混凝土的工程美學

混凝土技術起源于古羅馬,后失傳,直到20世紀初,法國人奧古斯特·佩雷成功地將鋼筋混凝土框架結構應用在諸多類型建筑上,證明了鋼筋混凝土框架結構強大的適應性。隨后曾在佩雷設計室工作的勒·柯布西耶在1914年提出了多米諾體系,它作為國際式的原型將鋼筋混凝土框架體系推廣至世界各地。低廉的造價和相對較低的工藝要求,令鋼筋混凝土在經濟和人口爆炸式發展的20世紀成為應用最為廣泛的結構體系?蚣荏w系在鋼筋混凝土的結構原型中無疑是最具生命力的。力求突破常規的現代主義大師創造性地提出一系列展現混凝土結構特有的“工程美學”。


古羅馬藝術博物館

  古羅馬藝術博物館位于西班牙梅里達,處于廢墟之上。莫內歐為實現新舊建筑之間的完美共存,摒棄了用大跨結構跨越廢墟的做法,將混凝土這種強度較大的填充粘結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,最終形成復合結構從而實現較大的跨度。磚墻作為“永久模板”保留在混凝土的外表,在獲得高強度的同時也保留了磚建筑細膩的肌理感和清晰的建構邏輯。

  現澆混凝土結構的層與層之間通過“陶土管”結合:陶土管的一端預埋在下層的混凝土中,當混凝土凝固之后,繼續砌筑磚墻,上一層的混凝土將淹沒陶土管的另一端,陶土管的作用類似于預留鋼筋。

  莫內歐通過尺度的對比在建筑中獲得絕佳的效果:在通過入口時,低矮的尺度以及在通往展廳時的封閉天橋給人以壓抑感。進入大廳后,10m高的尺度讓人豁然開朗,給人以神秘感和藝術氣息。


1970年大阪世博會巴西館

  巴西館與其說是建筑,不如說是一個優雅、簡潔而不失狂野的大地藝術品。起伏的場地與水平性的屋頂占據了視覺主體,劇院和展覽空間被埋入地形,建筑與自然相互依附,二者的建構很難說是以誰為主體。

  屋頂使用了預應力混凝土,縱向設兩根最低高度為2m的大梁,橫向上每2m設高約2m的混凝土梁,梁間以底部邊長2m的金字塔體填充,形成了2mx2m的均勻方格網系統。每個小椎體截去頂部,覆以玻璃,以此向下部空間引入了光線。

  長50m、寬32.5m的巨大屋蓋由非正交網格上的4個點支撐在屋頂的邊緣處,但它并非用傳統的方式支撐,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。建筑師創造了一個假象,仿佛支撐屋頂的不是結構,而是場地。除了場地內凸起的三座“小山”支撐,建筑師還加入了一個由兩個圓拱垂直相交構成的支撐,成為了場地上唯一的豎直元素,這也是地表上唯一清晰可見的支撐構件。

 


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世紀以來這里就是朝圣的地方?虏嘉饕趧庸P前說,他要把朗香教堂設計成一個“視覺領域的聽覺器件”,應該像人的聽覺器官一樣柔軟、微妙、精確和不容改變。最終,他摒棄了傳統教堂的模式和現代建筑的一般手法,把它當作一件混凝土雕塑作品加以塑造。

  柯布的設計關照了教徒儀式進程中的體驗感知需要。斜向南墻與主要人流方向一致,在引導人流的同時也暗示和區分兩處室外空間的不同性質:南面為入口空間,東面為室外宗教活動場所?课鞫藟w所增加的厚度在主入口形成由世俗空間進入神圣空間的過渡空間,給人以心理感受上的過渡。沉重的屋頂向上翻卷,與墻體之間留有400mm的帶形空隙,屋頂因此懸浮起來,在引入光線的同時又給人以神圣感。

  傾斜的墻面與厚重的屋頂的實現得力于外包混凝土的以鋼架為主的結構體系。機翼形鋼架為屋頂結構主體,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,但是沒有工業技術的冰冷,反而是溫暖的“貝殼”融入場地之中?梢哉f,朗香教堂正是用其怪誕的方式詮釋了工業制品的“詩意”與“快樂”。


霍奇米爾科水上公園餐廳

  霍奇米爾科水上公園餐廳是由費利克斯·坎德拉設計的殼體式建筑,四個相交的雙曲拋物面形成的八角形交叉拱向四周展開,采用無梁柱薄殼結構,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使得拱向外彎曲,偏轉產生的力垂直于外殼的表面,從而形成由外向內的邊緣裂紋。雖然邊緣肋骨有助于減輕這些裂紋,但是會使建筑邊緣厚重。對此,坎德拉認為問題的關鍵在于解決交叉拱處的受力。餐廳中的每個交叉拱處形成一個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,獨特的基腳處理防止殼體沉沒在潮濕的墨西哥土壤;同時為了抵抗側向推力,相鄰地基用Ф1鋼筋相連。

  此建筑采用了現澆混凝土結構體系。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鋼筋,最后在表面澆筑混凝土。這是一個令人眼花繚亂的薄殼體建筑,建筑內部沒有支撐體,空間渾然一體,其精湛的技藝和敏感性以及美學性質不斷影響著結構工程的發展。


1998年里斯本世博會葡萄牙館

  1998年里斯本世博會的葡萄牙國家館體現了西扎所追求的“純凈”概念,同時也是優秀的結構表達。這一片長65m、寬58m、離地高度最低10m的巨大懸拉結構所遮蓋的半開敞公共大廳。從遠處看,它就像海洋上一只潔白的橫帆,猶如天然懸垂的輕柔帳幔,但詩意的輕柔背后卻是建構的沉重。

