即用磚砌成雙層拱圈，爾后在其中澆筑混凝土，最終形成復(fù)合結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)較大的跨度。磚墻作為“永久模板”保留在混凝土的外表，在獲得高強(qiáng)度的同時(shí)也保留了磚建筑細(xì)膩的肌理感和清晰的建構(gòu)邏輯。
現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的層與層之間通過(guò)“陶土管”結(jié)合：陶土管的一端預(yù)埋在下層的混凝土中，當(dāng)混凝土凝固之后，繼續(xù)砌筑磚墻，上一層的混凝土將淹沒(méi)陶土管的另一端，陶土管的作用類似于預(yù)留鋼筋。
莫內(nèi)歐通過(guò)尺度的對(duì)比在建筑中獲得絕佳的效果：在通過(guò)入口時(shí)，低矮的尺度以及在通往展廳時(shí)的封閉天橋給人以壓抑感。進(jìn)入大廳后，10m高的尺度讓人豁然開(kāi)朗，給人以神秘感和藝術(shù)氣息。
屋頂使用了預(yù)應(yīng)力混凝土，縱向設(shè)兩根最低高度為2m的大梁，橫向上每2m設(shè)高約2m的混凝土梁，梁間以底部邊長(zhǎng)2m的金字塔體填充，形成了2m?2m的均勻方格網(wǎng)系統(tǒng)。每個(gè)小椎體截去頂部，覆以玻璃，以此向下部空間引入了光線。
長(zhǎng)50m、寬32.5m的巨大屋蓋由非正交網(wǎng)格上的4個(gè)點(diǎn)支撐在屋頂?shù)倪吘壧帲⒎怯脗鹘y(tǒng)的方式支撐，而在平坦的地面上用混凝土修飾出三座 “山丘”， 其中3根柱子隱藏在 “山丘”中。建筑師創(chuàng)造了一個(gè)假象，仿佛支撐屋頂?shù)牟皇墙Y(jié)構(gòu)，而是場(chǎng)地。除了場(chǎng)地內(nèi)凸起的三座“小山”支撐，建筑師還加入了一個(gè)由兩個(gè)圓拱垂直相交構(gòu)成的支撐，成為了場(chǎng)地上唯一的豎直元素，這也是地表上唯一清晰可見(jiàn)的支撐構(gòu)件。
朗香教堂
朗香教堂的白色幻象盤旋在孚日山脈最末端的歐圣母院朗香村之上，從13世紀(jì)以來(lái)這里就是朝圣的地方。柯布西耶在動(dòng)筆前說(shuō)，他要把朗香教堂設(shè)計(jì)成一個(gè)“視覺(jué)領(lǐng)域的聽(tīng)覺(jué)器件”，應(yīng)該像人的聽(tīng)覺(jué)器官一樣柔軟、微妙、精確和不容改變。最終，他摒棄了傳統(tǒng)教堂的模式和現(xiàn)代建筑的一般手法，把它當(dāng)作一件混凝土雕塑作品加以塑造。
傾斜的墻面與厚重的屋頂?shù)膶?shí)現(xiàn)得力于外包混凝土的以鋼架為主的結(jié)構(gòu)體系。機(jī)翼形鋼架為屋頂結(jié)構(gòu)主體，下由鋼筋混凝土圓柱組成的三角形框架與柱子一同支撐。為了減輕屋頂自重，建筑師把水泥噴漿換為外鋪鋁皮。建筑的西、東、北面墻壁都是利用從老教堂廢墟上找回的石塊填充的，三角形鋼架的變化形成了曲率變化豐富的墻體。
朗香教堂雖然使用噴射混凝土的外表皮，但是沒(méi)有工業(yè)技術(shù)的冰冷，反而是溫暖的“貝殼”融入場(chǎng)地之中。可以說(shuō)，朗香教堂正是用其怪誕的方式詮釋了工業(yè)制品的“詩(shī)意”與“快樂(lè)”。
霍奇米爾科水上公園餐廳是由費(fèi)利克斯?坎德拉設(shè)計(jì)的殼體式建筑，四個(gè)相交的雙曲拋物面形成的八角形交叉拱向四周展開(kāi)，采用無(wú)梁柱薄殼結(jié)構(gòu)，輕盈的形體巧妙地融入景物之中。
