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AngelEven
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卡拉特拉瓦是我梦想的原点之一。作为一个建筑师+结构师,我想从结构本身的角度分析一下。卡拉特拉瓦的结构设计,要追述到两点: 结构系统的可折叠性; 结构构件的型态优化。
结构系统的可折叠性
卡拉特拉瓦的博士研究“桁架结构的可折叠性”(Zur Faltbarkeit von Fachwerken),可以被认为是他设计的原点。
常见的平面桁架
所谓桁架,是指“只由二力元件组成,组装后如同单一物体”的结构。一般构件的受力,主要分为压力/拉力/弯矩/剪力/扭转。而桁架一般只受到压力和拉力。由于结构构件的受力从5种类型,简化到了2种,就省去了很多不必要的结构冗余,力学效率自然也就更高。
5种结构受力形式(source: www.sohu.com)
桁架一般是稳定的(静定结构),而卡拉特拉瓦研究的,偏偏是它的非稳定态--折叠。而这也产生了他的设计独一无二的品质。不是每个人都是结构师,但每个人都有力学的直觉。一个结构上可变的建筑,人自然会产生“大厦将倾”的感觉,即动感。
卡拉特拉瓦论文中的结构分析(source:Calatrava, 1981)
看看上这图中结构的折叠方法,会不会让你想到他的密尔沃基美术馆,会飞的大屋盖呢?
密尔沃基美术馆(source:inhabitat.com)
结构构件的型态优化
结构构件本身在桁架当中,已经是十分优化的了。但是卡拉特拉瓦做的不止于此。他的一些设计,多年以后才有相关学术论文论证有效性。或许当时他的设计是处于一种自然的直觉,但是却是直击了结构的灵魂。作为旁观者,我们无法列举他所有的创新,仅在此列举一些有趣的结构优化。
变截面梁是对于普通梁在悬挑状态下的一种力学优化。由于悬挑状态下,靠近支撑处的弯矩远大于端部,所以需要的承受截面也应该不同。因此,最合理的做法就是减少端部截面,而增大支撑处截面。
悬挑量的弯矩
看看卡拉特拉瓦World Trade Center Transportation Hub Oculus中的悬挑屋盖,你能想象它们的构件变成等截面的长方体吗?恐怕感觉就完全不一样了。一眼就会觉得滞重。
World Trade Center Transportation Hub Oculus(source: Dezeen)
纺锤形柱是一种优化的受压构件,也是卡拉特拉瓦经常运用的一种构件。在stadelhofen火车站中,卡拉特拉瓦就用它来做了一个很优雅的三角支撑。可它实际效率如何呢?
stadelhofen-railway-station(source:artchist.wordpress.com )
这种结构的实际效率实际上更高。杆件在受压时由于稳定性问题,往往会在中部出现破坏,因此,加强中段,是一种有效的强化方式。根据清华大学的研究,梭形柱在轴向受压时,显示出更好的性能(YL Guo et al, 2017)。对应的,端部也就不需要那么粗了。
梭形柱受压模型(YL Guo et al, 2017)
钢索是纯受拉构件。就像绳子一样,你没法用它来做其它功能。同时,它也是效率最高的构件之一。由于受拉不会出现受压的失稳问题,可以充分利用材料的力学特性。钢索的轻盈和效率,在卡拉特拉瓦的设计中,十分常见。这种钢索的轻和支撑的重的对比,形成强烈的视觉冲击力。而本质上,它依然是对于结构效率的优化。
Margaret Hunt Hill Bridge(source:wikipedia)
结构之美源于效率。而卡拉特拉瓦无疑,是其中翘楚。
REFERENCE
1.Calatrava, VS, Zur Faltbarkeit von Fachwerken, PhD thesis, Eidgenoessischen Tech- nischen Hochschule Zürich, 1981.
2.Guo, Yan-Lin, et al. "A new shuttle-shaped buckling-restrained brace. Theoretical study on buckling behavior and load resistance."Engineering Structures147 (2017): 223-241. |
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