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现代建筑的终极版——钢结构建筑

一、古典建筑与现代建筑

1933年第四届《国际现代建筑会议》(CIAM)通过的雅典宪章提出:“凡是有需要容纳高度密集的人口时,就应该设置‘高层大间距的公寓住宅街区’”。但过了30年之后,这一“高层低密度”的城市街区规划思想就遭到了挑战和批判。因为它不利于社会交往和居住者的身心健康,所以不但西方国家不再采用这一住区开发模式,就连日本、印度这样的人口众多的亚洲国家也不愿意采用这种密集的住区开发模式。到了20世纪50年代后期,“低层高密度”住区就已经世界范围内得到了广泛的认同。

日本籍的国际著名建筑大师安腾忠雄在日本神户附近兵库县六甲山边建造的集合住宅(1983年建成)就是低层高密度住区开发的成功范例。

印度籍的国际著名建筑大师查尔斯·柯里亚研究了印度城市的居住密度,通过对“低层高密度”住区和“高层低密度”住区进行对比,指出建造一层的住宅,一公顷(10000m2)土地大约能容纳125户,每户平均占地为80m2,每户独门独院占地为44m2;建造五层的无电梯公寓,约为250户;建造20层的高层住宅,约为500户。这样当建筑高度增加20倍时,总的社区密度仅仅增加4倍。因此得出结论:成倍的增加住宅高度对提高密度的作用并不大(注意,如果是“高层高密度”,就要另当别论)。印度还为许多低收入家庭建造了“低层高密度”住房。

目前中国的住宅建筑密度走向了二个极端,首先是城市中心区里的“高层高密度”住区,大大超过了雅典宪章提出的“高层低密度”要求。很多城市在短短的几年内就立起了数百,乃至数千根水泥森林——高层建筑,每平方公里居住的人口已经远远超过了4万人,大大超过了日本东京的人口密度(每平方公里大约1万3千人)。而高档别墅(低层住宅)又和20世纪50年代以后在国际上兴起的“低层高密度”住宅建造模式背道而驰,走向了另一个极端——“低层低密度”(这基本上还是二战结束之前欧美国家的住区开发模式),极大的浪费了土地资源。

目前中国的住宅面积大小不是根据“功能需要”,而是根据“心理需要”来确定的,即按照居住者的社会等级、地位来规划住宅面积的大小。

这些住宅建筑用不了多长时间就会列入淘汰之列,虽然没有达到(物理)设计寿命(我国民用建筑的设计寿命为50年),但市场寿命却很短,也就是5~10年,到时候不是炸掉,也会像20世纪60~70年代建造的许多住宅一样成为建筑垃圾。这种建造前或建造时不认真思考,仔细规划,而是采取拆了建,建了拆的城市发展模式,在世界城市建筑史上是绝无仅有的现象。中国在近20年内拆掉的建筑也许比同时期世界上发生的战争所摧毁的建筑还要多。

最近有台湾学者做过统计,中国大陆、台湾和日本的建筑物平均使用寿命为25~28年。西方国家的建筑物平均使用寿命一般为50~60年,有的甚至高达80~100年。

当然了,改革开放之后,在中国也建造了一些所谓的“豪宅”,但这些“豪宅”大多数都是按照西方中世纪的古堡来打造的,并非是现代西方富豪们所理解的“豪宅”(图1、图2,比尔·盖兹住宅)。充其量就是把西方的古典建筑要素纳入到现代中国住宅里。

图1

图2

这种把别人的古董当成自己的新潮的原因有二个,第一,中国建筑教育一直把帕拉第奥1566~1570年设计建造的圆厅别墅当成是西方住宅建筑的代表,把古西腊的罗马柱、中世纪的塔楼和文艺复兴的钟楼都当成了西方建筑中的必要要素;第二,改革开放后,很多人都可以到西方国家去旅游。但是全世界的导游们都有一个相同的职业习惯,就是只把游客们领到古老的建筑里,在中国,则是把游客们领到皖南的宏村和西递、苏州的南浔和周庄、湖州的乌镇,去看明、清的古建筑(图3),在欧洲,则是把游客们领去看中世纪的古堡和城镇(图4、图5)。这就产生了误解,使很多人都误认为西方住宅建筑特色就是罗马柱、塔楼和钟楼。

