勒·柯布西耶在1926年提出的“新建筑五点”对现代主义建筑产生了深远影响, 其中第一条便是“首层架空, 以柱子支承” (Support of ground-level pilotis, elevating the building from the earth and allowing the garden to be extended to the space beneath.) ^[1]。柱子兼具建筑表现和结构受力的双重任务, 是建筑师和结构工程师都需要精心设计的关键元素之一。

在柯布西耶设计的萨伏伊别墅 (Villa Savoye, 1930) 中, 首层架空的开敞空间仅保留建筑四周的结构柱。萨伏伊别墅的白色混凝土圆柱间距4.75m, 柱高3.13m, 截面直径250mm。柱子长度与直径之比达到12.5, 相比古典建筑中柱式的厚重, 显得非常简洁、纤细, 呈现出一种洗练的建筑表现力。

随着工程材料和技术的发展, 建筑不再依赖粗重而密布的石柱支承荷载。经过建筑师和结构工程师不断的探索、尝试和创新, 柱子的设计形态出现了三种分化。

一是追求柱子断面纤细轻巧的效果, 即细柱 (细长柱) 。细柱结构的关键是受压稳定问题, 其材料强度不能充分发挥。欧拉稳定临界应力是细柱难以突破的极限。现代主义建筑大师密斯·凡·德·罗在实现其空间理念“Less is more”的作品中, 经常采用的“密斯柱”即是典型的细柱。以巴塞罗那国际博览会德国馆 (Barcelona Pavilion, 1929) 为例, 柱子高3.1m, 截面为不常见的十字形。从结构受力方面分析, 十字形截面的“回转半径”相对于其他形状截面更小, 柱子长细比更大, 是力学意义上的细柱。巴塞罗那国际博览会德国馆十字柱的边长 (305mm) 比萨伏伊别墅圆柱的直径 (250mm) 大, 但该十字截面的“回转半径”更小, 其稳定计算长细比更大。

二是追求柱子数量少, 将柱子“凝聚”成少而粗的巨柱。巨柱形象厚重, 富于气势, 其结构一般不存在稳定问题, 材料强度能够得到充分发挥。因此, 柱身设计更加自由, 其截面不局限于方形和圆形, 可以塑造出各种特色截面。以皮埃尔·奈尔维设计的都灵工人文化宫为例, 巨大的柱子和放射状钢梁组成一个个撑开的伞。每把“雨伞”是一个独立的单元, 撑起十分开阔的内部空间 (柱间距38m×38m) , 巨柱下段断面为十字形, 上段渐变收小为圆形, 呈现出一种粗犷、挺拔的形象。

三是将柱子几何“离散”成若干个分枝, 拓扑演化形成分叉或编织, 统称为“树形柱”或“分叉柱”。树形柱将荷载传递由一点变为多点, 支承覆盖范围大, 提供了更多的传力路径。树形柱分支能够减小屋盖结构的跨度, 有利于形成更大跨度的空间。以华建集团华东建筑设计研究总院设计的上海浦东机场T2航站楼为例, 建筑采用了Y形斜柱支承的张弦梁屋盖结构, 创造出轻盈、活泼的超大空间。两级分叉的树形柱有效地减小了屋盖张弦梁的跨度, 提升了建筑室内净高。此外, 对树形柱构件和节点细节做了精细的处理。由此, 建筑-结构一体化设计使得结构成为建筑表达的亮点^[2]。

对于柱子设计形态的第一种分类——细柱来说, 为了追求柱子的精致设计、极致纤细, 建筑师和结构工程师需要共同迎接挑战。下面简要分析采用细柱手法的若干经典案例, 归纳实现细柱设计的数种方法。

细柱在结构压力作用下容易发生失稳破坏。为了防止失稳, 首先需减小柱子的轴压力, 即减轻单柱所承受的压力荷载。

在妹岛和世+西泽立卫于2009年设计的蛇形画廊 (Serpentine Gallery) 中, 展区由细细的柱子支承着蜿蜒连续的铝板, 铝板反射树木、地面和天空的影像, 与周围环境形成呼应。画廊中细柱仅承受一层轻质屋面 (铝板) 的重量, 其荷载仅相当于普通混凝土楼面恒活荷载的1/20, 约等于一般建筑轻质屋面恒活荷载的1/5。且蛇形画廊属于临时建筑, 使用期间遭遇大风和地震的概率极小, 设计时几乎不考虑水平作用力, 因此其柱子能够比普通建筑的柱纤细更多。

为了防止细柱失稳, 另一种减小柱子轴力的方法是加密柱子布置, 进而减轻每根柱所承受的压力荷载。妹岛和世在早期的公园咖啡厅设计中, 曾采用1.5m×1.5m的小柱网来实现细柱设计。在大型建筑中, 加密柱子可能导致空间局促且凌乱, 因此在设计中并不常见。比较成功的案例有赫尔佐格和德梅隆设计的波尔多大西洋体育场 (Stade Matmut-Atlantique) 。

