1、墙元的结构效能与空间塑造 王兴鸿 戴航 张雷联合建筑设计事务所 东南大学建筑学院 摘 要： 从墙元的结构特性出发, 以墙元构件整合空间的思想为核心、以墙元受力、抗力逻辑为原则, 通过拓扑异化、视觉消减、构件重组和体系重构等方式对墙元作为结构构件的形态表现度及空间塑造力进行深入分析解读, 试图突破传统墙体的限制和禁锢, 从而营造出独特的空间氛围, 为墙元在当下建筑设计中与空间表现上提供一种基于高效结构性能的艺术性空间塑造方法。关键词： 墙元; 结构; 形态; 效能; 空间; 作者简介：王兴鸿, 张雷联合建筑设计事务所建筑师, 东南大学建筑学硕士。作者简介：戴航, 东南大学建筑学院教授、博士生导师
2、。主要研究方向:结构重塑与建筑造型设计、结构性能分析及形态优化等。获奖:2010 年中国建筑传媒奖提名, 2016 年 Wienerberger Brick Award (Shortlist) , 2018 年 German Design Award (Winner) 。STRUCTURE EFFICIENCY AND SPACE IDENTITY OF WALL1 墙元与空间墙, 作为建筑及设计中的基本元素之一, 在围合建筑界面、分隔功能空间和支撑结构体系等方面发挥着至关重要的作用。墙体一般以承担结构作用的承重墙体和不承担结构作用的非承重墙体两种类型出现, 而本文中的“墙元”则主要指结构性的
3、承重墙体。墙元在建筑中一方面满足挡风避雨的日常性功能要求, 另一方面在结构体系中发挥着非常重要的作用, 尤其是在传递竖向荷载和抵抗侧向弯矩方面。老子说:“埏埴以为器, 当其无, 有器之用;户牖以为室, 当其无, 有室之用;是故, 有之以为利, 无之以为用”。赖特也提到“房屋的存在不在于他的四面墙和屋面, 而在于那提供生活的内部空间”1, 这里“有”与“无”的辩证关系很好地阐述了墙元与空间的关系。在多米诺结构体系被提出之后, 框架结构的美学和功能的发展使得墙体被重新定义2, 而这种“重新定义”的方式使得现代建筑中墙元的设计大多数以附加物或填充物的形式出现。密斯 (Mies) 设计的巴塞罗那展览馆
4、中 (图 1) , 墙体没有作为结构体系的构件出现, 柱子的功能是支撑建筑, 而墙是用来分隔空间的不对称的墙体从柱子滑开, 彼此分离, 在正交的阵列中并不对齐3。虽然错位布置的墙体带来了空间的流动性, 但从结构空间一体化的角度来说, 这里的墙体仅作为分隔空间的元素出现 (图 2) 。被“重新定义”的墙元某种程度上禁锢了墙元构件在形态表达和空间塑造中的作用, 抹杀了墙元建构的逻辑性意义。但是, 墙元作为结构构件在空间中的表现力依然有可挖掘之处, 不同的墙元形式与组织关系会呈现出各异的空间形态。如何使得墙元在当代语境下重获其本质内涵, 如何在结构思维的指导下以墙元为核心组织结构系统, 从而塑造和凸
5、显整体空间的品质成为了本文讨论的重点。当代建筑设计、材料、结构的不断发展革新, 使得墙元的设计已不再拘泥于千篇一律的二维平面形式, 越来越多的建筑师开始关注结构墙元平面形式的拓展与空间形态的进一步挖掘, 这其中涌现出独特的墙元形态与空间形式。各类三维墙元的设计与建造可以高效地发挥构件的结构性能、实现结构整合空间的合理性要求, 因此为墙元的设计和空间的塑造提供了新的思路与方法。1 巴塞罗那展览馆2 巴塞罗那展览馆墙元与空间3 House S 外观6 House S 墙元的异化演绎7 褶皱的天空项目8 褶皱的天空项目拓扑墙元与空间呈现9 褶皱的天空项目墙元的拓扑演化10 加利福尼亚大学伯克利美术馆