图3

图4

图5

日本是在民治维新(1867­­—1868)到19世纪末这段时间里建造了许多带有罗马柱、塔楼和钟楼的建筑,在日本近代史上,“民治建筑”是一个专门术语。进入20世纪之后,日本的建筑就基本和西方建筑思想同步了,不但钢结构建筑进入了日本,就是当时一些最为激进的建筑思想,例如包豪斯运动、表现主义建筑风格、分离派等等,也都在日本当时的建筑上刻下了深深的印记,有的还学得惟妙惟肖,足可以假乱真。

二、日本学习西方古典建筑的历史

日本学习西方古典建筑的历史可以追溯到明治维新(1867—1868)时期。1854年,日本在美国舰队舰长佩里(Perry)的几艘炮舰威逼之下,打开了国门。在此之后,日本全国几乎是强制性的自上而下学习西方,日本政府为此还专门聘请了一批西方建筑师来帮助日本引进西方建筑文明并培养自己的第一代建筑师。在日本明治和大正时期,模仿建造了一大批西方古典建筑。直到第二次世界大战之后,日本才停止补习西方古典建筑这门课程,此时的日本建筑科技基本上已经和发达国家同步,不需要再去模仿建造西方古典建筑,如今日本的高层建筑几乎清一色的是钢结构建筑,除了传统的木制住宅外,日本的低层住宅大多数也都是钢结构建筑。

图6是1871年建成的大阪造币厂。建筑师是当时日本政府聘请的外籍专家。


图6

图7是平井晴二郎1888年设计的北海道市政厅。


图7

     特别要说明的是,平井晴二郎是日本教育部首次选派赴美国留学的学生,回日本后任铁道工程师。与艾菲尔铁塔的设计师——法国的艾菲尔是同行。

图8片山东熊1894年设计的奈良国立博物馆。正面的科林斯柱(古西腊柱式中的第四种)清晰可见。


图8

片山东熊是日本工部大学首届毕业生,导师是英国人康德尔。

图9是1922年竣工的日本银行冈山市支行。科林斯柱惟妙惟肖,真像是帕特农神庙在日本的再现。


图9

图10是长野宇平治采用塔司干柱式设计的大仓精神文化研究所,1932年竣工。

长野宇平治最拿手的就是用钢筋混凝土来建造西方古典建筑,对古西腊柱式的理解非常到位。


图10

三、发达国家的钢结构建筑都是由一帮建筑门外汉发展起来的

仔细追溯一下世界钢结构建筑发展史,你会发现一个有趣的现象:

  • (欧洲)早期的钢结构建筑是在一帮铁路和桥梁工程师的推动下发展起来的;

  • 日本的钢结构建筑是在一帮造船工程师的推动下发展起来的;

  • 只有中国的钢结构建筑是由建筑界的“内行人”搞起来的。

也就是说,发达国家的钢结构建筑都是由一帮建筑“门外汉”发展起来的,但是要注意,虽然对于建筑,他们是门外汉,但对于钢材,他们却是了如指掌,应用自如。因而才会通过他们不断的努力和探索,最终成为了主导世界建筑界的主人。是他们把铁路轨道带进了建筑界,演变成工字钢,才会有今天建筑界大量使用的H型钢。

另外,与钢结构配套的维护结构,例如玻璃幕墙、铝幕墙、金属龙骨外墙体系、钛金属外墙体系等,都是由一帮建筑界的“门外汉”开发出来的。

同样,1894年,日本海军造船技师,若山铉杰把欧洲的钢结构引进日本,采用钢材管状柱子,热轧角钢桁架梁,设计、建造了日本最早的钢结构建筑——东京京桥三层楼的秀英社印刷厂(图11)。


图11

1909年,日本钢结构的开拓者,佐野利器完成了建筑面积500m2,三层楼高,钢材框架结构的丸善大厦(图12)。该建筑完全采用钢材建造钢框架,外观虽然还保留着古典建筑风格,但明亮的玻璃建筑(大型窗户和门)立面,却给人一种新型建筑的感受。佐野利器(1880~1956年)是日本著名的建筑结构、结构力学和建筑设计师,为推进日本的钢材结构建筑发展,专门在东京帝国大学机械系(注意,不是建筑系!)开设了“铁骨结构学”这门课程。把钢结构建筑这门课程开设在机械系里的好处是:可以充分借鉴机械行业数百年来所积累的钢材制造、加工和使用经验;可以充分利用机械系里的师资、教材和实验设备。如果放在建筑系,则师资、教材和实验设备等都要另起炉灶,而且效果还不一定好。


