邢 义 杭
(河北工程大学建筑与艺术学院,河北 邯郸 056038)
1 建筑与结构的关系
建筑与结构的关系是一个常谈常新的话题，在工程实例中，在建筑理论的发展历史里，建筑与结构虽然有不同的专业范畴，但它们一直结合紧密。
1.1 国内现状
改革开放以来，我国建筑钢结构发展较快，从北京唯美动人的水立方体育馆到广州挺拔轻快的“小蛮腰”电视塔，建筑美学都得到空前的发展，美学是人类欣赏艺术的重要组成部分，也是社会文化的载体。从设计研究和工程实践上来看，钢材能够形成很多结构体系，比如网架、壳体、悬索、充气结构、索膜结构等等，设计师选用这类新型体系为我国创造出了大量的优美建筑，但是我国对于建筑美学和钢结构交叉学科的研究还存在很大空白，这是建筑领域的发展潜力也是新时代的挑战。
1.2 古代研究
在古代中国，建筑工作者统称为工匠，工匠就是要将一座建筑物彻底完成，包括规划、建筑设计和结构设计甚至还要参与施工和监理，比如曹操建造邺城和宇文恺营建东都洛阳。还有我们熟知的维特鲁威，本是一名军事工程师，但他留给后人的经典《建筑十书》却成为最早的建筑学知识体系。可见，要想真正做好建筑设计，就不能忽略建筑、结构等其他学科之间的关系。
1.3 现代研究
现代很多建筑师做设计有个通病，就是割裂了建筑与结构的直接联系，这会造成工程技术的脱节，一个方案经过多方面的设计变更就会变得面目全非。还有些设计过于强调艺术审美，虽然增大了建筑美学的灵活度，但也给结构设计带来很大的困难，甚至无法实现，比如悉尼歌剧院，建筑师约恩·乌松以橘子皮为创作的灵感，虽然设计出优美的建筑体态，建筑方案也赢得大设计师沙里宁的喜爱，并且中标，但是结构设计非常困难，力学计算也相当复杂，如果没有新技术，建筑造价高昂，难以实现。后期多亏结构师的努力帮助，研究出新型模板，把歌剧院的“壳”成功建造出来，最终将这个杰出的设计构想变为现实。可见，结构对于建筑美学的实现有很深入的影响。
1.4 钢结构的基本特点
钢结构是一种金属材料，轻质高强，质地均匀，H型钢、工字钢、槽钢、角钢以及冷弯薄壁型钢等制成的结构体系统称钢结构。钢结构多适用于高层建筑、外形复杂的艺术馆、大跨度体育馆等公共建筑以及工期紧张的工程。钢结构时常给人一种简洁、明快、富有力度的感觉，对于建筑的审美来说，可以发挥技术上的支撑，比如建筑美学中的统一、均衡、比例、尺度、韵律等等艺术手法都可以依托钢结构得以实现。与钢结构相比，混凝土结构有自重大、材质不均匀、易出现裂纹、抗拉能力差等缺陷，而且混凝土的大量数据还需要在实验室获得，施工复杂、后期养护繁琐，可以说混凝土结构不适用于外形多样的大空间建筑。钢结构在受力方面也有许多优点，因为钢材质地均匀，所以运算相对简洁，因此，钢结构建筑方案的设计非常大胆，力学审美也时常令人倾倒。
钢结构还常常与其他建筑材料联合使用，比如钢木结构、钢材和玻璃的组合等等。现代设计中钢结构做支撑，其他建筑材料作为维护的建筑现象十分常见。
2 钢结构与建筑美学
2.1 钢结构的节点美学
节点在钢结构建筑中作用十分显著，是必不可少的部分。钢结构节点由以下几部分组成：节点区、被连构件、连接件或者连接材料等等。钢结构是一个组合体，需要连接，现在常用的连接方式是焊接、普通螺栓和高强螺栓连接。埃菲尔铁塔属于铆钉连接，现在已经使用不多。
在邯郸北湖公园有座钢结构的桥梁，跨度不大，桥梁的连接方式是六角头的普通螺栓连接。普通螺栓一般分为三级，根据受力的种类又分为抗剪螺栓、抗拉螺栓和同时承受剪拉的螺栓，为保护结构，螺栓的节点处一般添加垫板。北湖桥上整齐又密实的螺栓连接就是非常典型的节点形态，不但保证了桥梁的受力，而且设计师故意将节点构件裸露，随着湖水的倒影，螺栓处的节点更加表现出桥梁的坚固和美观。力学和美学有相通之处，比如古代赵县的赵州桥，隋朝匠师李春设计，历经一千多年屹立不倒，桥身的力学模式经过现代技术的验算接近完美。赵州桥在力学上的杰出设计从客观上也促成了美学的成功，许多游客观赏赵州桥，都会赞叹美观的桥身。
2.2 钢结构的材料美学