6、及太平洋电影资料馆11 加利福尼亚大学伯克利美术馆及太平洋电影资料馆空间呈现12 加利福尼亚大学伯克利美术馆及太平洋电影资料馆墙元的拓扑与三种异化形式的组织13 加利福尼亚大学伯克利美术馆及太平洋电影资料馆墙元系统2 墙元的异化拓展与空间呈现2.1 墙元构件的异化围合界面是墙元的最基本作用之一, 墙体不仅仅是将空间围合起来, 更使得空间在墙体的围合中显现出来4, 以二维平面型墙元的围合难免会带来视觉体验的无趣和空间感受的乏味, 墙元的拓扑异化方式一定程度上缓解了这种消极影响, 为建筑带来了趣味性的空间和独特的知觉体验。在 House S 的设计中 (图 3) , 平田晃久 (Akihisa H
7、irata) 从人与自然的关系出发, 以极为自然的柔和形态对墙元构件进行了异化, 呈现出异样的空间表现力 (图 4) 。他想要以“非建筑、较柔软、类似自然现象般”的形态, 来创造出即便内部具有各式各样的空间, 也能让人感觉到其一体化的体量5, 极具流动性的墙元构件成为了空间表达的主体, 呈现出开放性的自然式空间体验 (图 5) 。设计师从传统的二维线型墙元出发, 对其在左右维度内的规则形式进行拆解异化, 将墙元的单一形式进行拓展, 呈现出具有象征意味的人字形三维空间;之后对墙元进行二次异化拓展, 增加空间的丰富度;在此基础上对功能和空间进行细分, 在横向维度内叠加异化后的曲线墙元构件, 拓展功
8、能空间, 衍生出功能不同但彼此紧密联系的场所 (图 6) 。异化后的墙元已突破了平面的限制, 以三维的拓扑形式呈现出来, 并通过墙元之间的有机组合演绎出独特的艺术空间, 同时也使构件抗力性能更高效。在褶皱的天空 (Pleated Sky) 项目中 (图 7) , 平田晃久将墙元拓扑的方式进行衍生拓展, 极具动感的曲线型墙元以拓扑形式在三角形地段呈现出一个复杂形态, 被大家称为“褶皱的天空” (图 8) 。从围合三角形空间的基本墙元出发, 对墙元形态进行一次迭代拓展, 呈现出一次迭代空间, 再依次进行二次、三次迭代拓扑, 从单纯的墙元衍生出极为复杂的异化形态, 不仅增强了墙元的抗力性能, 而且在
9、有限的容积内提供了尽可能丰富的空间形态, 为展示、交流创造出独特的空间体验 (图 9) 。伊东丰雄 (Toyo Ito) 设计的加利福尼亚大学伯克利美术馆及太平洋电影资料馆中将美术馆与电影资料馆两个独立的功能空间进行融合, 其中异化的墙元构件是不同功能组团融合与结构空间一体化整合的核心控制要素 (图 10) , 同时因异化墙元的重组呈现出别样的动态空间 (图 11) 。在这里, 墙元的拓扑异化是对传统笛卡尔正交体系网格控制的突破和释放, 在传统的网格体系中, 墙元仅作为承担结构作用的空间分隔要素出现, 对空间品质的贡献甚微, 但该设计中对局部墙元构件进行“扭转异化”操作, 释放横纵墙元交叠处的
10、脚部或顶部空间, 使得扭转异化后的墙元构件呈现出三种不同的形式:传统正交模式、上部弯曲模式和下部释放模式, 下半部的剥开使人可以在各个房间之间穿行, 上半部的剥开则创造出视觉上的连续性6。三种墙元模式的交替配置演绎出流动性的空间, 使建筑呈现出多元化的视觉体验与行为的连续性空间体验 (图 12) 。其中, 墙元构件由 127mm 厚的劲性钢筋混凝土材料、外层两块钢板与其间灌注的混凝土共同构成 (图 13) 。传统的墙元经细微的异化操作, 释放出了功能环境, 为当代艺术空间的一体化空间模式提供了思路和方法, 而极为轻薄的尺度与拓扑异化的形态构成了一个高效的抗力体系, 同时也带来了连续性的艺术感受