通常情況下，殼體拱交叉處的靜荷載會(huì)使得拱向外彎曲，偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力垂直于外殼的表面，從而形成由外向內(nèi)的邊緣裂紋。雖然邊緣肋骨有助于減輕這些裂紋，但是會(huì)使建筑邊緣厚重。對(duì)此，坎德拉認(rèn)為問(wèn)題的關(guān)鍵在于解決交叉拱處的受力。餐廳中的每個(gè)交叉拱處形成一個(gè)V字形梁，混凝土梁中加配鋼筋。這些梁提升交叉拱處的剛度，減少拱的彎曲和變形，同時(shí)將邊緣力拉向交叉拱處后，再傳遞到地基，從而解放邊緣。建筑支撐件是V字形梁倒置于土壤中，獨(dú)特的基腳處理防止殼體沉沒(méi)在潮濕的墨西哥土壤；同時(shí)為了抵抗側(cè)向推力，相鄰地基用Ф1鋼筋相連。
此建筑采用了現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)體系。首先，用木材支撐模板，搭建起建筑的基本形體，然后在模板的表面鋪設(shè)鋼筋，最后在表面澆筑混凝土。這是一個(gè)令人眼花繚亂的薄殼體建筑，建筑內(nèi)部沒(méi)有支撐體，空間渾然一體，其精湛的技藝和敏感性以及美學(xué)性質(zhì)不斷影響著結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展。
1998年里斯本世博會(huì)葡萄牙館
1998年里斯本世博會(huì)的葡萄牙國(guó)家館體現(xiàn)了西扎所追求的“純凈”概念，同時(shí)也是優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)表達(dá)。這一片長(zhǎng)65m、寬58m、離地高度最低10m的巨大懸拉結(jié)構(gòu)所遮蓋的半開(kāi)敞公共大廳。從遠(yuǎn)處看，它就像海洋上一只潔白的橫帆，猶如天然懸垂的輕柔帳
幔，但詩(shī)意的輕柔背后卻是建構(gòu)的沉重。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大的困難就在于需要選擇自重足夠大的材料來(lái)平衡風(fēng)壓，但又要保持輕柔的視覺(jué)效果。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的巴爾蒙德最初考慮用絲網(wǎng)連接輕質(zhì)的織物面材/金屬板或者鋼桁架外包表皮，但都無(wú)法解決這些問(wèn)題。最終他選用的卻是本來(lái)與織物的輕柔感相去甚遠(yuǎn)的混凝土：以100根預(yù)應(yīng)力鋼筋作為結(jié)構(gòu)，200mm厚的混凝土平衡風(fēng)的上升力。
為了使這種結(jié)構(gòu)在地震中也能更加穩(wěn)定，一方面，這條自然懸垂的曲線直接演變?yōu)榘蜖柮傻略诮Y(jié)構(gòu)形式中的數(shù)學(xué)模型——懸鏈線，這種曲線軌跡使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到最小，曲線內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力方向就是曲線在這一點(diǎn)的切線方向，因此材料內(nèi)部沒(méi)有扭矩；另一方面，將混凝土與結(jié)構(gòu)分離，混凝土并不是緊裹著鋼索，鋼索表面有一層油性外皮使它從混凝土中穿過(guò)，混凝土變成了外部保護(hù)，熱脹冷縮對(duì)于混凝土的影響也就被削弱了，結(jié)構(gòu)減少到只有鋼索本身，這也大大控制了混凝土的變形。
