浅析当代建筑美学与结构技术的完美融合

1.建筑结构之美

哲学层面上的美，通常可以理解为一种视觉的享受，一种优雅的形态，甚至可能是一种美与轻盈、通透、灵动的结合，即将脱离地心引力，仿佛一位优雅的芭蕾舞演员。而建筑结构之美，往往是一种特定的、无与伦比的美，甚至比美更胜一筹。因为它能从线、面、体各个层次，将韵律、秩序和节奏感表现得淋漓尽致。比如流线型的建筑外形可能会带来动态、飞翔的感觉；而自由曲线类形态时可采用立体切割形态，这些形态能带来舒展、自由、灵动的视觉体验。

1.1建筑结构之美，在于形式的巧合

法国的利奥尔纳足球场，在结构设计中采用的竖向悬臂形式，这与经典项目悬挑雨篷的曲线形态不谋而合。比利时的一座自行车桥根部也是这样的曲线形态，但现在采用钢结构材料，截面尺寸比混凝土结构更小，更显得轻盈。

1.2建筑结构之美，在于与光带共舞

从奈尔维的侧天窗和顶部光带，到坎德拉造型别致的落地窗和教堂天窗，吉隆坡机场和旧金山机场的屋面天窗，再到普尔科沃国际机场现代感的天窗，有时候与外露结构没有特别的关系，但是结构与光带的完美结合，确实可以产生特殊的效果。以荣城少年宫为例，彰显清水混凝土结构成就建筑之美。荣成少年宫是一处集知识性、娱乐性、互动性为一体的未成年人综合教育服务基地。该项目采用清水混凝土结构，其结构设计难点主要体现在以下两个方面：空间异形壳体结构计算模型的实现，涉及空间异形壳体有限元计算模型、特殊部位结构体系梳理与单体受力分析、结构超长分析与构造处理；特殊造型部位（采光部分）结构体系的挑战，包括大入口双向悬挑结构、游泳馆开花柱及屋面框架体系、科技馆带壁柱球体体系、拱券柱区域框架受力，以及BIM设计、施工模型与结构设计分析模型的结合。

2.建筑与结构融合

建筑和结构的关系应该是一种对话，一种互相地吸引、交流，但这还不够，和婚姻一样，在婚后才知道对方更多的弱点和问题，要有忍受、包容、理解之心，这样才能达到家庭美满、珠联璧合、白头偕老。这正是工程师所体现的最高境界，也是一种人文和科技的融合。

2.1优雅的形态和布置

当代建筑是多样性的，其结构布置方式和内部划格能带来韵律、秩序和节奏感。从线、面、体各个层次，采用曲线形、拱形、螺旋形、S形等形态，并采用立体切割特效，给人带来舒展、自由、灵动的视觉体验感。而在特定情况下，某些看似杂乱但错落有致的布置方式，即使与有序、韵律相对立，也有可能被认为是一种优雅的形态。

2.2轻盈的体系和杆件

采用受力直接的拉压体系截面纤细，因而比受弯体系更显得轻盈，对视觉影响小的细吊索、细张弦等能提升轻盈感。在荷载较小时采用大长细比的柱子，或将抗侧力体系与竖向体系分开，能带来轻盈感。可通过悬挑、分叉集中等体系选择，尽可能减少落地构件，达到表现轻盈需求的效果。大构件的离散化，如网格筒也是实现轻盈效果的一种方式。悬挑收边结构本身或建筑实现极为轻薄的造型，通过细节处理带来视觉上的轻盈感。选择外露的吊挂平台、吊挂楼梯等轻巧结构，可以用较小的代价达到点睛的效果。

2.3通透的玻璃结构

配合玻璃透光的主结构，采用单层的轻薄结构，主结构与玻璃次结构的构造合二为一，能做到最大程度的通透；当不能合二为一时，尽可能不在主结构上简单重叠次结构或通过一定的颜色差异区分，以减小二次结构的影响。

2.4清晰的受力表达

清晰的表达，指外露的构件或者部件的作用是易于读懂的，符合结构受力基本原理，每个结构都遵循基本的受力原理，越是简单的原理越容易被清晰地表达，包括节点连接方式。例如采用钢接拱形结构、两铰拱结构、三铰拱结构等设计，杆件截面大小变化或者拉索杆件的采用，与弯矩图相符，都能清晰表达结构。曲面形和折板形梁式结构、圆形平面的单边支撑悬挑结构、带有后座杆件的悬挑结构等以简单的结构原理为基础发展而成，不是最经济的结构形式，但仍可能是清晰表达的结构。设计这类结构的前提是对结构基本原理有清晰的认识，结合工程条件变化无穷、灵活应用。清晰的表达可能不是完全根据受力得到，不完全忠实于受力，有时候会表现为略微偏离合理的受力，有时候会表现为外包造型的艺术化处理。