11、。2.2 墙元组织的拓展空间形态被感知的主要原因是实体间的相互作用, 其创造方法是从无限空间到有限空间的界定, 或寻求有限空间的变化7, 通过对单个墙元构件的平面重组和空间配置, 可以在满足高效的结构性能的同时创造趣味性的空间, 从而提升空间品质。结构的运用首先是为了创造合乎使用要求的空间8, 从平面布置中墙元构件的组织可以提高其自身的效能, 同时创造适宜的使用空间, 甚至塑造具有艺术性的空间特质。建筑中, 墙元的平面组织一般以规则的正交轴网布置形成单一无趣的空间模式, 而当下人们对空间模式要求的提升和对艺术氛围的追求使得墙元构件的组织必须突破传统思维的禁锢, 以结构效能为依据实现空间的塑造成
12、为必不可少的方式。日本横滨市的山间小筑以墙元的平面重组为居住者提供了一个惬意的居所 (图14) 。建筑师岸本和彦 (Kazuhiko Kishimoto) 以灰色混凝土片状墙元的合理组合对基地狭窄的地形环境做出了回应, 同时墙元又是支撑上部结构和引导人们活动的绝对要素 (图 15) 。不规则布置的墙元为结构体系抗侧向荷载提供了多方位的优势, 提高了结构的稳定性, 为塑造山间小筑的漂浮感奠定了结构基础, 结合丰富的地形高差为建筑与环境提供了一个缓冲空间, 有效地利用灰空间对建筑意义进行了体现, 创造了富有动感的空间体验。此外, 宫晶子工作室 (Studio 2A) 设计的神奈川县 House K
13、 展现了墙元平面重组的魅力 (图 16) , 利用 13 个木质墙元探索新的空间形态, 以放射状排列巧妙地区隔出开放空间和私密空间的区域, 使得空间变得更加丰富且具有趣味性 (图 17) , 同时板片柱组成了结构体系中承担竖向荷载和侧向抗力的构件。这里墙元的组织来自于正交网格的异化变形:平面布置从网格出发, 以不规则的六角形为边界, 基于墙元结构系统的高效性进行异化配置, 最终呈现出放射状的布局形态 (图 18) 。住宅立面全部以玻璃围合而获得了视觉上的全通透, 透过墙元的重组巧妙地将内、外空间在视觉上和空间上进行连接, 提供了最佳景观视野, 将结构的竖向支撑、弯矩抵抗与空间的分隔、引导整合为
14、一体, 创造了流动性的空间体验。3 墙元的视觉消减与空间表达传统的墙元形态在视觉上时常给人粗糙、笨重的压迫感, 在空间方面的知觉感受也非常局限。当下, 建筑师们从视觉感受出发, 在结构逻辑思维的框架中对墙元的形态进行高效优化, 以达到结构上的高效合理、视觉感受上的轻薄通透和空间表达上的精致细腻。3.1 形体消减墙元的形体消减是以减除洞口的形式来实现的, 而减除的一个或多个洞口一般作为空间表达的重要元素。这里的格构消减是基于墙元的结构抗力性能来进行操作, 以在保证、甚至超越结构基本性能的基础上对空间进行重新塑造, 最终实现墙元的结构效能与空间塑造的一体化呈现。妹岛和世与西泽立卫 (Kazuyo
15、Sejima+Ryue Nishizawa) 设计的德国埃森矿业联盟管理设计学院中, 墙元成为结构体系中传递竖向荷载和抵抗侧向弯矩的最重要构件 (图 19) , 而方形体量的墙元表皮上不规则排列的洞口成为了矿业联盟学校的名片, 同时带来了丰富的空间表现力 (图 20) 。建筑中, 看似随机设置的洞口实则暗示着竖向荷载传递的力流网格, 134 个矩形的减除在结构上减轻了构件自身的荷载重量, 消解了原有无趣厚重的单一形体;在空间中表达了多元化的随性艺术特质, 混乱中又深刻地反映着结构力流传递的秩序性, 这 134 块大面积的玻璃窗户, 不仅让建筑在外观上产生出韵律性的轻快感, 也更进一步连结了内部
