圣安德烈教堂的建筑結構—圣安德肋教堂

摘要：建筑結構與形式表現藝術的關系是由古至今的熱議話題。在鋼結構建筑中，結構與形式之間出現了新的關系，其中節點作為鋼結構建筑中構造與結構的細部表現，受到了建筑師和工程師的重視。鋼結構建筑中的節點以其科學性展現出材料的變化、結構的變化，塑造出不同的立面形式與空間氛圍。本文將探討鋼結構建筑中節點的表現藝術。

關鍵詞：鋼結構；節點設計；節點表現

1 結構與表現形式的歷史背景

維特魯威說建筑應具有“堅固、實用、美觀”的特點，這三個詞點出了從古至今建筑中永恒不變的主題：“結構、功能、形式?！标P于建筑結構與形式關系的討論從未停息，每個時代，建造的技藝不同、材料不同、建筑背后的指導思想也不相同，這些原因都使得有關于結構的話題值得被重新討論。

古希臘的神廟，威嚴地高聳在山地之上，讓人能看出其莊重的柱，簡單有力的結構形態（圖1）；古羅馬建筑中，拱券和柱既是結構同時也體現著形式之美（圖2）；哥特建筑中，尖拱券的出現并不只是因為中世紀教皇權利集中的政治文化背景，其背后原因更包含著尖拱券受力的合理性（圖3）。文藝復興時期，建筑師成為獨立的身份，不再附屬于工匠或藝術家，關于建筑的討論變得更加主動和深刻。文藝復興時期的建筑師，將建筑中所有的要素都統一到同一個體系中，他們崇尚古典、和諧的比例關系，這使得他們要處理建筑從內到外所有要素之間的矛盾，建筑被整合成一個整體，不論是結構還是裝飾，都要達到一種數的和諧秩序，融入進同一個有著和諧比例的體系之中。阿爾伯蒂作為文藝復興時期早期的建筑師，致力于使建筑從內到外達到和諧統一的完美比例關系，從對圣母瑪利亞教堂立面的探索（圖4），到圣安德烈教堂中局部與整體所有要素的完美統籌（圖5），阿爾伯蒂開創出了文藝復興時期的一種標準的教堂形式。從艾森曼考證到阿爾伯蒂這里，建筑學第一次不止關注它的存在——制作法本身，還從內部和外部關注它的存在和表現法[1]。直到19世紀學科分離之前，結構與建筑絕大多數情況下是由建筑師統籌考慮的，正如阿爾伯蒂在論建筑中所表達的思想一般：“建筑物這一整件事情是由外形輪廓與結構所組成的[2]?！?9世紀以來，建筑師們不斷地探索結構與外在形式之間的關系，維奧萊·勒·迪克是結構理性主義，他崇尚哥特建筑中的結構美，認為建筑應遵循一整套視覺和內部結構相統一的邏輯系統。

圖1 古希臘神廟

圖2 古羅馬建筑

圖3 （左）巴黎近郊的圣德尼修道院

圖4（右上）圣母瑪利亞教堂

圖5（右下）圣安德烈教堂

在思想文化的不斷演變中，每個人都在自己的理解中處理著結構與建筑外在展現形式的關系。19世紀，隨著鋼材的發展，以及結構工程師與建筑師的學科分離，建筑結構與形式之間出現了新的關系。由鐵架和玻璃建造的水晶宮開啟了建筑形式的新紀元（圖6），完全暴露出鋼結構的埃菲爾鐵塔（圖7），帶給人們難以言喻的震撼（但當時的人們卻無法一下子接受這樣一個由鋼鐵塑造的巨型建筑）。水晶宮與埃菲爾鐵塔都由結構工程師設計完成，這無疑引出了在鋼結構背景下的結構與形式的話題，隨著鋼結構體系的不斷完善，計算機參數化等設計手段的發展，鋼結構建筑迎來的是一個發展的高峰，而關于鋼結構建筑結構與表現形式的關系的探索與討論，自19世紀以來從未停歇。

圖6 水晶宮

圖7 埃菲爾鐵塔

2 節點的含義

建筑中的節點，反映著建筑物中多種多樣的連接關系，節點是局部的連接，通過這種局部的連接構成系統反映著整體。“所謂節點，就是由各種不同性質的單元體構成，能夠獨立執行一項或數項不同功能的綜合體[3]?！?/p>

一個完整的結構體系由不同的受力構件組成，構件則通過節點來實現內部轉換和相互連接。節點是受力的合理點，在結構中設計清晰明了的節點，有利于力在結構中有效地傳遞，能夠有效地發揮各構件的力學性能，同時，節點也可能成為建筑中材料的交接處，需要考慮到不同材料的特性，充分體現材料的力學性能。

在傳統木結構建筑中，斗拱就承擔著節點這樣一個重要角色（圖8）。在清朝以前，斗拱是結構的一個重要組成部分，斗與拱層層相疊，連接屋頂、梁、柱，實現了力的傳遞，同時，它具有很強的裝飾性，斗拱作為明露的結構，成為中國傳統建筑中不可忽視的美學形式的組成部分，以至于到了清朝，雖已不需要斗拱作為承重構件，卻依然沒有取消這一結構構件。

圖8 斗拱

鋼結構具有材料均質性好、各向同性、結構總重量輕、塑性韌性好等眾多優點，近20年來，我國的鋼結構建筑數量迅猛增長，衍生出豐富多樣的鋼結構建筑的結構與表現形式，而鋼結構建筑體系中結構的支撐也依賴于節點，合理的節點構造能夠充分發揮鋼材料的力學性能，使得工作機理不同的構件能夠協同工作，為千變萬化的結構形態的穩定提供基礎。

