摘要: 實用且精煉的結(jié)構(gòu)體系是塑造建筑內(nèi)部空間及外部形態(tài)的關(guān)鍵因素，也是建筑美學(xué)意向得以表達的理性構(gòu)筑基礎(chǔ)，其中拱結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)運用已經(jīng)拓展于建筑的方方面面。對于大量公共建筑空間，當代拱結(jié) 構(gòu)突破了傳統(tǒng)的范式和模板，在博物館、圖書館等公共建筑空間結(jié)構(gòu)的表達中塑造出與眾不同的空間場所和氛圍，表現(xiàn)出明晰的技術(shù)美學(xué)特征。
在每座優(yōu)雅或震撼的建筑背后，均有精妙和強大的結(jié)構(gòu)技術(shù)予以支撐，結(jié)構(gòu)成就建筑之美——已經(jīng)在許多建筑創(chuàng)作中得以彰顯。結(jié)構(gòu)體系的精煉及巧妙運用不僅可呈現(xiàn)出建筑形態(tài)的“結(jié)構(gòu)表現(xiàn)”特征，也在技藝結(jié)合的語境下將建筑材料的傳力機制、組合形式、色彩質(zhì)感等各個方面得以完整表達。而結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為建筑與結(jié)構(gòu)的共同語言和操作對象， 既是建筑空間中分隔與限定的要素，又可成為符合 邏輯及韻律的構(gòu)成元素，在“真實與詩意”的建構(gòu)法則中體現(xiàn)藝術(shù)美感[1]。
在建筑技術(shù)趨于成熟的今天，建筑師更需與結(jié)構(gòu)師密切配合，力求建筑的“骨骼”與“皮膚”相互融合，形成建筑造型與結(jié)構(gòu)受力體系的和諧統(tǒng)一。很多大型公共建筑尺度巨大、空間豐富，需要與眾不同的結(jié)構(gòu)體系來實現(xiàn)大跨度無柱空間、超尺度懸挑、不規(guī)則開洞等空間形態(tài)，也可通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化 設(shè)計來體現(xiàn)形態(tài)塑造中的秩序和韻律。因此，精煉、合理、巧妙的結(jié)構(gòu)，不僅可作為建筑的支承體系，其自身的表現(xiàn)力亦可直觀地反映于空間塑造的美學(xué)意向之中。
01拱結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征
在各類結(jié)構(gòu)形式中，拱是一種傳統(tǒng)又新穎的結(jié)構(gòu)體系，其運用貫穿于建造美學(xué)的發(fā)展歷史之中，作為結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)典傳承，拱結(jié)構(gòu)的傳力機制可巧妙地使荷載傳遞至拱基兩側(cè)，其力流的傳導(dǎo)方式主要受線形、矢跨比、截面形式及材料性能的影響，拱的傳統(tǒng)矢跨比已達到1/8～2，其高度與跨度的合理變化可以為建筑空間提供豐富的塑形尺度。而隨著新型建筑材料的出現(xiàn)及其受力性能的不斷提升，拱結(jié)構(gòu)的跨度、拱形構(gòu)件的形態(tài)以及結(jié)構(gòu)承載效率也得以拓展。并且，當代張拉混合結(jié)構(gòu)如張弦梁的廣泛運用也使得拱結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)更為多樣化，不僅單拱通過并列組合與交叉組合可形成無限延伸的建筑空間，設(shè)計者還塑造出筒拱、拱殼、索拱等豐富的空間形式，為建筑賦予了更為新穎且豐富的形象[2]。