16、空间与外部环境9。同时, 134 个矩形的减除全部避开了墙元构件力流传递的路径, 形体的大小以力流为依据进行合理配置, 因此在提高结构效能的同时实现了矩形空间的差异性表达, 完成了结构与空间的整合表现 (图 21) 。建造中, 墙元以灰色清水混凝土现浇完成, 其中的配筋以纵横正交方向形成钢筋网络, 并纳入部分设备线路, 进一步整合了建筑的多重要素, 提高了墙元的抗力性能, 塑造了丰富的空间 (图 22) 。19 德国埃森矿业联盟管理设计学校20 德国埃森矿业联盟管理设计学校墙元的消减与室内空间14 山间小筑15 山间小筑墙元的布置16 House K17 House K 墙元布置与空间塑造18
17、 House K 墙元的重组莱泽+梅本事务所 (Reiser+Umemoto Architects) 设计的迪拜 O-14 大厦以400mm 厚的墙元很好地诠释了其高效结构性能逻辑下的形态呈现和空间塑造 (图 23) 。异化的曲面整体式墙元构件结合内部核心筒体系共同起到了建筑的竖向荷载传递和水平荷载抵抗作用, 墙元的形体消减为高层建筑形态的表现与室内空间的呈现提供了新的体验 (图 24) 。墙元在菱形网格控制下, 以异化的圆形孔洞来消减形体, 演绎出丰富的变化, 但保持了构件传力和荷载抵抗的材料连续性, 这种形体的减除是在力学荷载模型的分析中针对墙元不同位置的力学作用减出大小各异的孔洞 (图
18、25) , 而钢筋混凝土墙元的配筋也是按照荷载的大小以菱形网格配置, 同时增加横向和纵向的配筋补强 (图 26) 。施工中的墙元以泡沫填充减除的孔洞体量、配筋、架设模板, 待混凝土浇筑完成后拆除填充物 (图 27) 。墙元一气呵成, 以流动的独特形体呈现出来, 避免了繁复的藻饰, 在高效地实现了结构效能的同时削减了实体墙元的厚重感和疏远性, 塑造了轻而薄的空间。更为独特的墙元出现在伊东丰雄设计的东京银座的御本木 2 号旗舰店 (MIKIMOTO) 中 (图 28) , 其形态的表现完全颠覆了“墙”的范畴, 仅以不规则的形体消减呈现出“面”的特征, 但从根本的结构逻辑分析可得, 构件的抵抗模式和
19、传力机制依旧符合墙元的特性。这种设计不基于纯粹的几何学, 也不遵循表现主义手法, 而是采用一种新的结构分析技术有限元分析法 (Finite Element Analysis Method) 10, 以多个“框景”的交叠构建出虚拟的多维空间 (图 29) 。墙元在该设计中承担了全部竖向荷载的传递和水平荷载的抵抗, 墙元形体的消减凸显了旗舰店的品质与个性, 令人不由联想到挂满珠宝的展示架 (图 30) 。其中形体的消减在墙体的力流传递网格中完成, 通过有限元分析法对墙元结构荷载与力流进行分析, 减除结构作用极小的元素单元, 以 300mm 厚的墙元最大化地减轻结构自重从而高效地发挥构件效能 (图
20、31) 。建造中的墙元以两侧 50mm 厚的加肋钢板为模板 (消减后带有空洞的预制钢板) , 在其中浇筑混凝土完成高强的劲性钢筋混凝土结构墙元 (图 32) , 消减了视觉上的压迫性, 为珠宝的展示和销售提供了无柱的连续空间。21 德国埃森矿业联盟管理设计学校墙元体系的消减与力流网格22 德国埃森矿业联盟管理设计学校墙元的建造23 O-14 大厦24 O-14 大厦室内空间表达27 O-14 大厦墙元的建造31 御本木 2 号旗舰店墙元的消减与力流网格32 御本木 2 号旗舰店墙元的建造3.2 材料置换在设计中通过改变材料属性可以突破墙元的传统意象, 实现视觉上的消减和空间上的连续, 而玻璃因