2.5简单纯净的结构

简单的结构与通透的结构、清晰的受力有重叠之处，从体系上来说，结构中的构件都有其存在的必要，没有多余构件，某些情况下为了提高冗余度而存在的构件也有其必要性。

从构件层次来说，两端铰接柱的变截面处理、悬臂梁的变截面、梁上开洞处理、空腹桁架的采用等，都属于简单纯净的结构，把构件上不需要的部分去除了，形成结构语言。

广州白云机场T2航站楼的设计正体现了结构与建筑的完美融合。通过强调“轻盈、漂浮、流动”的“云”的设计概念，正立面采用张拉膜雨棚、人字形柱，独具特色。首创渐变旋转式吊顶，实现网架结构与建筑装修的一体化设计。肇庆新区体育中心采取适应气候的设计策略，以及一体化的建筑与结构设计，使之达到功能性与标志性的高度统一，为城市提供了多彩绚丽、振奋人心的省运会开闭幕式场馆以及赛后运营的有利条件。珠海横琴保利中心凭借巨型转换桁架的结构技术，实现了“悬浮立方体”的设计概念，为城市打造一个洁白光亮、具有鲜明特色的新建筑。

3.从建构共生目标出发的整体性启示

3.1构件设计

因制作方便，圆管在曲面结构中应用有优势，管件相交方便，效果较好。需要三向相交时，可以采用矩形截面与圆管混合的形式。因为线条和阴影带来的视觉影响强于平面，十字形柱在荷载较小时可能会是合适的选择，多边形柱也可以考虑，甚至对较大的柱子进行不规则体面切割成多维变截面。某些情况下椭圆形比圆形更有美感，椭圆形柱截面也可能是一种选择。拱形和曲梁中采用的异形截面，使相对单调的结构富有活力。外露桁架结构的弦杆外观尺寸保持不变，可以通过厚度调整，腹杆外观尺寸如需变化也应与长度相适应，没有突变。柱子和梁截面的细部线条装饰在视觉上有其作用，但国内较多项目的此类构件平直度不够，与焊缝设计有关。在荷载较小时采用大长细比的柱子，或将抗侧力体系与竖向体系分开，能带来轻盈感。以法国邯锡教堂为参考，小柱距承重结构的均匀圆柱高度与直径比值为25是比较适宜的；以大柱距的支撑屋盖悬臂钢管混凝土柱采用变截面形式，外露高度与底部最大直径之比大约小于8时就显得笨重，宜大于10。

3.2节点设计

不同类型的多杆件相交不一定都要在一个平面内，有时候允许偏心连接可能带来便利。将起结构作用地加劲板、连接板等部件艺术化，切割、圆弧倒角处理，呈现细节精致的艺术产品。便于现场连接的设计基础上进行艺术化处理，现代工业化特征。造型渐变，从铰接节点到实体和大面的“过渡”做法，符合力流扩散的基本原理。基于拓扑分析和优化手段，可能采用这样的拉索连接节点设计，颇具未来感，而且材料用量大大减少。

对于建筑设计，其水平的高低不仅体现在方案设计上，更体现在细部构造上。对于建筑图纸而言，节点图作为反映建筑细部构造的载体，通过平面图、立面图、剖面图将建筑结构某个部位的形状结构、材料名称、规格尺寸、工艺要求、连接关系等展现得淋漓尽致，一般而言，建筑节点图，即“大样”图，就是画有此处细部构造的图。比如此处是与什么构件相连接，如何连接，每个构件的材料、尺寸，甚至细致到每个螺栓等。然后，采用较大比例绘制出需要清楚体现的房屋局部构造，表达出其构造做法、尺寸、构配件相互关系和建筑材料等。总之，节点详图是一种表明建筑构造细部的图，能把建筑施工平面图、结构施工平面图当中无法表示清楚的某一个部分单独体现出来，以体现其具体构造。

3.3建筑形态与结构逻辑的综合平衡

空间结构设计中形和力关系的演变历史。材料科学、设计手段的发展深刻影响了设计中形与力的考量权重和取舍。工业革命前，形与力基本上统一为将土、石通过砌、垒成形的受压的拱和穹顶形。工业革命后人造材料的应用促进了结构体系的丰富和发展。在数字化技术广泛应用前，“找形”是设计的主要方法，力的考量优于图形的考量。数字化技术促成了“自由形态”的设计理念，弯扭和翻卷的建筑外形在技术上得以实现，形凌驾于力。通过几个实例给出了在自由形态条件下对结构的形和力所进行的优化设计。

