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群论︱“强结构”:结构的多义性

群论︱“强结构”:结构的多义性
编辑:原源 | 2021.07.08 20:27

△ 研讨嘉宾:郭屹民、吉国华、李兴钢、柳亦春、Mario Rinke、Toni Kotnik、谢亿民、袁烽、张准

 

 

“强结构”:结构的多义性

话题发起人:

曹婷:苏黎世联邦理工学院建筑系,结构设计教席博士后;阿尔托大学艺术设计与建筑学院,客座科研员

王帅中:苏黎世联邦理工学院建筑系,结构设计教席博士候选人、研究助理

 

结构设计在近年数字化和新材料大发展的背景下,重新回归人们的视野。新的结构计算与找形方法依托着数字技术的发展涌现了出来。而技术的跃进似乎让人们陷入了一个过渡关注结构性能,并以性能作为设计评判标准的新困境中。如何平衡结构的技术性与其在建筑空间层面的艺术性,成为了当下建筑设计领域的一个新议题。

 

我们常常将结构设计等同于力学计算,而实际上结构对于建筑来说更是一种理性的设计思维方式,它从根本上有别于结构计算——后者更多是工程层面的、在具体的设计完成之后的力学优化。“强结构”概念就是这一思考下的产物:结构设计在支撑起建筑的同时,直接营造和定义了建筑空间。在这一视角下,结构不仅仅是支撑起一栋建筑的“核”,更是试图超越其力学的承重性能,进而从根本上塑造建筑的形式与空间特征。这种结构的多义性思考让结构设计不仅仅是一串串难以理解的数字,更是一种联系起建筑具象的物质性和抽象的概念性的媒介。对于“强结构”的更多讨论可以参考来自苏黎世联邦理工结构设计教席的年轻学者们为《建筑师》杂志筹备的“强结构”专栏。专栏从历史发展、合作机制、设计方法以及实践案例等方面详细介绍了这种建筑与结构融合的设计理念。

 

那么依照这种“强结构”设计理念,为了实现结构的多义性,我们该如何定义结构?如何设计结构?结构与建筑的关系又该是如何?相关的建筑教育又该如何推进?结构设计的未来方向是什么?

 

诸位老师结合自身的研究、实践以及教学经验,讨论了自己对结构设计以及结构多义性的看法。

 

 

群论

依嘉宾姓名音序排序

 

 

结构对于建筑而言,既是技术的,又是观念的。作为技术的结构,毋庸多言,支撑的功能性必不可少。作为观念的结构,则是结构长久以来文化酝酿的使然。构筑性的呈现与其说是依赖于力流对物质形态上的塑造,倒不如说是源自于物质挣脱自然而来的意志力。

 

力学的真实性,与视觉的真实性,事实上造就了结构在评价上的两难。那是因为这两种真实性并不存在一致的必要性。甚至,本质上这是技术的客观性与观念的主观性之间不可调和的根本症结所在吧!于是,面对着“什么样的结构才是好的”这类问题时的不知所措,也就成为了必然。是工程与技术造就的复杂性?是连续与韵律愉悦的视觉性?抑或是崇高与象征升华的存在性?

 

无论如何,结构绝不是那些枯燥数字与公式的等价物,那些可以被感知的,属于结构的性格、情绪、表情……,是能够被唤起与调遣的。

 

 

客观而言,结构本身就是“强”的,它不仅支撑着建筑的空间,而且对建筑的构造细节有着直接的影响。它是建筑的一种内在秩序,而对于一些建筑特别是大跨度建筑,结构还经常构成建筑形式的直接表达。在常规的建筑设计过程中,结构往往是一种预设的前提,我们通常会在某种结构体系或者结构选型基础上进行建筑设计。这也是建筑设计教学中的常规做法,学生从一开始,就学习在砖混结构体系或混凝土框架结构体系下完成其建筑设计练习,学习建筑空间组织、形式操作等方面的技巧。久而久之,我们的学生的很多设计概念都被固化于这一两种结构体系之上。

 

但结构并非如此单一,垂直方向的墙、柱、筒,跨度方向的梁、桁架、壳体、拉索等等,加上混凝土、钢、木等各种材料,构成了十分丰富的结构形式。结构形式是力与材料互动的结果,或者说,是力通过材料,以结构的方式表达了自己。

 

结构在空间与形式的塑造中可以是主动的,本文讨论的“强结构”,我理解是要主动发挥结构的作用而非被动适应结构的“强”。但这需要建筑师具备相关的知识和技能,包括对力学原理、结构概念、分析工具等等的理解和掌握。

 

南大建筑在教学中一直强调技术与设计的互动,结构是其中的一个重要课题。下图是我们几位老师在不同阶段教学的学生作业成果。图左上是一个小型空间的设计,学生通过图解静力学进行结构原型力学分析,并通过材料的调整去改变形态。图左下是一个中大跨建筑空间设计,学生在学习和理解各种结构形式的基础上研究通过结构形式的设计来塑造建筑空间。图右是一个基于结构生形的设计与搭建,学生运用参数化设计平台上的结构分析插件,研究和分析结构形式的受力,以形式加材料与力互动。我们希望通过这些练习,促进学生把课程里学到的相关知识主动地应用于设计中,学习相应的技能,挖掘技术的潜力,建立起以技术驱动设计的思维方法和设计手段。

