柯布西耶在《走向新建筑》中提出的 “新建筑五點(diǎn)”，對(duì)現(xiàn)代主義建筑具有深遠(yuǎn)影響。其中第一條便是“首層架空、以柱子支承” 。[ Support of ground-level pilotis, elevating the building from the earth and allowing the garden to be extended to the space beneath.]
▲ 薩伏伊別墅 (1928-1931) ,柯布西耶
1928年，柯布西耶設(shè)計(jì)了薩伏伊別墅[VillaSavoye]，首層架空強(qiáng)化了白色混凝土柱的視覺效果。柱子比古典建筑的巨柱纖細(xì)很多。
同為現(xiàn)代建筑大師的密斯，則提倡'Less is more' 的空間理念。“少”不是空白而是精簡(jiǎn)，他追求精致極簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)。
▲ 巴塞羅那國(guó)際博覽會(huì)德國(guó)館(1929)，密斯
巴塞羅那國(guó)際博覽會(huì)德國(guó)館是密斯的代表作之一，建筑本身輕靈通透，內(nèi)外空間連續(xù)流通。柱子罕見地呈十字形斷面。我們知道十字形的 “回轉(zhuǎn)半徑” 很小，從結(jié)構(gòu)受力的角度講，它無(wú)疑是一根“細(xì)柱”了。
▲ 十字形鋼柱，巴塞羅那國(guó)際博覽會(huì)德國(guó)館
▲ 范斯沃斯住宅F(xiàn)arnsworth House(1946-1951)，密斯
▲ JohnsonWax Headquarters (1939), 賴特
約翰遜蠟制公司，蘑菇細(xì)柱與采光天窗的表現(xiàn)
柱子在建筑空間中應(yīng)該如何表達(dá)？
前仆后繼的建筑師不斷地探索、嘗試和創(chuàng)新。其中不乏一些案例，追求柱子的精致設(shè)計(jì)、極致纖細(xì)，為我們結(jié)構(gòu)工程師帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文選擇了幾個(gè)經(jīng)典案例做簡(jiǎn)要的分析，探討“細(xì)柱”的幾種實(shí)現(xiàn)方法。
我們知道，細(xì)長(zhǎng)柱在壓力作用下會(huì)容易發(fā)生失穩(wěn)。為了防止失穩(wěn)，首先要減小柱子的軸壓力，即減輕荷載。
妹島和世+西澤立衛(wèi)于2009 年設(shè)計(jì)的蛇形畫廊(Serpentine Gallery)，展區(qū)由細(xì)細(xì)的柱子支撐著蜿蜒連續(xù)的鋁板，鋁板反射樹木、地面和天空的映像，與周圍環(huán)境形成呼應(yīng)。
▲2009年蛇形畫廊: SANAA
畫廊中細(xì)柱承受的荷載是非常小的，僅僅為輕質(zhì)屋面(鋁板)的自量，粗略估算只相當(dāng)于普通混凝土樓面恒活荷載的3%~5%。
而且蛇形畫廊屬于臨時(shí)建筑，其使用期間的遭遇大風(fēng)和地震的概率很小，設(shè)計(jì)時(shí)幾乎不考慮水平作用力，柱子不必承受過多的彎矩，因此它比普通建筑的柱纖細(xì)很多。
2008年威尼斯雙年展的日本館，建筑師石上純也設(shè)計(jì)了一個(gè)玻璃盒子覆蓋植物。從功能上看，它連臨時(shí)建筑也不能算，更像是一個(gè)裝置，有一種搖搖欲墜的感覺。在結(jié)構(gòu)受力方面，水平力完全由玻璃面板來(lái)承受，極細(xì)的柱子僅支承屋面板的自重。
▲ 2008威尼斯雙年展日本館
建筑：石上純也, 結(jié)構(gòu):佐藤淳
另一個(gè)方法是加密柱子布置，進(jìn)而減輕每根柱子所分擔(dān)的軸壓力。妹島和世在早期的公園咖啡廳設(shè)計(jì)中，曾采用1.5米x1.5米左右的柱網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)柱。
但在大體量建筑中，加密柱子的方法不太常用，比較成功的案例有赫爾佐格和德梅隆設(shè)計(jì)的波爾多體育館。
▲ 波爾多體育館(2015)，赫爾佐格和德梅隆
歐洲地震小，細(xì)柱設(shè)計(jì)更容易實(shí)現(xiàn)