钢材富有金属光泽，在阳光照射下还能变色。钢材的这种美学属性是其他建筑材料所不具备的。钢结构在我国并未普及，这种结构体系的巨大潜力也必将带来一种流行的材料美学。
北京的体育馆鸟巢就是将结构不加装饰的裸露在外侧，高大的钢结构在空间上并没有像通常的建筑那样将柱子和梁区分出来，反而相互斜交形成美观的外形，钢结构的材料美学在鸟巢这座建筑中成为吸引世人的一大亮点。
纽约的古根海姆博物馆是解构主义大师盖里的优秀作品。这座建筑，大量使用钢材，并且尽量减少修饰。金属的外形使整座建筑显得神秘又震撼，奇特的形态和光亮的金属外表皮在阳光的照射下发出耀眼的银光。这就引出一个联想，在魏晋时期，嵇康酷爱打铁，他还修建一座水池，打铁累了就在水池中沐浴。当嵇康打铁时，他古铜色的肌肉，充分展示着力学与美学的完美结合，与古根海姆博物馆的建筑设计有着异曲同工之妙。
2.3 钢结构的空间美学
空间是建筑最重要的组成部分，可以说在建筑设计的过程中，空间处理的优劣将决定方案的成败。而建筑空间的形式取决于结构，即承重体系和维护体系。随着人类社会的发展，空间结构的跨度越来越大，风格也日趋多样，钢结构由于其轻质高强的优势，逐渐在建筑空间的设计中占有重要的地位。
钢结构是一种杆件化的结构体系，与混凝土相比，拥有轻巧的质量和较小的截面尺寸。钢结构的建筑，能在建筑空间上形成穿透性和灵活性。
北京的国家大剧院，其建筑师保罗·安德鲁经历过建筑、工程和美学的深度体验和学习，并且以前经常设计机场这类大空间建筑，他对钢结构材料的性能、受力非常熟悉。安德鲁的大剧院方案风格简洁大方、空间跨度大、功能灵活。大剧院是典型的大跨空间结构，美学经过规范设计，外形是半个椭圆，周围是水池，远远望去，建筑和水的倒影结合在一起，很像一枚蛋。从大剧院内部可以清晰的看到结构形态，顶部是钛钢的板壳结构，侧面是钢网架搭配着弧形玻璃幕墙，空间的穿透性良好，视觉审美震撼，尤其是雨季，流水自上而下，配合外部的水池，仿佛模糊了室内外空间的界限。
2.4 钢结构建筑实例
在天津，有座综合性的钢结构建筑——天津市自然博物馆，位于天津市河西区，与天津博物馆、天津图书馆和天津大剧院相邻，是天津市的标志性建筑之一。
天津市自然博物馆的结构选型主要是空间网架、壳体结构、变截面箱形梁和钢管圈梁等。博物馆的构思新颖，它运用仿生原理，将整座建筑的外型设计为一个“展翅飞翔的天鹅”。天鹅的颈部是建筑的走廊，两边是水池。走廊后部尺度陡然增大，就是环形弧状的“天鹅身体”，也是建筑的主体部分，整座建筑搭配天蓝色的玻璃幕墙，流线顺畅，韵律和谐，贴近自然，还和天津这座滨海城市的风格结合到了一起。
博物馆主要使用大跨空间结构，主梁是多组变截面钢框架梁，并有次梁、加劲肋和多组钢架支撑、上部装饰玻璃幕墙，形成曲面，下部配合使用了混凝土立柱。钢材质量轻盈但在工程中容易失稳，钢结构抗风压能力较弱，大风过后，有的轻型钢结构屋架会被掀翻。因此，钢结构建筑一般配合混凝土使用，因为混凝土结构自重大、抗压能力强，相对稳定。在博物馆的1层大厅就建造了一排清水混凝土V形柱。清水混凝土的立柱不用装饰，对钢结构曲面梁起到了支撑作用，也增加建筑的自重。在类似天鹅颈的走道，设计师使用八个伞状环形钢柱作为支撑体系，上部的环形圈梁均匀承受水平荷载，斜向和竖向的压力、剪力通过圈梁传递给柱子。这种设计方案受力均匀，最重要的就是将稳定的钢结构与优美的建筑造型成功结合起来。
博物馆的屋盖使用空间网架结构，和国家大剧院的结构设计类似，节点处采用多种形式的板胶节点，这种节点受力灵活、造价不高，在国内工程中首次采用。钢网架结构多用于公共建筑，在博物馆中实现了大跨度、大空间、采光合理、功能分区灵活的优势。天津市自然博物馆是多种类型的钢结构与建筑美学组合设计的成功案例，也在建筑学科的前沿开阔了新技术、新体系的应用前景。
3 结语
本次论文以结构为基础，初步探讨了结构与建筑的关系，同时以钢结构与建筑美学结合为论述重点，表达了结构与建筑的密切联系。在未来的建筑发展中，建筑的审美趋于多元化，而结构与建筑也将愈走愈近，并且可以创造更多的奇迹。
