【AT】张冰:建筑设计中的土木方法

落败的青春阳落s · 发表于 2020-9-5 10:13:53

建筑设计中的土木方法

访南京大学建筑规划设计研究院副总建筑师、

土木方建筑工作室主持人张冰

土木方建筑工作室
土木方建筑工作室成立于2008年，坚持科研与建筑设计实践并重，以研究、立异、实验性设计为宗旨，主要研究方向建筑设计，建筑与结构整合设计，尤其擅长大型综合体，教育建筑，体育建筑，文化建筑，市政桥梁等项目类型。设计理念：与结构的承载属性相比，结构的空间属性同等重要，建筑可以用结构方式重新界说。建筑设计实践荣获多个国际大奖：中国建筑传媒奖，WA中国建筑奖（2014），国际砖筑奖(Wienerberger Brick Award 2016，奥地利)，国际新锐建筑师奖(AR Emerging Architecture Award 2016 Finalist，英国)，德国国家设计奖（German Design Award 2018Winner，德国），国际标记性设计奖（ICONIC AWARDS 2019:Innovative Architecture-Selection，德国），德国国家设计奖金奖（German Design Award 2020 Gold，德国）。

Q1：从结构到建筑，从学习到自力实践，您如何在建筑与结构的思维下看待建筑与建筑创作？

我父亲在20世纪50年代结业于西安电子科技大学，一生恬澹名利，喜爱书法。受父亲的影响，我自幼研习书法、国画及篆刻，怀着少许对绘画的喜爱，报考了工民建专业，学习了大部分建筑结构方面的知识，那时每学期城市有一个建筑设计大课，而每次的建筑设计作业我都特别感兴趣，与其他同学相比，我城市增加建筑鸟瞰图或立面阴影图，这成为我建筑设计的起点。本科结业后，我从事了四年的钢结构建筑与结构设计，怀着对建筑学的向往与向往，经过建筑快图、理论阅读等充分的准备，终于考取了建筑技术科学的硕士研究生及后来的博士研究生，主攻建筑与结构的整合设计。这样既没有抛弃我的结构知识，又能够很好地学习到自己感兴趣的建筑学知识。后来我在山东省建筑设计院做了四年的主建立筑师、并考取了一级注册建筑师，介入了大量大型项目的投标工作，于 2009年我成立了工作室，主要目的是希望更好地实现自己的一些设计理念。所以说，我经历了从结构到建筑的专业转换，从大院到工作室的模式转换，对于建筑师如何坚持自己理念并在项目中实现，有了非常深刻的体会。

建筑设计中对待结构与建筑的关系，我的认识与态度是经历转变的。刚转学建筑学时，和许多学生一样，我对建筑空间与形体非常痴迷，讨论最多的也是功能流线及空间组合，形式措置多采取体块穿插。但后来逐渐发现，要完美实现一个项目或一个空间受到制约最多的恰恰是结构，一个不完美的结构措置方案会让空间效果大打折扣。于是，随着职业生涯的发展，我逐渐认识到结构的重要性，开始测验考试在方案阶段运用结构思维引导建筑的生成。结构自身的优化（内力拟形）、结构与空间的高度整合、结构自由松弛状态（非规则化）的建立，在我看来非常重要。
国内建筑理论界对结构探讨一直存在，近几年有热度增加的趋势，如建构理论、结构成绩建筑之美、结构建筑学等。结构作为建筑系统不成忽视的要素在理论界也被重新重视起来。我认为，尽管讨论结构的角度分歧，可是结构自身的规律及其对建筑设计的绝对制约作用，以及如何实现结构与建筑的整合，才应是理论讨论的重点。结构与建筑的关系，陪伴着现代建筑的发展逐渐形成了两种分歧的趋势：一种结构是先导性的，作为各建筑要素的首领，建筑的空间、形式完全取决于结构要素（内在逻辑）的表达；另一种结构是适应性的，建筑的生成依赖于某种特殊（外在）逻辑，结构仅作为技术与平安策略适应建筑其他要素的需求，结构的属性表达不作为设计目标。结构先导性体现在突破了建筑形式元素后，深入到建筑内部的一次转变，建筑的秩序、规则、目的，甚至意义都围绕结构展开。一方面，结构自身具有多种可能性，可能性的挖掘是建筑创作发明的源泉；另一方面，结构的空间属性对表达与认识结构非常重要，空间是结构与建筑的交集所在；再一方面，结构的研究应重视结构原理（荷载、静力学、材料）及内力分析图形的运用，致力于寻求可视化的图形操作（几何）与合理结构形态之间的关联性。