福州海峡文化中心是一座建筑与结构完美结合的作品。该建筑总建筑面积约15万平方米，项目集多功能戏剧厅、歌剧院、音乐厅、艺术博物馆、影视中心为一体，造型像一朵五瓣茉莉花，洁白轻盈，在水一方，被誉为福州版的“悉尼歌剧院”，无疑成为福州新的文化地标。为了实现“茉莉花”的意向和三维双曲面造型，结构团队在结构选型和空间定位上做了非常艰苦的努力，借助BIM技术解决超高长细比钢柱、双层幕墙、复杂内墙体及大型陶板安装等一系列问题，最终协助建筑师完成了该作品，建成后得到福州人民的全面认可，被称为“东方最美的茉莉花”。

建筑设计：从外观来看，海峡文化艺术中心的整体造型如同一朵盛开的茉莉花，其建筑外观也采用了茉莉花纯净的白色，五个“花瓣”则分别对应着五个场馆：歌剧院、音乐厅多功能剧场、艺术展厅以及电影中心，呈现绽放的姿态，这无疑将钢铁的坚硬与闽江的温婉融合起来，尽显建筑的美感。其中，花瓣间由一片巨大的广场相联通，江畔另设三座花瓣形观景平台，由此构成了福州市花茉莉花的造型，极具梦幻效果。对于天霸的设计而言，海峡文化艺术中心采用了双曲面的造型设计，除了带来视觉的震撼效果，也大大提高了施工难度。室内公共空间每一个场馆均从一个令人印象深刻的弧形曲线展廊进入，并融入建筑周围的“茉莉花花园”景观中，而这些展廊的内部由竹子制成，平添了一份自然的感觉与中国味道，极具创意。与此同时，其内部有两个主礼堂，内部空间所有立面均被白色瓷砖和百叶窗覆盖，其歌剧院和音乐厅的内部墙面亦均被两种几何状的陶瓷面板（雕刻面板、马赛克瓷砖面板）所覆盖。这两种面板的表面都有助于实现很好的声学效果，同时在设计上也有着很好的视觉效果。

结构设计：福州海峡文化中心采用钢结构，其网架采用异形三维曲面单层网架，是迄今为止福建在建最大单层壳体网架施工面积，投影面积约3万，也是当时福建在建最大单层壳体网架跨度（长165m，宽90m），并采用双向倾斜密立柱安装（最长钢柱70米、最大倾角57°）。这一系列严谨的设计，为确保“茉莉花”的如期绽放提供了强大的技术支撑。其中五朵“茉莉花瓣”的主立面均采用双层幕墙体系，内层为直径450mm，长度最长达到70m，超高细比钢柱无疑为结构设计和施工带来巨大挑战，为保证结构的安全性及施工精度要求，钢柱可调偏差仅20mm，幕墙各衔接点误差只允许在20mm之内。此外，柱子间的低铁双层玻璃主要通过钢柱上附异形钢板、结构玻璃支撑夹具来固定。主钢结构柱子外侧为直径150mm的二级钢结构，二级钢结构与主钢结构成夹角交错布置，其与主钢结构之间通过钢结构横臂连接；在二级钢结构上通过连接件挂装陶瓷棍，形成外遮阳陶瓷百叶。由此一来，百叶根据日照计算结果形成错落有致地排列，不仅能对室内进行有效遮阳，还给建筑增添了轻盈的“外衣”，故双层幕墙体系又是该建筑技术与艺术完美结合的重要体现。

4.结语

（1）建筑高度标准化的发展，造就了功能、效率与艺术效果的高度统一。任何一份成功的建筑设计作品，不仅需要有执着的信念和高昂的精神，更需要精湛的专业技能。

（2）真正高水平的建筑师绝不是只盯着创意和美丽，而是像一个复杂系统的协调师，在强大的团队共同努力下创造出来的精美绝伦的作品。

（3）互利才能共赢。建筑师和结构师不是相恨相杀，而是互为支持，共同发展。建筑的实质是空间，空间的本质是为人服务，工程师在努力学习工程技术的同时，更应讲求“匠人精神”，注重工程实践和高超技艺，培养自己的人文素养和哲学情怀，并在工作中不断实践，不断成长，从“器”中以悟“道”，社会亦会不停地向前发展。

【基金项目：2021年广西高等教育本科教学改革工程项目：基于全过程工程咨询服务的工程造价专业人才培养转型升级的研究（2021JGA379）；2017年南宁学院校级重点专业建设项目：工程造价特色专业建设研究（2017XJZDZY13）；2022年南宁学院校级科研项目：GFRP筋增强珊瑚混凝土短柱偏压性能研究（2022KY166）。】

（关纪文，硕士，助理讲师。研究方向：建筑结构、建筑力学与建筑设计。通讯作者叶兰，本科，高级工程师。研究方向：桥梁工程及新材料应用。）