人們對拱結(jié)構(gòu)的青睞也一直體現(xiàn)于橋梁和大跨 建筑的設(shè)計之中，早在1502年，達·芬奇就設(shè)計了240m 跨長的里奧納多橋，500年來，這座結(jié)構(gòu)優(yōu)美又具象征意義的拱形橋一直隱匿于達·芬奇的手稿之中，而如今已經(jīng)依據(jù)其設(shè)計在挪威奧斯陸建成了 一座真實的木結(jié)構(gòu)橋梁。該橋具有3個橋拱，垂直拱承載頂部橋面荷載，兩個斜拱提供側(cè)向穩(wěn)定，橋拱弧線直接采用結(jié)構(gòu)力學(xué)推力線，形態(tài)優(yōu)美且與結(jié)構(gòu)受力完全匹配(圖1) 。著名建筑師高迪曾說:“自然界中沒有直線，直線屬于人類，曲線屬于上帝。[3]”而作為這種特殊曲線的拱如同彩虹一樣，更是自然美感的精辟所在。在普林斯頓大學(xué)建筑學(xué)的經(jīng)典課程中，《結(jié)構(gòu)工程的美學(xué)——拱頂系列課程》是最受學(xué)生青睞的一門，可見拱結(jié)構(gòu)之魅力所在。
拱結(jié)構(gòu)的自然弧線創(chuàng)建出了優(yōu)雅的輪廓和形態(tài)，在傳統(tǒng)的大跨建筑中，拱結(jié)構(gòu)作為建筑屋蓋的主要支承結(jié)構(gòu)，獨立應(yīng)用或與其他結(jié)構(gòu)合力承受荷載。而在當代建筑創(chuàng)作中，設(shè)計者越發(fā)注重體現(xiàn)結(jié)構(gòu)原 真性及結(jié)構(gòu)美學(xué)，將拱結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新性運用。拱，不僅僅只是單一的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還與桁架、殼體等結(jié)構(gòu)形式相結(jié)合，突顯混凝土或鋼材、木材以及張拉體系中的索、膜等材料的力學(xué)特性及美學(xué)特征，化身為空間界面的物化本體。因此，當代拱結(jié)構(gòu)的運用目標更富有空間塑造之特性，以結(jié)構(gòu)之妙成就建筑之美，主要體現(xiàn)于空間結(jié)構(gòu)的整合、空間氛圍的營造、空間場所的創(chuàng)新等諸多方面。
02空間塑造
2.1 空間結(jié)構(gòu)的整合
拱結(jié)構(gòu)從單一的屋頂覆蓋到與立面元素的界面整合，通過與支承構(gòu)件如墻體及柱體的形態(tài)整合，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件更為完整，相應(yīng)的空間塑造也更為統(tǒng)一。
從拱結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)形制到當代建筑形體的轉(zhuǎn)譯， 不得不提到日本建筑大師伊東豐雄所設(shè)計的多摩藝 術(shù)大學(xué)圖書館，其結(jié)構(gòu)體系是通過一系列簡單的混 凝土拱門的相互交錯及并置，組合形成一個“復(fù)雜且緊湊的網(wǎng)格體系”，拱的跨度從1.6～16.0m 不等，圖書館每3～5個拱結(jié)構(gòu)圍合成一個空間單元， 并可以滿足不同功能空間的尺度要求。多個連續(xù)拱造成了一種類似“拱廊”的效果，而水平與豎直方向的組合和重復(fù)使得拱結(jié)構(gòu)的空間感更加強烈。連續(xù)拱形結(jié)構(gòu)將整個建筑空間劃分成重復(fù)且富有韻律的方形和三角形區(qū)域，在內(nèi)部為使用者創(chuàng)造出雖有限定但可自由流轉(zhuǎn)的場所，也使得建筑造型和立面自然地彰顯出統(tǒng)一的拱形元素。這種整合性的拱結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的“梁板柱”結(jié)構(gòu)更為體系化，也為圖書館塑造出了特色明晰的“領(lǐng)域化”空間(圖2) 。