常規(guī)的框架柱截面大，除了壓桿穩(wěn)定的因素以外，另一個(gè)原因是柱子需要承受彎矩。彎矩一部分由水平力（風(fēng)和地震）引起，另一部分由與梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的平衡彎矩引起。從這兩點(diǎn)出發(fā)，減小柱子內(nèi)的彎矩，是縮小柱子斷面的有效手段。
冼足連結(jié)公寓 G-Flat
▲ 冼足連結(jié)公寓 G-Flat，2006
建筑：北山恒, 結(jié)構(gòu):金田勝德
冼足連結(jié)公寓 G-Flat實(shí)現(xiàn)“細(xì)柱”的方法是，將集合住宅的“剪力墻”布置在建筑平面的中央，相鄰兩個(gè)單元的剪力墻方向垂直交錯(cuò)布置，以抵抗各方向的水平力。
▲ 剪力墻垂直交錯(cuò)，細(xì)柱布置
剪力墻的抗側(cè)剛度遠(yuǎn)大于鋼柱，因此鋼柱分擔(dān)的地震力很小，幾乎可按二力桿設(shè)計(jì)，截面尺寸可大幅減小。
金澤海之未來(lái)圖書館
金澤海圖書館被設(shè)計(jì)者稱為“蛋糕盒子”，長(zhǎng)寬高45m×45m×19m，共有3層。幕墻是有著6000個(gè)小圓孔的GRC板和陽(yáng)光板，把柔和的自然光引入室內(nèi)。
建筑：工藤和美＋堀場(chǎng)弘, 結(jié)構(gòu):新谷真人
在幕墻中隱藏了網(wǎng)格狀的鋼結(jié)構(gòu)，其受力特性類似于框架支撐體系，承擔(dān)了建筑全部水平地震力。因而，圖書館內(nèi)部的25根、高達(dá)12米的鋼柱，僅需承受來(lái)自屋頂?shù)闹亓?。為了避免屋面梁傳遞給柱頂彎矩，柱頂采用鉸接節(jié)點(diǎn)釋放彎矩。
▲ 25根高12米的無(wú)縫鋼管柱
金澤21世紀(jì)美術(shù)館
金澤21世紀(jì)美術(shù)館是SANAA的代表作之一。圓形的平面，功能性房間布置在內(nèi)部，而沿著周邊則是透明的玻璃立面。以純白細(xì)柱支承屋面，保證了公共空間的明亮和開敞。
▲ 21 世紀(jì)金澤美術(shù)館(2004), SANAA
普利茲克獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)主席洛德·帕倫博(Lord Palumbo)評(píng)價(jià)SANAA 時(shí)所說，“建筑風(fēng)格纖細(xì)而有力，確定而柔韌，巧妙但不過分?！?/span>
從平面圖上我們看到，在圓形內(nèi)部空間密布了許多隔墻，墻體內(nèi)置了較為粗壯的H形鋼柱，間距3米(比較密)，局部布置鋼支撐。
▲ 圓形建筑中部為鋼框架支撐結(jié)構(gòu)
這些隱藏在墻體內(nèi)部的框架支撐承受了絕大部分的水平力和豎向力。而暴露在外部的鋼柱只承受較小的豎向荷載(屋面自重)，因而可以做到纖細(xì)異常。
▲ 水平地震作用下鋼支撐的軸力
直島 海之車站
海之車站是一個(gè)建筑面積600平的輪渡站，屋面為1.6mm的壓型鋼板輕質(zhì)屋蓋，支承其重量的鋼柱是直徑85mm的鋼管。顯然，如此纖細(xì)的鋼管無(wú)法抵抗海風(fēng)和地震引起的水平力。
▲ 海之車站 Marine Station Naoshima
建筑：SANAA；結(jié)構(gòu)：佐佐木睦郎
在車站開敞的空間中布置有8片纖薄的鋼板墻，墻表面是鏡面不銹鋼。鏡面映射周邊景色，與環(huán)境融為一體，不容易被察覺到。
▲ 不銹鋼鏡面鋼板墻
鋼板墻組成：“2mm鏡面無(wú)縫鋼板”+”9mm鋼板”
中間為角鋼骨架，防止鋼板屈曲
KAIT 工坊
石上純也設(shè)計(jì)的神奈川工科大學(xué)KAIT工坊，令人印象最深的是細(xì)密的白色柱子，建筑輕盈得如隱匿一般。
▲ 神奈川工科大學(xué)KAIT工坊，2008
建筑:石上純也、結(jié)構(gòu):小西泰孝
KAIT工坊最初的構(gòu)想是樹林，沒有墻的阻隔，305根柱像樹一樣錯(cuò)綜密布在建筑中，編織成一個(gè)有密度、非均質(zhì)的柔和空間。
▲ KAIT工坊設(shè)計(jì)概念圖
▲ 石上純也在KAIT工坊
12年前，當(dāng)石上純也第一次提交自己的設(shè)計(jì)方案的時(shí)候，校方對(duì)這個(gè)初出茅廬的建筑師充滿了質(zhì)疑：
“這么薄的結(jié)構(gòu)，真得能做到嗎？”
“如果真得像你說得簡(jiǎn)單，為什么沒有人做到過呢？”
“空間不實(shí)用，有些空間要更大些，有些空間要更小一點(diǎn)......”