21、其绝对的通透性优势和一定的抗力性能在材料置换方面能够起到至关重要的作用。玻璃是典型的脆性材料, 其抗压性能远高于抗拉性能, 在设计时应优先考虑其抗拉性能。此外, 玻璃的自重仅为 2 500kg/m, 其强重比要优于普通钢材11。玻璃材料因抗压强度与抗拉强度的巨大差异, 在用于墙元建造时必须考虑如何解决抗拉、抗弯强度不足的问题以提高墙元的效能, 从而塑造通透、连续的空间。犬岛艺术画廊中以透明的结构材料实现了视觉上的通透性, 构建了一个漂浮的艺术环 (图 33) 。艺术总监长谷川佑子 (Yuko Hasegawa) 指出:“犬岛艺术画廊探索了人间天堂的田园理想, 融合了艺术、建筑以及岛上风景和人文
22、的主题, 全透明的墙元界面提供了一个绝对开放的艺术空间 (图 34) 。玻璃墙元以花瓣形的曲面形态呈现出来, 克服了玻璃材料本身抗力不足的难题, 增加了竖向荷载的抗力性能, 同时双层墙元的环形配置进一步提升了抵抗水平荷载的性能, 为犬岛文化和电影艺术的展示塑造了一个极为轻薄的惬意空间。在夏季学院展厅的设计中, 马库特和海尔波 (Marquardt其次, 在玻璃板片与梁、基础的连接位置以钢构件转换, 增强节点的抗弯性能;另外, 玻璃墙元内外采用不同强度和特性的玻璃进一步提高墙元抗水平荷载的性能, 增强结构体系的整体刚度 (图 37) 。玻璃作为结构材料的灵活应用塑造了漂浮的巨大屋顶, 这既是展览
23、的场所, 同时也是被展览的艺术品。4 墙元的体系重构与空间塑造对于整个结构体系而言, 力流的组织非常重要。传统结构体系中的力流传递路径和方式简单明了, 但仍然存在很大的优化空间, 因此在分析力流大小及方向的基础上对墙元构件进行重组以合理分配力流、提高墙元的效能是以墙元为主导塑造空间的重要手段。墙元力流的传递与材料的选择、墙元的形态、墙元之间的连接方式、墙元的建造方式等因素密切相关。运用这种方式对墙元结构体系进行重构可以取得具有力学逻辑的形态美感。4.1 叠层复合垂直维度内, 墙元的组织一般以标准化的模式进行机械式复制或单一化叠加, 导致了空间的无趣乏味, 在一定程度上限制了墙元表现力和空间艺术
24、性的深层挖掘。而从墙元的结构效能角度出发, 在垂直维度内对墙元构件进行复合式叠加重构, 可以充分发挥墙元的力学性能, 同时为空间的艺术性表达带来颠覆性的变化。克里斯蒂安克雷兹 (Christian Kerez) 的一墙之宅是这方面的绝佳例证 (图 38) 。结构工程师出身的克雷兹以极其敏锐的结构知觉捕捉到了墙元的结构表现力和空间塑造上的独特魅力, 以每层不同形态墙元的叠层重构实现了结构体系的建构, 为两户居民提供了一个极具开放性的艺术生活场所 (图 39) 。叠层重构的墙元高效地提升了结构效能, 仅用三面钢筋混凝土墙元构建出三层生活空间, 各层墙元的内凹和外凸提供了不同的功能, 同时对结构、功能和空间进行了有效整合, 塑造了不可思议的空间 (图 40, 41) 。38 一墙之宅39 一墙之宅的墙元与空间33 犬岛艺术画廊34 犬岛艺术画廊曲面玻璃墙元35 夏季学院展厅全透明墙元40 一墙之宅墙元体系的重构41 一墙之宅墙元的叠层