多摩藝術(shù)大學(xué)的整合拱結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一用材塑造出了富有趣味性的公共空間，這種“直白”式的結(jié)構(gòu)、材料、空間所形成的直接性和樸素性，體現(xiàn)出日本建筑師在結(jié)構(gòu)美學(xué)方面的傳承和文化精髓。而在我國，也逐漸出現(xiàn)了許多利用拱結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)整合和空間塑造的精彩作品，比如上海西岸龍美術(shù)館即代表了一種對拱結(jié)構(gòu)的拆解與重構(gòu): 設(shè)計采用獨立墻體的“傘拱”懸挑結(jié)構(gòu)，呈自由狀布局的剪力墻插入原有地下室與原有框架結(jié)構(gòu)柱澆筑在一起，地下一 層的原車庫空間由于剪力墻體的介入轉(zhuǎn)換為展覽空間，地面以上的空間由于“傘拱”在不同方向的相對聯(lián)接形成了多重的意義指向。機電系統(tǒng)都被整合在“傘拱”結(jié)構(gòu)的空腔里，地面以上的“傘拱”覆蓋空間，墻體和天花均為清水混凝土的表面，它們的幾何分界位置也變得模糊(圖3) 。
2.2 空間氛圍的營造
當代許多博物館建筑也利用了拱結(jié)構(gòu)的起伏，創(chuàng)建出特殊的展示空間，其中間起拱部分可形成放大的空間尺度，均質(zhì)過渡的形態(tài)與支承墻體的結(jié)合更加自然，弧形構(gòu)件形成的線或面在視覺中也更具 優(yōu)雅的美感，并往往結(jié)合材料營造出質(zhì)樸的空間氛圍。以拱結(jié)構(gòu)來塑造形式單純的展示空間，不僅可以帶來更符合展覽功能的空間尺度，并能通過結(jié)構(gòu)秩序、材料質(zhì)感以及光影變幻帶來強烈的空間氛圍。
如在陜西富平陶藝博物館和江西景德鎮(zhèn)博物館的設(shè)計中，博物館的拱形空間原型都源于陶罐、瓷器等展品建造胚體的轉(zhuǎn)譯——"窯"。在前者的設(shè)計中，建筑主館由兩個變直徑的磚券長管與 一個穹頂?shù)拇u拱券連接而成，所用的建筑材料 均來自于當?shù)?。建筑的整個形體設(shè)計如同窯爐，成為一個良好的風(fēng)道，建筑墻體采用半掩土厚墻，熱工性能和節(jié)能效果都十分優(yōu)良。這座博物館的設(shè)計以傳統(tǒng)的建筑形制和簡單的建造技術(shù)體現(xiàn)出強烈的在地性特征[4]。而變徑磚拱所形成的強烈韻律，予以了當代公共空間的包容和融合，從而提升了建筑的整體藝術(shù)感染力(圖4) 。
景德鎮(zhèn)中國陶瓷博物館的設(shè)計靈感同樣來自于磚窯獨特的形式，博物館的形態(tài)脫胎于獨立體量與拱體單元的旋轉(zhuǎn)及結(jié)合，從而避免在場地中規(guī)模和尺度過大。其更注重考慮的是參觀者在整體場地環(huán)境中所感受到的空間氛圍，希望為參觀者提供可以沉浸其中的參觀和體驗感——"博物館的拱形象征著發(fā)掘出的遺跡，而一半的體量仍然在地下。它在地上與地下，現(xiàn)代與歷史之間，創(chuàng)造了物質(zhì)與精神上的連接。" 因此，建筑師通過一系列拱形結(jié)構(gòu)的運用，創(chuàng)造了連續(xù)的展覽空間——拱穹，這種空間使得建筑外形也突破了對容器的具象化模擬。拱形的博物館引導(dǎo)游客進入原有的磚窯廢墟及遺址，拱殼形態(tài)結(jié)合磚材材質(zhì)的肌理，以簡單、原始的空間氛圍激發(fā)出人們對展覽內(nèi)容的溯源和聯(lián)想(圖5) 。