Q2：就像您在一次演讲中讲到的“建筑与结构的整合设计”，在历史上众多著名的案例中都可以找到，高迪的圣家族教堂、奈尔维的罗马小体育馆、罗伯特·马亚尔的萨尔基纳山谷桥……谈谈对您来说印象深刻的建筑？

可以举两个我亲自考察的项目来谈一下。伦敦国王十字车站（King's Cross Railway Station）随着历史进程和功能需求的转变，一直处于延续不竭的改扩建中，建筑的形态（风格）也在不竭更新。尽管分歧时期的结构形态完全分歧，可是整体风格却显现出良好的传承（文脉）关系，似乎存在某种背后力量在制约着建筑风格的演变，而不是某些历史建筑呵护改造中通常采取的装饰符号化（风格化），我认为结构在其中饰演着重要角色。

国王十字车站砖拱

国王十字车站铸铁拱

国王十字车站钢网壳结构跨越（梁）的转变规律是砖拱→铸铁拱→ 钢网壳，结构柱的转变规律则是砖拱柱→混凝土楔形柱→钢伞形柱，结构的材料约减与形态拓扑是一条清晰的主线，结构在立异，而文脉在延续。因此，结构自己除承载功能之外，恰当的结构整合设计，可以赋予某些文化属性。

国王十字车站砖拱柱

国王十字车站混凝土楔形柱

国王十字车站钢伞形柱
其实从建筑历史上看，结构自己也是建筑风格形成最重要的要素。再看另一个例子，巴黎蓬皮杜艺术文化中心（Centre Georges-Pompidou）在建筑界具有非常大的争议，但我建议每个人亲身参观体验了之后再发表自己的看法。在寒冷冬季，当我穿过幽暗拥挤的巴黎街道，眼前突然显现出一个五彩斑斓并极具反差效果的建筑时，瞬间被感动，而且明白了罗杰斯所说：“我们把建筑看作同城市一样灵活的永远变动的框架。……它们应该适应人的不竭转变的要求，以增进丰富多样的活动。…… 自由和变动的性能就是房屋的艺术表示。”我非常认可罗杰斯的观点，建筑师在创作发明生活，可是每个人又都希望自己的生活丰富多彩，没有哪个建筑师愿意把自己的理想空间安设在结构约束之下。因此，结构创作发明在某些时候比建筑创作发明更具影响力，当结构能够越多解脱自然力的束缚，就能够越多地创作发明出空间及艺术的多样性与活力。其实，现代建筑的形成与发展，或者每个时期具有代表性的现代建筑，正是陪伴对结构设计认知的不竭深化，逐渐解脱结构约束而走向自由的。

从巴黎篷皮杜艺术文化中心看城市

对比这两个项目还可以发现，结构设计都在项目实施中饰演了最重要的角色，结构主导了建筑形态及空间的生成，但二者又遵循着分歧的逻辑，而且赋予了结构分歧的属性。国王十字车站在尊重建筑文脉连续的基础上，以循序渐进的方式连结着结构形态的拓扑关系和截面优化，从而实现了分歧时期结构的文化传承。篷皮杜艺术中心的核心在于建筑的重生和精神的表达，结构自身（自性）属性被最大化地挖掘和尊重，新材料新体系（桁架）被充分利用以便于获得最开敞的自由空间（楼层无障碍空间），结构形态（体系）在空间和立面中可以被直接阅读和体验，并超出了建筑形态而成为关注和讨论的对象，也正是结构自身属性的展现而建立了建筑自身的文化属性。