 

△ 南京大学建筑系学生作品

 

 

在我们最近的工作室展览空间设计中,16mm的纤细方钢管构成的竖向排架在空间中构成一层抽象网格,月形钢片梁横向拉结了排架,并赋予展架以识别性。月形梁可根据模型尺寸灵活更改架设宽度,从而使传统展架的置物板得以取消,模型在空间中“漂浮”起来。同时在展厅外面的屋顶平台上建造了一个小亭,兼作出入平台的雨篷,亭顶内藏钢肋,上下钢板表面,厚度仅70mm,內侧搭于建筑外墙钢槽,外侧设三根细柱,怎奈因跨度高度原因,柱子计算尺寸始终粗大,苦无出路之间,智敏提出:可由展览展架的月型梁转换而成月形柱,问题顿时迎刃而解。

 

亭如同一个横置的展架,轻盈地从建筑东立面的“人工山体崖壁”上探向城市,像被三根月形柱拉住的一只轻盈风筝,名“月野亭”。夜幕降临,忙碌后的建筑师们围坐在亭下小憩,包容着千年历史沧桑发展的北京城尽收眼底,正是一幅月野亭勾勒下的都市胜景。至此,由理性的力学结构而引发的建筑形式、空间、题名和诗意的氛围完美合于一体,最终超越结构自身的承重和受力,而塑造和成就出建筑的形式和空间特征,是令人欢畅的设计结果,我称之为“结构场域”。

 

“结构”在此既是名词structure,又是动名词constructing,以建筑结构或结构聚落重塑地形,建立秩序,构造场域,引领叙事,强化人的空间体验与诗意感知,营造建筑的独特气质、精神和动人的空间氛围。“结构场域”是“胜景几何”设计理念中重要的五原则(风水形势、人作天工、结构场域、叙事空间、胜景情境)之一。

 

△ 李兴钢建筑工作室空间微改造暨“胜景几何”展展陈设计,沉浸体验区四 室外平台

 

 

作为建筑的结构,无论是古典建筑还是现代建筑,它的意义都是从力学到空间再到象征(或者说文化)的层面逐层递进的。“作为力学的结构”“作为空间的结构”和“作为象征的结构”,人们对结构的这三重性的各个层面的认识,也都是随着人类宇宙观的变化而不断变化的,因而结构在不同历史时期的表现形式也不尽相同。有意识地去表现结构,无论是凸显的还是隐匿的,直白的还是隐喻的,都是建筑师作为“主体”存在时必然要去面对或者更为主动一点地说,是必须要去刻画的内容,我们可以认为,这是建筑作为本体的“物”之存在的重要证明。

 

当然,及至当代,随着建筑面对社会内容时角色的复杂多变,它的主体性内容也时常变得难以界定,结构的表现,有时就更像是一种“救赎”。回顾建筑与结构的表现史,大致有两个方向的内容不断被重复提起或总是备受关注:一个是结构本身及其覆层的关系,另一个是根据建筑的功能性以及场地的特殊性去确立建筑的结构形式时的各种可能。在建筑的专业分工发生之前,建筑师是个全能思考者,他在心中整合着所有的要素。随着工业化生产以及社会分工的进程,建筑与结构专业的分离,使得建筑在设计与建造的过程中,建筑师对诸要素的整合更多地是以一种对话的形式展开,这就需要更加有意识的、有技巧的工作。而随着当下技术领域各种突破性进展的加速,特别是数字化与智能化技术的发展,技术、物与人的关系正面临着新的伦理挑战,结构的意义也将呈现更为多元的体现。

 

△ 大舍建筑金山岭上院

 

 

正如动物有骨头一样,每个建筑物都有结构。然而,这个最不可或缺的部分并不总是可见的。尽管覆面的作用在现代时期变得更加重要,但支架的作用并没有改变。更重要的是,结构已成为建筑设计中的重要空间创造因素。术语“结构”指的是它与建造过程的原始密切联系,词根“struere”为“建造”,也指“复杂事物的部分或元素之间的排列和关系”(牛津英语词典)。

 

结构通过其空间配置、比例、物质性或语境联系来组织建筑物的意义和特征。由于结构比覆面坚固得多,因此还必须考虑它们在未来环境中的可能预期。支撑结构周围的覆面如何改变,支架如何决定这个过程?除去建筑物的第一个生命周期,我们也能在处理现有或未来建筑时感受到内部结构的重要性。除了对空间和用途的坚固支持之外,当有任何改变现有建筑物的需要时,都需要面对并处理现有的结构设定。

 