魏春雨教授所主持設(shè)計的田漢文化藝術(shù)中心獲得了archidaily 2019年度中國文化類建筑金獎，其形態(tài)對拱頂結(jié)構(gòu)進行了反向的空間操作，以“反拱”的造型賦予建筑以祈天的寓意，希望挖掘田漢先生源于地方的藝術(shù)精神，關(guān)注“日常性”與“儀式性”二元關(guān)系的轉(zhuǎn)換與平衡。這種反弧形拱頂是以傳統(tǒng)建筑坡屋頂?shù)呐潘鹇N轉(zhuǎn)換而來，并結(jié)合弧形擺線修正生成，每跨拱頂通過兩側(cè)后退的雙柱頂起，跨與跨之間形成類似多米諾的結(jié)構(gòu)體系[5]。懸浮的折形和厚重的反弧拱形屋頂展現(xiàn)出質(zhì)樸和蒼勁的氛圍，仿佛將建筑置于時間的長軸之上，呈現(xiàn)出紀念性建筑的歲月留痕和歷史積淀，營造出了一種具有在地性的精神場所和空間氛圍(圖6) 。
在建筑大師路易斯·康所設(shè)計的金貝爾美術(shù)館中，其拱形筒殼并不是僵化地模仿半圓形的羅馬拱， 而是利用了稍平緩的擺線拱，并且受力方式由短向轉(zhuǎn)變?yōu)殚L向，在角部由四根混凝土柱支承。結(jié)構(gòu)體系通過各單元之間的間隙以及外墻立面提示出來。而日光從每個拱筒的頂部進入一條通長的狹縫，然后再經(jīng)過頂部的獨特的濾光構(gòu)件反射到拱筒內(nèi)部，并沿著拋光的清水混凝土材料映射入展覽空間(圖7) 。
由此可見，金貝爾美術(shù)館的拱形筒殼在頂部是“斷開”的，依靠拱底的兩組柱子向左、右兩側(cè)各懸挑了半個拱。因此，建筑師和結(jié)構(gòu)師們可以對拱結(jié)構(gòu)進行富有邏輯的空間操作和構(gòu)型設(shè)計，再利用光影和材質(zhì)，使得展覽空間更為純粹，人們也可以更好地沉浸于空間的游弋。無論是整合還是形變，甚至是顛覆，拱結(jié)構(gòu)都可以為空間氛圍所服務(wù)。
2.3 空間場所的創(chuàng)新
空間場所的塑造首先來源于物化實體的界定， 符合形式美法則的尺度和比例可以為人們帶來滿足使用功能的“容器”。在構(gòu)筑物中，傳統(tǒng)的墻、頂面、柱都是限定空間的主要元素，但也往往給人們明晰的線性及切割的空間感受，缺失了少許趣味性和親切感。而拱結(jié)構(gòu)的自然過渡可以消解各類邊界之間的界線，并且通過拱與曲面的貼合及拓撲形變，使得依附于空間變得更為流暢。在當代公共建筑中，設(shè)計者利用拱結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化進行了空間創(chuàng)新，而這些新的空間也激發(fā)了人們豐富的活動，從而使從場地到場所的美好圖景得以實現(xiàn)。
在big事務(wù)所設(shè)計的芬蘭赫爾辛基中央圖書館中，設(shè)計者直接運用了一個巨大的“橋梁”來進行創(chuàng)新性的空間塑造。通過在首層空間上方置入跨度超過100m的不對稱拱結(jié)構(gòu)，將入口化身為類似
“洞穴”的空間形態(tài)，與環(huán)境形成更為融合的交互場所。這個巨大的拱形鋼結(jié)構(gòu)外部包覆以鋼筋混凝土板，并在其上方巧妙地建立了鋼桁架體系，從而在造型上自然地形成了三維曲面形態(tài)的凹形空間，使得圖書館的主入口空間與基地中的市民廣場形成了無縫銜接。
拱與頂部桁架組合的創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)方案不僅在首層構(gòu)建出了延展內(nèi)外的公共空間，還在桁架體系上形成了圖書館中的“閣樓”空間。用于支承頂層的桁架構(gòu)件甚至也成為人們可以依靠的家具或裝置。而最上層的無柱空間為市民打造出一個開放性活動平臺，為圖書館的來訪者們提供了信息傳達、休憩聚會和觀賞風(fēng)景的場所(圖8) 。