3 鋼結構節點的科學性

影響鋼結構建筑中節點形式的因素有很多，節點的分類較為復雜，根據連接件的位置關系，節點可分為：搭接節點、平接節點、角接節點、對接節點等（如圖9所示）；根據節點的連接工藝不同可分為：焊接節點、鉚接節點、螺栓連接節點、銷栓連接節點、膠結連接節點等（如圖10所示）。

圖9 根據連接件位置而定的節點分類

圖10 根據連接工藝而定的節點分類

鋼結構建筑中的節點根據其所起到的作用不同，大體可分為結構性節點和構造性節點。結構性節點是結構構件之間連接的節點，是建筑結構中力的集中點與傳遞點，起到完成各構件之間力的傳遞的作用，體現著各構件之間的穩定性和受力平衡，如：桿件與桿件之間的連接、索與索之間的連接、桿件與索之間的連接、構件與支座之間的連接等（如圖11所示）。節點處的不同構件受力方式不同，拉力、壓力、剪力等不同形式的力都反映在節點處，節點將這些力連接成一個整體，形成一個個視覺焦點，壓力在節點處往往雄健有力，增加空間的力量感，而拉力則輕盈明快，給空間增添活躍感（如圖12所示）。約翰內斯堡體育館采用了一種懸掛結構，節點連接了拉索與平衡桿（如圖13所示），節點處拉索通過平衡桿處的封板將拉力轉化為壓力，節點部位的加勁肋增加了節點的剛度和強度，實現了力的平衡。圖中拉索顯然承受很大的力的作用，維持受力平衡的節點顯得強勁有力，體現出節點作為結構構件的力學美[4]。以同濟大學B樓中庭大廳的屋頂為例（如圖14所示），采用四角錐體系網架結構，支撐起大跨度空間的覆頂，采用螺栓球節點（如圖15所示），具有節點部位沒有偏心、受力狀態好等優點。

圖11 結構性節點

圖12 節點的視覺焦點

圖13 約翰內斯堡體育館采用的懸掛結構

圖14 同濟大學B樓中庭大廳的屋頂

圖15 螺栓球節點

構造性節點，連接的是鋼結構建筑的附屬功能構件與結構構件，是皮與骨的連接，節點處不同的材質有著不同的肌理變化和材料質感，如鋼材與玻璃、鋼材與膜材等，這些不同的材料在節點處形成強烈的對比，展現出各種材料的沖突，節點使這些材料在沖突中形成一種和諧、穩定的關系，突出不同材料的交融（如圖16所示）。以玻璃幕墻與受力構件之間的連接為例（如圖17所示），玻璃幕墻與結構構件之間的連接方式較為多樣，如明框式玻璃幕墻構造、隱框半隱框玻璃幕墻構造、全玻式玻璃幕墻構造、點支玻璃幕墻構造等。例如上海當代藝術館的玻璃幕墻即采用點支玻璃幕墻構造，“每塊玻璃的四個角分別由不銹鋼支撐爪件作四點固定，在支撐爪件背后設有11mm的鋼索系統縱橫繃緊固定[5]”，如圖18所示。這種點支玻璃幕墻更強調玻璃的通透性，使得建筑外立面更具特色、內部空間更顯開敞。正是由于節點構造的不斷進步才更好地展現了不同材料的特征與性能。

圖16 構造性節點

圖17 玻璃幕墻與受力構件之間的連接

圖18 上海當代藝術館的玻璃幕墻即采用點支玻璃幕墻構造

4 鋼結構節點的藝術性

節點的藝術性一方面體現在其本身所展現出的力學美上，另一方面體現在節點對建筑表現形式與空間的塑造中。節點的設計可以豐富建筑的立面，構造節點在聯系建筑的表皮與骨架時，會帶來立面上的肌理，充分利用節點的形態，可以突出立面的表現形式。如東京國際會議中心的玻璃幕墻的節點設計，突出了簡潔有力的立面形式（如圖19所示）。

節點的設計可以成為內部空間塑造的重要形式，節點往往設計于結構的轉折處，結構的轉折通常會帶來空間的變化，因此節點的設計對于空間的變換與界定有著重要意義。如雷諾中心中廊道的設計（見圖20），在圓柱形鋼管上套了單獨設計的構件，完成工字形和圓形截面的結合，同時鋼柱與橫檔共同界定出廊道空間。

圖19 東京國際會議中心的玻璃幕墻

圖20 雷諾中心中廊道

節點的連接方式同樣對內部空間的塑造起著重要作用，節點的設計不只是局部設計，它對于建筑整體有著不可忽視的影響，如螺栓球節點展現出的是靈活輕盈的特性，焊接則更具力度，在漢堡航空港候機樓和日本關西國際機場的巨大鋼管桁架中，采用直接連接的方式相貫焊接（如圖21所示），沒有多余的連接構件，節點體系干凈利落，營造出開敞的大空間。

圖21 相貫焊接

節點作為結構和構造上起到起承轉合作用的重要部分，在設計中體現著受力特點和材料的多樣性，每一個轉折都體現著材質的變化、力的作用以及光影的變化。節點系統的設計在鋼結構建筑中起到重要的作用，它作為局部，與建筑這一整體系統融為一體，形成一個由內而外、由局部到整體的邏輯系統。正是因為節點設計的復雜性和多樣性，在節點處才更能體現一個建筑師的設計思想，或輕快或有力，或質樸厚重，或變化多樣。建筑師在細節處追求精致的構造，如結構收頭的處理、材料交接的轉折等，精致的節點設計可能看起來一目了然，卻能精確地融合入整個建筑，與其他構件一同構建出尺度、層次均豐富細膩的空間。