使用較重的混凝土之后，對(duì)支座的拉力會(huì)使其底部產(chǎn)生巨大的傾覆力矩。為此，巴爾蒙德在兩端的剪力墻上設(shè)置了一系列垂直的鰭狀片墻抵抗側(cè)向的拉力，并在地下采用了一系列橫穿整個(gè)跨度的地梁來(lái)連接兩端的基礎(chǔ)。地梁起到了拉桿的作用，把所有的構(gòu)件連接在一起形成了一個(gè)完整的荷載回路，位于空中的拉力與地下的反推力形成閉合，并與支座相連。
作為一種脆性材料，混凝土并非像繩索一樣彎曲自如。這就需要在施工時(shí)在混凝土受拉之前就形成垂曲線的形態(tài)，并且穿越支座的錨固端走向要和曲線一致。在施工中，依次提升拉伸鋼筋的拉力0 - 0.5T- 0.8T - T，直到鋼筋可以獨(dú)立支撐混凝土 “羽翼”的時(shí)候才拆去模板，以保持混凝土薄殼在整個(gè)過(guò)程中形態(tài)幾乎不變。
1998年里斯本世博會(huì)的葡萄牙國(guó)家館至今仍為人稱道。地面反射的陽(yáng)光照亮了懸拉屋頂?shù)耐鈧?cè)，構(gòu)成了頂棚底面由外向內(nèi)、由明亮向陰暗的轉(zhuǎn)變，這種光影的變化加強(qiáng)了屋頂在視覺(jué)上的懸浮效果；走近建筑后身處巨大的屋頂之下，又能明確感受到它的沉重，但兩端接頭處暴露出來(lái)的懸拉鋼索引入的光線打破了屋頂?shù)某林馗小?/div>
金貝爾美術(shù)館
“光是結(jié)構(gòu)的給予者”，康的設(shè)計(jì)是光、結(jié)構(gòu)類型和空間形式的三位一體。在金貝爾美術(shù)館設(shè)計(jì)中，康對(duì)自然光的處理分為頂采光、側(cè)采光和庭院采光。
頂采光：在拱冠的下方設(shè)置光線折射板，光線從天窗照射進(jìn)來(lái)，通過(guò)打有微小孔洞的金屬折射板均勻分散在混凝土拱頂天花上，并多次反射到展品表面，避免光線直射，不僅在室內(nèi)產(chǎn)生柔和均勻的光線，又將屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)真實(shí)地展現(xiàn)出來(lái)，使拱頂仿佛發(fā)光體一般，厚重的混凝土拱頂顯得十分輕盈，建筑的物質(zhì)性被削減了。側(cè)采光：每個(gè)單元縱向兩側(cè)的圓拱形隔板與拱頂之間產(chǎn)生高度不一的弧形光帶，在室內(nèi)形成神秘的光帶。庭院采光：康在連續(xù)拱頂結(jié)構(gòu)中安插三個(gè)布局隨意的露天院落，通過(guò)不同的院落比例，產(chǎn)生不同的光線效果。
擺線拱頂結(jié)構(gòu)是金貝爾美術(shù)館的重要特征。擺線拱頂為預(yù)應(yīng)力混凝土，在擺形截面上存在類似于普通梁的彎矩，拱形的截面可以有效對(duì)抗彎矩，沿?cái)[線拱頂?shù)目v向進(jìn)行后張拉預(yù)應(yīng)力處理，使得拱頂達(dá)到32m的凈跨度，并抵消梁身極易產(chǎn)生的彎曲變形。出于結(jié)構(gòu)考慮，在每個(gè)拱頂?shù)亩祟^設(shè)置厚度達(dá)到一定要求的圓拱形隔板，這也是在每個(gè)拱頂端部墻面產(chǎn)生高度不一樣的弧形光帶的原因。
在金貝爾美術(shù)館的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，每一個(gè)單元體具有獨(dú)立完整的擺線拱頂和分布在四角的承重柱，通過(guò)重復(fù)簡(jiǎn)單的單元體，為室內(nèi)空間布局提供最大的靈活性，但是單元各自的拱頂又讓空間在感知上保持相對(duì)獨(dú)立。金貝爾美術(shù)館將設(shè)備管線與拱頂結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合，在拱頂之間的間隔帶處利用下掛梁間的空間形成管線橋架，布置燈槽，并安裝活動(dòng)隔斷。