與赫爾辛基中央圖書館相似的是：美國費城天普大學(xué)查爾斯圖書館也在其入口處運用了巨大的拱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)凹的空間設(shè)計在所處街道和場地中展現(xiàn)出一個包容學(xué)校和社區(qū)的共享姿態(tài)，并且也充分展現(xiàn)了空間交互的設(shè)計意圖。這個巨大的曲面結(jié)構(gòu)其實已經(jīng)從原先截面龐大的拱體化身為空間殼體，于其形態(tài)中還結(jié)合功能開設(shè)了不同的洞口，塑造出相互貫通的空間效果。這個曲面屋頂也采用統(tǒng)一的木制材料，將建筑外部空間與室內(nèi)共享大廳統(tǒng)一在之下，從而也將拱消隱在統(tǒng)一的形體之中(圖9) 。
建筑師還將高聳的木拱界面一直延伸到室內(nèi)，形成了一個引人注目的三層圓頂中庭，當使用者進入大廳空間之后，開放式直跑樓梯穿插于拱面之中， 不規(guī)則的弧形窗洞形成了有趣的形態(tài)，圖書館的圓頂中庭及天窗也將自然光線很好地引入于建筑室內(nèi)。通過拱結(jié)構(gòu)及曲面屋頂?shù)膭?chuàng)新運用，查爾斯圖書館的中庭公共區(qū)域成為了當?shù)厥褂谜邆冏顬橄矏鄣墓矆鏊?，空間的吸引力也升華為建筑在城市中所展現(xiàn)出的凝聚力。
03空間塑造中的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)
在上述案例中，都可以看到設(shè)計者對拱結(jié)構(gòu)的匠心獨用。很多當代公共建筑設(shè)計也越發(fā)注重體現(xiàn)結(jié)構(gòu)和材料的原真性，摒棄繁瑣的裝飾和復(fù)雜的表皮，反之以“結(jié)構(gòu)表現(xiàn)”的方式來體現(xiàn)建筑創(chuàng)作中的美學(xué)意向，將結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化與彰顯結(jié)構(gòu)形態(tài)作為建筑的美學(xué)表達目標。在拱結(jié)構(gòu)中，由于其矢高與跨度的廣泛應(yīng)用范圍，可以依據(jù)力學(xué)性能和材料特質(zhì)進行直觀的空間塑造，并通過對拱結(jié)構(gòu)中的多樣構(gòu)件進行形態(tài)設(shè)計，為建筑達成符合“力與美”的藝術(shù)表達。例如在上海m2游船碼頭的設(shè)計中，建筑師采用覆土連拱的形式，利用拱的高度為下層候船大廳提供足夠的凈高，還以拱與拱之間的縫隙作為上層城市景觀休憩通道的花池。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上以“混凝土殼屋蓋+鋼索框架+屈曲約束支撐”為結(jié)構(gòu)體系，完成了薄殼拱結(jié)構(gòu)體系的當代進化，并通過“暴露”混凝土連拱、梭形鋼柱及張拉索等結(jié)構(gòu)表達出建筑空間中獨有的秩序和張力(圖10) 。
04結(jié)束語
從拱結(jié)構(gòu)在當代公共建筑的運用可以看出， 拱已不僅僅只是受力結(jié)構(gòu)，更非造作的裝飾或刻 意的式樣，而是以自身優(yōu)美且富有邏輯的結(jié)構(gòu)形體滲透入了建筑的“身形”之中，對拱的創(chuàng)新性設(shè)計和運用也使之成為人們青睞的空間“容器”本體。通過建筑師與結(jié)構(gòu)師的協(xié)同合作，使得拱結(jié)構(gòu)的簡單構(gòu)形上升至詩意建造，成為建筑美學(xué)表達的重要內(nèi)容，為公共建筑的空間塑造達成技藝結(jié)合的高階目標。