Q3：事务所名为“土木方”，如何解读呢？

土木方工作室成立之初，就约定了自己的设计理念：回归土木，建筑始于夯土立木，我们的思维立足于建筑的本体性。建筑方法——结构不可是建筑的骨，也可能是建筑的皮；结构的建造不可是技术，也可能是艺术。建筑方向——结构是建筑的绝对准则，也蕴含着建筑的方向，并决定了建筑的坚固、适用与美观。我们坚信，结构的空间属性同等重要，建筑可以用结构方式重新界说。所以，我们一直在测验考试通过一些小型构筑物（如桥、车棚、连廊、亭子、观景塔等）来实践自己的理念，研究结构与建筑的整合设计。

南京报业文创园 X 桥正视图
南京报业文创园X桥跨度7.5m，因南北楼的便捷联系而生。为了重塑基地的场合体验，摒弃了桥梁“先结构、后装饰”的传统设计方法，而是把空间叙事与结构传力巧妙结合，让一座最小的桥带给人们怦然心动的空间体验。结构体系非常创意地由对角线安插的主桁架与次桁架组成，在空间中呈X形，彼此相交，相互支撑，确保了桁架的整体强度和稳定。桥面安插在桁架的下弦以上，桁架还具有了围护栏杆的功能；桁架的杆件截面转变依据内力巨细而确定，在空间认知中表达出桁架的内力分布，这些自然力的真实表达隐喻结构对空间的介入，结构感知与建造逻辑转换为空间认知的重要部分。结合桁架是轴向受力的特点，X桥的设计过程运用了向量构形的方法，区分了拉压受力，并结合轴力巨细调配了杆件截面，桁架相互支撑自然限定了空间的鸿沟，充分体现了结构、空间、界面整合设计创作发明的无可替代的空间特质。

南京报业文创园 X 桥底视图

南京报业文创园 X 桥内力图
无锡蠡湖大道万达城水滴桥，则是完全分歧的设计思路。如果说X桥是由杆件的向量构形使结构获得了空间属性，水滴桥则运用内力拟形把结构效能与环境文脉整合起来，两跨连续梁的中间节点承受着非常大的弯矩作用，内力（弯矩）拟形放大了这部分截面，因此提供了更大的休息空间，桥的空间意义获得了放大，外在的造型也因弯矩拟形显现为水滴状，与江南水乡的灵动秀雅不谋而合。

无锡蠡湖大道万达城水滴桥鸟瞰图

Q4：回归土木，立足于建筑与结构的本体，如何从技术性走向艺术性/精神性的创作？或者您在实践中更追求怎样的状态？

对于来源根基的追求，是许多科学研究与艺术创作的切入点，建筑设计也不例外。我们认为一栋建筑真正的开始，源于夯土立木的那一刻。正如同生命降生的瞬间，与生俱来的内在属性就已经形成。而且，无论运用多么华丽的建筑语言（如空间）去描述建筑，建筑与结构的本体性特征都是无法替代的，如结构的跨度与标准，建筑的材料与构造，都或多或少地影响着空间构成与体验、立面风格的生成等。建筑设计如果有所立异，就需要触及到一些比较素质的工具，结构技术就是重要的一环，沿用成熟的结构只是一种结构意义上的传承，而创作发明和运用一种新的结构才是设计的立异。然而，我们也认可，纯技术性表达其实不是建筑的全部，建筑需要显现出更多的艺术性与精神性，只能说恰当的技术运用与表达可以提升建筑的艺术与精神特征。