不穩(wěn)定——一墻宅
名為“一墻宅”的這座兩戶住宅位于瑞士蘇黎世東南端一個(gè)狹窄的斜坡地段上，建筑僅通過(guò)曲折的混凝土墻將兩戶完全隔開(kāi)，并限定每戶使用空間。為更好地享有戶外景觀，各戶的主要功能沿著折墻在垂直方向展開(kāi)，從下往上依次為工作室、起居室、廚房、臥室和浴室。
建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追隨著“用一道墻將室內(nèi)劃分為兩半”的功能方案執(zhí)行，400mm厚的鋼筋混凝土墻同時(shí)也支撐著寬闊的懸挑樓板。墻的形態(tài)在平面上呈折板狀，而折角的位置與角度在各層都不一樣。與直線的墻體相比，折板墻體具有更好的抗彎性能和穩(wěn)定作用。各層墻體的交接之處形成“柱點(diǎn)”，頂層墻體通過(guò)分段懸挑的形式將荷載交匯于頂層墻體與地面層墻體的 “柱點(diǎn)”，再通過(guò)預(yù)施的拉力將荷載引導(dǎo)至地面層墻體與底層墻體的“柱點(diǎn)”，最終由底層墻體將荷載傳入大地。由于墻體和樓板作為一個(gè)整體，建筑在剖面上可看成三段堆疊的“工字鋼”，增加了建筑的整體性和穩(wěn)定性。
一墻承重的結(jié)構(gòu)使兩家住戶都獲得了三層無(wú)柱、可自由分隔的房間。混凝土折墻在每層形態(tài)的不確定性也適應(yīng)了各層功能布置的變化。浴室等輔助功能嵌入到折墻的三角空間中，順應(yīng)了墻體的走勢(shì)和室內(nèi)空間的收放，給其他房間帶來(lái)開(kāi)敞而不受遮擋的空間。同時(shí)，立面僅起圍護(hù)作用，采用落地玻璃窗，讓空間沿著視線向室外延伸。
奧拓廣場(chǎng)大樓
奧拓廣場(chǎng)大樓位于庫(kù)爾的歷史風(fēng)貌舊城區(qū)，被3道承重實(shí)墻分隔開(kāi)，形成4個(gè)跨度在20～30m之間的盒子。建筑混合商業(yè)、辦公室和公寓，其中辦公和公寓這些小空間的功能集中在上部，由內(nèi)部走廊串聯(lián)，而底層空間由于功能難以確定，因此設(shè)計(jì)師希望創(chuàng)造完全不受限制的內(nèi)部空間。
建筑采用墻板與樓板的實(shí)體結(jié)構(gòu)體系，使得建筑首層得以解放，成為自由的大空間；二至四層隔斷墻體和外墻墻體采用網(wǎng)狀交織的后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋索解決墻板拉力問(wèn)題，最終形成一個(gè)三層高的桁架受力體系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)上部空間的支撐；同時(shí)，設(shè)計(jì)師分別在內(nèi)外墻體使用現(xiàn)澆混凝土板和拋光預(yù)制混凝土板將鋼筋隱藏起來(lái)。在這些墻板中，兩個(gè)對(duì)角線方向分別預(yù)埋了預(yù)應(yīng)力鋼索的套管和兩根斜向支架，這兩個(gè)預(yù)埋的部件都是露出頭至上一層樓板，以便與上一層預(yù)制板中預(yù)埋的構(gòu)件對(duì)接（圖31）。
葛文俊，堂朔空間設(shè)計(jì)研究室主持建筑師，師從著名建筑教育家葛明教授、著名建筑師張永和教授；獲東南大學(xué)建筑學(xué)學(xué)士、麻省理工學(xué)院理學(xué)碩士；曾擔(dān)任麻省理工學(xué)院客座講師，現(xiàn)擔(dān)任東南大學(xué)客座講師；曾獲2005年北京中國(guó)國(guó)際建筑藝術(shù)雙年展學(xué)院組金獎(jiǎng)，南京321領(lǐng)軍型科技人才稱號(hào)。
參與研究人員：曹慧、賴雨詩(shī)、周星宇、陸娟