结构反映了当前正在发生的事(它们的用途),也反映了它们之前可能处理过的或将来要处理的任务。这种非同时发生的同时性即使在今天,也是科学的结构设计实践。我们定义因功能、风荷载或地震作用而产生的结构要求,然后该结构具有恰好满足这些要求的适当能力。为了给建筑物提供长期意义的坚固结构,我们必须首先建立稳定的建筑空间,允许其重组、移动和改造——所有这些变换都容纳在这个建筑框架内——并有支持这一概念的结构。因此,我们不仅要将结构理解为默默解决问题的技术装置,还要理解为具有持久存在的意义载体。因此,它是建筑物中最具包容性的存在,不仅从字面上将建筑物固定在一起,而且在建筑物的历史发展中发挥其必要的持久性。 

 

 

在建筑领域内,我们总是将结构的概念与房屋结构、旨在承受荷载的由局部连接而成的主体,联系在一起。但结构是一个基本的概念,它与西方哲学和科学一样古老。结构指的是一种一致性的程度,并经常表达为诸如组织、安排或秩序等近义词——结构指的是任何特定的整体和局部之间的既定关系。因此,建筑结构不仅可以塑造建筑特征和秩序的物理表达,也不仅仅是一个“强结构”。结构作为一种秩序模式,它的潜在意义远远超过它所支撑着的建筑。

 

弗雷·奥托对组织原则的研究是一个众所周知的例子,它将结构从建筑的规模转移到城市甚至更大的规模中。力的流动给我们对支配着周围世界的其他类型的流动有什么启发?物理的结构在数据的结构方面能给我们带来什么启示?而“强结构”对科学、技术和艺术的相互作用又有什么启示?应对于当下的可持续性等新的问题,建筑作为一个学科会面临更多的挑战。而对“强结构”在结构的多义性层面的探索,是迈向这个方向的第一步。

 

 

我的主要研究领域是结构拓扑优化。我团队创立的渐进结构优化法(ESO)已被许多建筑师和工程师用于建筑结构找形,至今已有不少建成项目。越来越多的设计师对拓扑优化技术感兴趣,并开始使用Ameba等软件做各种尝试,我想就此谈一谈我的看法。

 

我认为,为了更好地与建筑设计融合,真正实现结构的多义性,结构优化算法必须摒弃寻求“全局最优的唯一解”的传统理念。相反,我们应当寻求多解!简单来说,我们可以主动牺牲掉一点点结构性能(譬如刚度比“最优解”降低5%),从而获得一系列形状迥异但性能良好的结构方案。这样会极大地扩展结构师与建筑师的合作空间,并使得结构方案更灵活地满足建筑及其他专业的要求。为此,我团队最近研发了结构优化多解算法,期待和大家进一步交流与合作。

 

△ 谢亿民团队用拓扑优化设计的行人桥方案

 

 

从高迪到弗雷·奥托,再到近年来新唯物主义哲学影响下的数字设计,形式生成与建筑结构性能的关联性始终是建筑学中的核心议题。基于数字化生成、模拟与优化技术,建筑设计开始逐渐走出结构后合理化的传统模式,结构性能化设计成为了介于“形与力”之间的重要调控媒介,建立起一种全新的基于力学形态生成和迭代反馈机制的人机协作建筑思维方法以及设计建造流程。同时,这种基于有限元等的算法逻辑也为后工业时代物质性带来了特有的形态多样化与差异性,进而建立了建筑美学、精确数理分析以及高效能计算的全生命流程的有机整体。

 

以数字化软件和建筑机器人硬件为工具包开发平台,进一步研发智能化生形、模拟、优化、建造技术,将实现基于几何参数化、结构参数化以及建造参数化的批量化定制的全新流程,定义与建构建筑和结构学科发展的新边界。未来建筑师将可以在虚拟与物质之间建立一种多元的计算性设计机制,进一步走向更加高效、节能以及环境友好的建筑学。

 

 

结构是否关乎建筑的精神?如果一个建筑因为结构的改变而使整个建筑的感受都会为之改变,那个结构或许已经触及了建筑的精神。这种结构正是我在工作中试图与建筑师一同寻找的。

 

但是建筑与结构作为两个不同的学科分离已久,结构内部也在经历着层层细分的过程。结构师在这种背景下要体会结构作为建筑精神的感动越发困难,一方面教育限制了我们的思维模式,另一方面各种规范也在筑起更为孤立而封闭的堡垒。但是只要建筑仍作为物理实体存在,仍与人的感受发生着直接的关联,建筑也就无法回避结构对其精神的影响。

 

结构在与力和时间的对抗中,无时无刻都在彰显其物理层面的重要作用,维护着建筑精神得以存在的基础。而这正是结构师的核心工作,给建筑一个健康的身体。但在建筑的精神与人的感受进行互动时,结构置身何处往往呈现出悬而未决或可有可无的状态。

 

回溯建筑与结构尚未分离前的历史就会发现,结构在与力和时间的对抗中也成为了力与时间最好的证明。作为结构师,带着人对生命的感受以更为朴素而宏观的视角看待力与时间这一关乎永恒的话题时,结构便自然而然地映射到建筑的精神中。

 

建筑的结构需要结构的建筑来诠释吧!

 

 


 

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