如何恰本地运用与表达结构？应是在不丧失结构属性的前提下，注重结构子系统的优化，使结构协调于建筑系统之中，即实现建筑与结构的整合设计。可以分为呈递进关系的三个条理：首先，是结构子系统自身的整合优化过程，通过结构的传力、材料、几何等要素间的整合优化实现。结构自身性能的提升，也是建筑与结构整合的基础和准备。其次，是考虑结构空间和承载双重属性的整合，让结构建立而且表达建筑的空间与形式秩序，强化结构的存在与感知，实现结构—空间—界面的一体化表达。再次，是在实现前二者的前提下，依据完形法则（格式塔）增进结构美与结构效能的显现，在建筑空间与界面中表达出对建筑结构整合贡献最大、最具结构效能、最有形态特征的结构要素或结构构形（包含体系、构件和节点等），强化对整体的认知。

云梯鸟瞰图

云梯设计，界说为院落空间内最重要的造景和观景装置。作为典型的交通设施，楼梯的各入口合理地顺应了分歧方向的商业人流，交通便捷性的设计自然而然地形成了折线状的平面几何关系，由外而内地确立了楼梯在场地中的秩序。云梯的外部形体因折返的轮廓而具有随性和松弛的特质，恰恰与布景建筑的匀质挺括线条迥异，使云梯成为一个活跃的造景元素。当沿着云梯逐渐攀爬，景观连续转变，空间体验得以强化。云梯怪异的结构传力路径，使其具有了唯一无二的结构形态。

云梯人视图
云梯的中间休息平台底部均不设任何竖向支撑，使结构轻盈地跨越和大标准悬挑，在视觉上仿佛解脱了重力束缚而漂浮于空中，举重若轻。同时，刺激着来访者对于结构的认知和阅读，结构的空间存在感获得了凸显。为了平衡悬挑，设计放大了云梯两端桁架的高度，获得良好的通行高度，而中间平台的桁架高度和栏杆高度一致，给人以良好的观景视线，实现了结构承载需求和空间需求的整合设计。云梯表达了结构诗意的攀登，双重含义在于结构设计的怪异追求与空间攀登的诗意体验。

云梯俯视图

云梯入口

云梯轴力图、扭矩图

南京新城科技园国际研发总部园是工作室完成的一个大型项目，设计的重点包含总体规划、外部空间、建筑功能配比与分区、内部空间与交通流线组织等基本的建筑问题，但设计过程中依旧探索了建筑与结构的整合设计。

南京新城科技园国际研发总部园鸟瞰图
立面中的K型偏心支撑可以有效提高高层建筑抵当水平力的抗侧刚度，提高了结构的性能，而且因抽失落了竖向立柱而获得了16m跨的无柱空间。K形支撑在空间和立面中表达，建立了分歧寻常的立面形象与空间体验，强化了建筑与结构感知。K形支撑因良好的受力性能而显现出结构真与结构美的和谐统一。我们梳理了材料、结构、构造这些基本技术要素，试图将其转化为提升氛围、改善体验、表达情感的有效载体。结构作为建筑空间与形态最重要的制约要素和立异源泉，可以用以诱导建筑空间与立面的生成。

南京新城科技园国际研发总部园立面构成示意图

南京新城科技园国际研发总部园塔楼的形态生成概念图

高层的框架结构被抽失落了部分柱网，加入了K形桁架支撑，柱子的减少不但实现了更自由的立面开窗，也极大提高了结构抵当水平力的效能。K形桁架支撑成为空间和立面中积极的、重要的造型元素，而不是被隐藏起来，由此结构发生了除承载外更多的建筑意义，挑战了横平竖直的范式，促使了结构认知的发生，强化了内外空间的鸿沟与体验。结构也因这种“存在感”而加入到空间构成之中，真正建立起“空间与承载”双重属性。

南京新城科技园国际研发总部园内院

Q5：就一个建筑项目，形式、空间、建造这些是基本的问题，要做得更好，就要畴前期设计、建筑多专业交叉到整体控制，将设计思想全面地表达，创作发明更有价值的建筑或空间，这一点是如何实现的？