建筑設(shè)計(jì)人員在草圖上把空間可能性畫出來(lái)，然后放入家具，探討柱子與家具的關(guān)系。最終，空間因柱子的分布而生成，建筑被主要分為14個(gè)開放的區(qū)塊，相互獨(dú)立又融為一體。
▲ 放入辦公桌椅的空間
結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)？
這一直是人們對(duì)KAIT工坊最感興趣的話題。305根柱子當(dāng)中只有42根是承受豎向荷載的受壓柱(鋼板62x90mm)；其余的263根鋼板柱，是施加了預(yù)拉力的吊柱(鋼板厚度16~45mm，寬度96~160mm)，用抵抗水平力。
吊柱的扁鋼板朝向都不一樣，既可以抵抗來(lái)自不同方向的水平力(風(fēng)和地震)，又使人們身在其中看到不同寬窄的柱子變化。
上圖顯示的為吊柱施加預(yù)應(yīng)力原理，對(duì)鋼梁預(yù)變形、在吊柱內(nèi)施加預(yù)拉力，并控制結(jié)構(gòu)承載后的最終形態(tài)。
▲ 吊柱與立柱大樣圖
吊柱上下兩端均為剛接，以最大程度地提供剛度；立柱下端與基礎(chǔ)剛接，上端與鋼梁鉸接，以釋放節(jié)點(diǎn)的彎矩作用。
2009年KAIT工坊項(xiàng)目獲得日本建筑學(xué)會(huì)獎(jiǎng)。那一年，石上純也34歲，成為史上摘得該獎(jiǎng)項(xiàng)最年輕的獨(dú)立設(shè)計(jì)師?，F(xiàn)在搜索神奈川工科大學(xué)或是這座大學(xué)所在的厚木市，映入眼簾的都是KAIT工坊，可見建筑的魅力非同尋常。
除了以上介紹的幾種常規(guī)方法，工程師也探索出新的方法，例如，利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)提高柱子的穩(wěn)定承載力、利用結(jié)構(gòu)體系大變形的非線性剛度等。
▲ 重慶龍興景觀大門
建筑:緯圖景觀、結(jié)構(gòu):袁鑫
上圖的景觀大門結(jié)構(gòu)中，柱高最大約10米，最細(xì)柱僅60mm。屋面的曲面造型使得鋼柱高度不同，結(jié)構(gòu)師正是利用了柱子長(zhǎng)度不一的特點(diǎn)，依靠結(jié)構(gòu)大變形后的非線性抗側(cè)剛度抵抗水平力。
▲ 曲面造型屋面的鋼梁
加大屋面鋼梁的抗彎剛度
有利于發(fā)揮長(zhǎng)短柱的非線性剛度(大變形)
限于篇幅，還有一些有意思的細(xì)柱建筑，僅附上圖片了建筑名稱，供大家欣賞。
▲ HouseNA, 藤本壯介
▲ LayeredS-house, Saitama
樓梯作為結(jié)構(gòu)承載的主要構(gòu)件
建筑四角為極細(xì)的鋼柱
▲ Artinstitute of chicago，2009
建筑設(shè)計(jì)：Renzo Piano；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):Arup
參考資料：
1. 結(jié)構(gòu).空間.界面的整合設(shè)計(jì)及表現(xiàn)，戴航,張冰著
2. 建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新工學(xué)，日本建筑學(xué)會(huì)著，郭屹民等譯
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