  結構設計最大的困難就在于需要選擇自重足夠大的材料來平衡風壓,但又要保持輕柔的視覺效果。作為結構設計師的巴爾蒙德最初考慮用絲網連接輕質的織物面材/金屬板或者鋼桁架外包表皮,但都無法解決這些問題。最終他選用的卻是本來與織物的輕柔感相去甚遠的混凝土:以100根預應力鋼筋作為結構,200mm厚的混凝土平衡風的上升力。

  為了使這種結構在地震中也能更加穩定,一方面,這條自然懸垂的曲線直接演變為巴爾蒙德在結構形式中的數學模型——懸鏈線,這種曲線軌跡使得結構內部應力達到最小,曲線內任意一點的應力方向就是曲線在這一點的切線方向,因此材料內部沒有扭矩;另一方面,將混凝土與結構分離,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,混凝土變成了外部保護,熱脹冷縮對于混凝土的影響也就被削弱了,結構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,對支座的拉力會使其底部產生巨大的傾覆力矩。為此,巴爾蒙德在兩端的剪力墻上設置了一系列垂直的鰭狀片墻抵抗側向的拉力,并在地下采用了一系列橫穿整個跨度的地梁來連接兩端的基礎。地梁起到了拉桿的作用,把所有的構件連接在一起形成了一個完整的荷載回路,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。這就需要在施工時在混凝土受拉之前就形成垂曲線的形態,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,直到鋼筋可以獨立支撐混凝土 “羽翼”的時候才拆去模板,以保持混凝土薄殼在整個過程中形態幾乎不變。

  1998年里斯本世博會的葡萄牙國家館至今仍為人稱道。地面反射的陽光照亮了懸拉屋頂的外側,構成了頂棚底面由外向內、由明亮向陰暗的轉變,這種光影的變化加強了屋頂在視覺上的懸浮效果;走近建筑后身處巨大的屋頂之下,又能感受到它的沉重,但兩端接頭處暴露出來的懸拉鋼索引入的光線打破了屋頂的沉重感。


金貝爾美術館

  “光是結構的給予者”,康的設計是光、結構類型和空間形式的三位一體。在金貝爾美術館設計中,康對自然光的處理分為頂采光、側采光和庭院采光。

  頂采光:在拱冠的下方設置光線折射板,光線從天窗照射進來,通過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,不僅在室內產生柔和均勻的光線,又將屋頂的結構真實地展現出來,使拱頂仿佛發光體一般,厚重的混凝土拱頂顯得十分輕盈,建筑的物質性被削減了。

  側采光:每個單元縱向兩側的圓拱形隔板與拱頂之間產生高度不一的弧形光帶,在室內形成神秘的光帶。

  庭院采光:康在連續拱頂結構中安插三個布局隨意的露天院落,通過不同的院落比例,產生不同的光線效果。

  擺線拱頂結構是金貝爾美術館的重要特征。擺線拱頂為預應力混凝土,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抗彎矩,沿擺線拱頂的縱向進行后張拉預應力處理,使得拱頂達到32m的凈跨度,并抵消梁身極易產生的彎曲變形。出于結構考慮,在每個拱頂的端頭設置厚度達到一定要求的圓拱形隔板,這也是在每個拱頂端部墻面產生高度不一樣的弧形光帶的原因。

  在金貝爾美術館的結構設計上,每一個單元體具有獨立完整的擺線拱頂和分布在四角的承重柱,通過重復簡單的單元體,為室內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獨立。金貝爾美術館將設備管線與拱頂結構巧妙結合,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,并安裝活動隔斷。


不穩定——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狹窄的斜坡地段上,建筑僅通過曲折的混凝土墻將兩戶完全隔開,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,從下往上依次為工作室、起居室、廚房、臥室和浴室。

  建筑結構設計追隨著“用一道墻將室內劃分為兩半”的方案執行,400mm厚的鋼筋混凝土墻同時也支撐著寬闊的懸挑樓板。墻的形態在平面上呈折板狀,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定作用。各層墻體的交接處形成“柱點”,頂層墻體通過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”,再通過預施的拉力將荷載引導至地面層墻體與底層墻體的“柱點”,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定性。

  一墻承重的結構使兩家住戶都獲得了三層無柱、可自由分隔的房間;炷琳蹓υ诿繉有螒B的不確定性也適應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,順應了墻體的走勢和室內空間的收放,給其他房間帶來開敞而不受遮擋的空間。同時,立面僅起圍護作用,采用落地玻璃窗,讓空間沿著視線向室外延伸。


奧拓廣場大樓

  奧拓廣場大樓位于庫爾的歷史風貌舊城區,被3道承重實墻分隔開,形成4個跨度在20~30m之間的盒子。建筑混合商業、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,由內部走廊串聯,而底層空間由于功能難以確定,因此設計師希望創造完全不受限制的內部空間。

  建筑采用墻板與樓板的實體結構體系,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狀交織的后張法預應力鋼筋索解決墻板拉力問題,最終形成一個三層高的桁架受力體系,從而實現對上部空間的支撐;同時,設計師分別在內外墻體使用現澆混凝土板和拋光預制混凝土板將鋼筋隱藏起來。在這些墻板中,兩個對角線方向分別預埋了預應力鋼索的套管和兩根斜向支架,這兩個預埋的部件都是露出頭至上一層樓板,以便與上一層預制板中預埋的構件對接。

  這種結構體系使得建筑各層形成大跨度、可自由劃分的無柱空間,適應了各層功能空間性質的變化。建筑上部的桁架受力體系使得開窗能巧妙適應承重墻斜向構件的間隙,混凝土的使用將結構構件隱藏于墻體中,從而實現形式和結構的統一,空間變得純粹。