当我设计一个新的项目时，通常会首先考虑三个基本的控制因素：环境、用地、功能，而形式、空间、建造等基本建筑问题都是在控制因素下生成。环境，不可是基地周边环境，而是涉及社会、文化、人文等要素的大环境，也就是项目的布景，决定着项目的环境文脉及项目的定位，从大环境角度解缆的思维，会让设计显现出怪异的高度和人文关怀，也决定着建筑设计的最素质特征。用地，决定着建筑如何接入城市，用地的鸿沟及周边建筑决定着建筑如何更好地利用土地资源，如何协调与周边建筑的关系，建筑的总图设计也是从用地规划开始，用地往往决定着外部交通流线、外部空间与建筑形象的设计，决定着参观者如何在第一时间体验和阅读（认知）建筑。功能，建筑的内在属性，决定了建筑内部空间及内部交通流线的设计，对功能的合理排布往往是对建筑师的最基本要求，功能排布与流线组织过程自己也是空间设计（空间操作）的过程，好的功能设计让使用者身心愉悦。形式是空间的外在表示，空间是建造的目的，形式是建造的结果（表示）。形式通常和文化发生关联，空间决定于功能属性，同一形式及空间可以建造精美也可以建造粗糙。空间的素质是由鸿沟确定的（起源于鸿沟），早期的建筑空间多由结构构件（石梁、石柱等）确定，然而随着建筑的发展，结构的鸿沟作用逐渐削弱，退后成为承载构件，而空间鸿沟多由建筑构件（非承重墙体）来确定。现代建筑空间的理念是追求空间的流动性，增进空间叙事及行为的发生，而且希望空间体验是一种三维动态过程，建筑构件（墙体）之间的关系或构件的概况措置方式都成为空间感知的一部分。但不成否认的是结构除承载外，获得的虚空部分就是空间的原型，结构自己就具有“空间与承载”双重属性，结构能够确立而且表达建筑的空间与形式秩序。固然，一个复杂的空间与形式背后可以是简化的结构，或者说结构隐藏在装饰构件背后，但这种方式其实不是建筑师所期望的，只是在与结构师妥协而已。现代建筑中越是追求空间或形式的丰富性，越要解决结构的合理性或结构与空间的整合性。建筑师如果希望赋予结构构件更多的空间意义，就应当主动思考并操作结构成为空间的一部分，实现结构由承载到空间的知觉转换。我认为，建筑中获取最基本的空间与形式，最重要的操作构件还是结构。需要明确的是，建筑中的结构存在着分歧层级（由大到小），土建结构、幕墙结构、装饰结构等，而在分歧层级的操作中，结构都决定着构件的空间与形式，甚至小到一张铝板，结构的强度与刚度也决定着铝板的使用方式。

国家极限运动溧水训练基地鸟瞰图国家极限运动溧水训练基地是我们设计完成并正在建设的一个项目，基地位于南京溧水无想山北麓，溧水是一座地处江南的山水之城，周围景观资源极佳，环境优美，交通便当。设计以流线型、海浪起伏的轮廓造型回应了基地与山体景观及江南山水的关系，造型如同同一朵梅花或是撒落大地的水滴与环境高度关联，做到了对环境的最小影响，增强了项目与环境的融合关系。以用地的不规则鸿沟为原型，通过室内与室外空间一体化设计，最终显现连续曲线多边形的建筑体量及起伏屋面，符合功能使用需求的同时，转达出极限运动的活跃性、丰富性与趣味性。

国家极限运动溧水训练基地室内效果图
为了精准实现建筑的自由造型，建筑与结构专业运用了同一个犀牛曲面模型（参数化曲面），将曲面模型转化为结构向量模型，确保了结构的所有节点高度完全与曲面相吻合，极大包管了建筑的完美实现。屋面装饰铝板的设计也在曲面模型上进行细分，并结合中央采光天窗把径缝设计为窄缝，环缝设计为宽缝，亮化设置在宽缝里，创作发明了一种夜幕下层层涟漪、山水相依的文化意象。

国家极限运动溧水训练基地屋面分缝图

作者简介
张冰

南京大学建筑规划设计研究院副总建筑师

土木方建筑工作室主持人

本文刊登于《建筑技艺》杂志2020年6月刊

《技艺成绩建筑之美》专题

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