图12

中国的钢结构建筑是被市场所逼,由一些对土木建筑内行,对钢结构外行的土木建筑师和结构工程师发展起来的。

虽然建筑院校的老师深懂建筑,但是对于钢材,他们却是门外汉。讲授“土木建筑学”的教师对钢材的认知程度很低,让他们去讲授“钢材建筑学”有点勉为其难。很多建筑院校里根本就没有机械工程专业,如何让学生去了解“紧固件”、 “焊接和铆接”、“钢丝绳”(矿业学院的学生都应该对钢丝绳不陌生,因为矿井提升机离不开它)、《机械制造工艺学》,《金属工艺学》,以及各种与钢材有关的专业知识。

虽然结构专业已经开始教授起《钢结构》课程,但建筑学专业仍然停留在教授《土木建筑学》课程上,无法开设《钢材建筑学》课程,因为至今仍然还没有一本可供教学使用的《钢材建筑学》课本。

从设计到建造钢结构建筑,需要以下四个主要过程:

建筑设计——结构设计——制造——安装

目前钢结构建筑的“制造”和“安装”技术主要由企业自我培训完成,技术人员主要来自船舶、桥梁、汽车制造,以及其它机械制造类专业学生。

结构设计人员来自建筑院校刚结构专业,也有很大一部分来自机械类专业。

建筑设计还是由精通“土木建筑”的建筑师来完成。

我经常和年轻的工程师们说:“产品开发有3D阶段,即drawing(画图)、design(设计)和development(开发)这三个阶段。最高层次是development(开发),次一点是design(设计),最后才是drawing(画图)”。

由于《钢材建筑学》教育严重滞后与建筑实践,这就造成很多中国建筑师只懂《土木建筑学》,不懂《钢材建筑学》,很多大型钢结构建筑就只能请外国人进行创意(development)和设计(design),中国设计院只能帮忙画图(drawing)。

造成的结果就是,中国现代大型钢结构建筑(包括奥运场馆、大型飞机场候机楼和为数不多的超高层建筑)大多数都是外国设计师设计的。

就像很多参与和鼓吹“住宅产业化”的官员和学者一样,自身没有制造业的工作经历和教育背景,对当代制造业的发展现状和技术前景(例如柔性制造系统、装配设计(DFA)、制造与装配设计(DFMA)、产品寿命期管理(PLM)等无数新的制造业知识)一无所知,他们所说的“住宅产业化”内容缺少真正的制造业技术内涵,既空洞又肤浅。因而十多年来,虽然“住宅产业化”口号喊得震天响,但就是没有什么实质性的进展。

、不符合维特鲁威的比例关系学的现代建筑

正是由于1706年,德·科德穆瓦首先向西方建筑的“祖宗之法”——《建筑十书》的作者维特鲁威正统的观念——提出了挑战。接着在18世纪末期,克劳德·佩劳又向维特鲁威的比例关系学的普遍可行性提出了挑战,建筑师们的思想才开始从古典教义里得到解放,并逐渐摆脱了维特鲁威的比例关系学的禁锢,人类真正进入了现代建筑和钢结构建筑时代。

现代建筑基本都不符合维特鲁威的比例关系学。讲究的是“形式服从功能(form follow function)”,如果一味固执的坚持维特鲁威的比例关系学,那就建不成现代建筑。

但是在20世纪之前的各种建筑,包括住宅建筑里还时常出现罗马柱。进入20世纪之后,西方住宅建筑里就很少再见到罗马柱、中世纪的塔楼和钟楼了,取而代之的是各种与新时代相适应的新型建筑结构、建筑材料、建筑造型和建筑方式。二战结束后,现代建筑学派开始在日本兴起,而且空前活跃,在战后新一代日本建筑师的努力之下,西方古典主义建筑要素也终于在日本退出了历史舞台,此后在日本新建的建筑上就很少再看到古西腊的罗马柱、中世纪的塔楼和钟楼了。

笔者通过研究发现,从19世纪下半叶到20世纪上半叶,西方人在中国江西庐山、福建厦门、河北北戴河,山东青岛和上海等地建造的许多别墅都没有古西腊的罗马柱、中世纪的塔楼和钟楼这些陈旧的西方建筑要素。

笔者通过更进一步的研究还发现,进入20世纪90年代以后,中国的改革开放政策逐渐收到了成效,成功人士都希望能住进“别墅”,但人们对近50年,甚至100年来世界住宅产业所发生的重大变化却不太了解,我们对“别墅”的认识还只是停留在帕拉第奥的圆厅别墅上。20多年来都一直是把西方的古董当成了我们的新潮,在中国大地上冒出了许许多多假冒的西方古董式建筑。其主要特征就是古西腊的罗马柱、中世纪的塔楼和文艺复兴的钟楼。