波尔多大西洋体育场由纤细而密布的柱子支承起屋顶。纯白色的密柱如同明亮的光线或水滴渲泄而下, 将体育场巨大的矩形体块感消解于无形, 营造出一个充满活力的空间。柱子细密的线条同时也促成了建筑开放的立面表现。

在结构设计方面, 建筑共有644根圆钢管柱。看台下方的柱子承受较大压力, 截面较大;而建筑外围柱子密布, 且由于屋盖内侧悬挑, 导致外围柱子仅承受很小的压力, 柱子可设计得非常纤细。柱子最大高度约37m, 长径比最大达40, 显得格外细长。此外, 由于法国当地地震作用小, 体育场采用轻质简洁的屋面, 每根柱分摊的轴力和弯矩都比较小, 使得该建筑方案得以成功实现。

常规的框架柱截面大小除了受压杆稳定的影响外, 柱子承受的弯矩也是一个重要影响因素。弯矩一部分由水平力 (风和地震作用) 引起, 另一部分是梁柱刚接节点的平衡弯矩。减小柱子内的弯矩, 是缩小柱子断面的有效手段。

日本东京的冼足连结公寓 (G-Flat) 实现“细柱”的方法是将集合住宅的“剪力墙”布置在建筑平面的中央, 相邻两个单元的剪力墙方向垂直交错布置, 以抵抗各方向的水平力。由于剪力墙的刚度远大于钢柱, 剪力墙分担了绝大部分的水平力。因此, 钢柱几乎只承担轴压力, 因此其截面尺寸可大幅缩小。

日本直岛海之车站也采用了类似的剪力墙与细柱组合的结构形式。海之车站是一个建筑面积约600m²的轮渡站, 屋面为压型钢板 (1.6mm厚) 轻质屋盖。支承屋盖的钢柱直径仅85mm, 柱子长度与直径之比达到60。如此纤细的钢管显然无法抵抗海风和地震引起的水平力。用于抵抗水平力的是8片纤薄的钢板剪力墙^[3], 钢板墙表面设计成镜面不锈钢, 布置在车站开敞的空间中。镜面映射周边景色, 与环境融为一体, 不易被察觉。

日本金泽海之未来图书馆 (Kanazawa Umimirai Library) 的细柱则依赖于另一种结构形式。图书馆长宽高为45m×45m×19m, 共有3层, 设计者称之为“蛋糕盒子”。幕墙是有着6 000个小圆孔的GRC板和阳光板, 把柔和的自然光引入室内。一种网格状的交叉支承钢结构藏在幕墙内部, 承担了全部水平地震力, 其受力特性近似于框架支撑体系中的支撑。

图书馆内部的25根高12m的钢柱, 仅需承受来自屋顶的重力。为了消除屋面梁传递给柱子的平衡弯矩, 柱顶采用了铰接节点以释放弯矩。

解决细柱因压力而失稳的方法, 除了减小荷载和加密布置外, 还可以利用预应力技术减小甚至消除轴压力。石上纯也设计的神奈川工科大学KAIT工坊 (Kanagawa Institute of Technology Workshop) 中令人印象深刻的细密白色柱子正是采用了这种预应力技术。

KAIT工坊最初的设计意象是树林。305根柱像小树一样错综密布在建筑中, 编织成一个有密度、非均质的柔和空间。建筑根据柱子的分布被划分为14个开放的区域, 相互独立又融为一体。

结构如何实现一直是人们对KAIT工坊最感兴趣的话题。实际上, 在高度为5m的305根柱子当中, 只有42根是承受竖向荷载的受压柱 (钢板柱截面为62mm×90mm) , 其余的263根钢板柱是施加了预拉力的吊杆 (钢板厚度为16～45mm, 宽度为96～160mm) , 仅用于抵抗水平力。受压柱下端与基础刚接, 上端与钢梁铰接, 以释放节点的弯矩;吊杆钢板的上下两端均为刚接, 能够最大程度地提供结构抗侧刚度。

KAIT工坊的吊杆不存在失稳的问题, 严格意义上也不算是柱子构件。吊杆的钢板朝向随机变化, 既可以抵抗来自不同方向的水平力 (风和地震作用) , 又能使人们身在其中看到不同宽窄的构件变化。由于纤细吊杆的数量远大于受压柱的数量, 且吊杆沿钢板厚度方向的尺寸极小, 因此置身于建筑中能够给人以柱子纤细至极的视觉效果。

上面介绍了实现细柱的四种方法, 在项目实践中可以综合运用。例如KAIT工坊项目中以施加预应力的方法为主, 同时也结合了密布柱列和释放弯矩的方法。

在追求柱子精致设计、极致纤细的建筑方案中, 细柱既是建筑师表现极简、轻巧的元素, 也是结构工程师追求力学极限的探索, 需要建筑师和结构工程师紧密合作。文中诸多经典案例也从侧面说明了建筑和结构设计相融合的重要性。

图片来源

图1～3来源于维基百科 (Wikipedia) ;图16为作者根据文献[3]改绘。