      尽管建筑界有很多老专家多年来一直痛心疾首的声讨西方建筑冲击了中国建筑市场,但实际上真正的西方现代建筑,尤其是钢材建筑并没有大量进入中国,因为自从19世纪末,发达国家兴起钢材建筑之后,现代建筑几乎就等同于钢材建筑。而二十多年来,整个中国建筑界都在恶补西方古典建筑这一课,新建的建筑大多数都是在模仿古西腊的帕特农神庙、中世纪的塔搂和钟搂,充其量也就是20世纪之前的西方钢筋混凝土建筑,而非真正意义上的西方现代钢材建筑物。在中国建筑市场,除了膜结构以外,目前几乎所有的现代新型钢材建筑造型都被钢筋混凝土结构所替代,钢筋混凝土结构已经成了万能建筑体系。

五、西方建筑师也有古为今用的建筑思想

不要误认为20世纪80年代在北京建造的那些“四面坡大屋顶”高层建筑(图13)就是中国建筑特色,也不要误认为只有中国建筑师才会在现代建筑(图14)中采用古典建筑要素(罗马柱和拱顶)。

图13

图14

      其实早在19世纪末,高层建筑刚刚兴起之初,西方建筑师基本上都是采取这种“古为今用”的建筑设计思想,古西腊的罗马柱、中世纪的塔楼和钟楼无一例外的都出现在当时新建的高层建筑上(图15和图16)。

图15

图16

 只是到了20世纪初,新建高层建筑才逐渐取消了古西腊的罗马柱、中世纪的塔楼和钟楼。

到了第二次世界大战之后,西方建筑师通常都取消了起源于历史建筑风格的檐口和其它传统的装饰要素,赞同无装饰的直线几何图案,并加入20世纪现代风格。虽然如此,钢材骨架的表现方式仍然有问题。例如,密斯·范·德·罗厄(Mies van der Rohe)和菲利普·约翰逊(Philip Johnson)1958年在纽约市设计的西格拉姆大厦(图17、图18)里,首先是把实际的钢材结构包在混凝土防火层里,并且因此是隐藏在金属和玻璃幕墙后面。尽管在外表面采用了青铜I型梁,但刚硬的垂直框架最多只是间接的代表了真实的钢材框架。

图17

图18

通过暴露真实的喷漆或防腐保护的钢材梁和柱子特有的边缘形状,以达到更加直接的表达钢材结构;或通过赞美钢材结构框架特征的几何图案——让平常的桁架或大梁框架来唤醒钢铁工业或市政工程。在第一种情况里,凯文·瑞洽(Kevin Roche)和约翰·廷克勒(John Dinkeloo)在美国康涅狄格州新港哥伦布骑士会总部(1969年)采用了暴露的未喷涂耐腐蚀钢材大梁,而斯柯德茂、欧文和迈瑞设计公司在纽约市钢铁大厦(1972年)采用的部分暴露的喷涂钢材大梁(边缘覆盖有防火保护)也可以作为例子。

在第二种情况里,桁架或骨架(胜于独立构件的形状)的几何形式引发了钢材结构。在斯柯德茂、欧文斯和迈瑞(Skidmore, Owings and Merrill)设计公司的三栋建筑物上阐明了这个方法。在芝加哥的国内钢铁大厦(1957年)通过位于框架外侧垂直要素上的玻璃幕墙展示了它焊接的钢材框架;在旧金山的美国铝公司大厦(1964年)把它的457mm三角钢材支撑结构放置在它的玻璃幕墙前面;在芝加哥的汉考克大厦(1970年)(图19)把它的钢材框架结构安装进了建筑物的正面平面里。


       目前中国很多建筑的设计思想只是相当于日本“民治建筑”时代,仍然还在恶补欧洲古典建筑思想——把古西腊的罗马柱、中世纪的塔楼和文艺复兴的钟楼都当成了西方建筑中的必要要素。其实西方建筑思潮早就摒弃了这些古典建筑要素。

      我们在发展钢筋混凝土建筑时,适当参与一些古典建筑要素还问题不大,不会增加太多的建造时间和建造费用。

      但如果在发展钢结构建筑时,也要硬性参与一些古典建筑要素,不是不行,而是显得不伦不类,而且会没有必要的增加很多建造时间和建造费用。

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