建筑学社 | 竖向结构的水平难题
【本文已发表于《建筑技艺》2017年01期总256期，请勿转载】
1 由墙及柱还是由柱及墙
建筑空间未必需要柱子， 但起码需要作为围护和分隔的墙。所以，在建筑师的认知里，首先有墙，而柱子则是由墙演变而来的，如建筑史家维特科威尔所说的：“墙断裂而成为柱，是建筑学的一件大事。”
在结构里，屋顶需要提供跨度，用水平向的构件来抵抗竖向的重力，看起来是更困难的事情，所以构建屋顶的手段也多种多样，整部人类的建筑史，也可以认为是建筑屋顶演变的历史。而墙或柱子则意在为人的栖居提供必要的高度，乃是以竖向的构件来抵抗竖向的重力，其结构任务似乎更简单，因而建筑师对竖向结构的研究也远远不足。
在结构体系中，诸如墙、柱所构成的结构层次被称作“竖向体系”。从空间出发，建筑师是通过墙来理解柱子的；而在结构领域中，建筑师恐怕要先理解柱，才能充分领悟墙的意义。
2 竖向体系
关于对竖向体系的阐释，林同炎先生与斯多台斯伯利合著的《结构概念和体系》[1]是值得每一位建筑师精读的结构通论。多数建筑师太过直观的将竖向荷载作为影响柱结构的主要因素，但如上文所述，作为竖向结构构件，抵抗竖向荷载对柱而言是容易胜任的。其实，柱子作为纤细的线性结构，在面对水平向荷载作用时非常不利，那才是从根本上影响了柱式结构体系的的因素——那也是本文意图提示建筑师朋友多加关注的重点。
2.1 柱与水平荷载
其实，是不存在所谓“柱式”结构体系的，因为独立的柱子实在太孱弱了——纤弱的柱不但要有必要的刚度来承担自重（图1），还需要抵抗来自风和地震的水平荷载（图2）所导致的弯曲。如图2（c）所示，如果要让独立的柱能抵御水平荷载，就需要让柱的截面越接近接地的嵌固端越大才行（这与悬臂梁的弯矩图的变化趋势一致），这极大的占用了空间，是建筑师很难接受的事。
↑ 图1：4根独立悬壁柱可象征一个建筑物的空间形式
↑ 图2：独立悬壁作用不能有效地抵抗水平荷载
在抵抗水平向作用方面，独立的柱子无法像柱网分担屋顶重力那样自然的分摊水平荷载，这就需要有水平向的结构在他们之间建立联系——比如梁。我们在结构力学课上是从梁端铰接的简支梁入门的，但是这对柱的水平承载却毫无帮助——容许自由转动的铰接点只能让水平荷载在柱间传递，但却无法令柱列分担这些荷载；相比之下，当柱间的梁与柱刚性连接时，才能约束柱端的转动，制造“反弯点”，从而令柱列联动均分水平向的作用（图3）。这样，柱子多了才有意义。
↑ 图3：水平载荷作用下4个柱子组成空间结构
两根柱子与水平构件完全刚性连接时（即交接点完全抗拒转动），整体形成一个称之为“框架”的结构体系。这样的理想体系下，即在“得到完全的框架作用”[1]59的情况下，反弯点出现在柱高的中点，柱子受弯时的刚度可以达到独立悬臂柱的4倍！当然，现实中不可能有真正完全的“刚性”，框架作用也只能以某种程度存在，描述框架作用程度的指标是梁相对于柱的刚度——“梁柱刚度比”。当梁柱刚度比小于1:1时，就几乎没有框架作用；而这个比值达到3:11时，结构的真实框架作用可达到完全框架作用的4/5，就可近似认为是完全框架作用了，因而也无需无休止的飙高梁的刚度。
综上，诸如梁这样的水平构件，除了承担和传递屋面或楼层的竖向荷载之外，还可以成倍提高柱子抵抗弯曲的能力；也就是说，在框架体系中，梁不止是把“包袱”甩给柱子的“上家”，它还是柱子的“得力帮手”。这一真相对结构师而言也许司空见惯，对建筑师却可能是令人惊喜的大发现——当我们希望改善柱的形态，除了直接从功能上消减竖向荷载以外，还可以考虑从加强水平向结构入手。明白了这一点，在与结构师的合作中，建筑师所能做的或许就不止是恳请结构师把柱子“算”细一些了。
《结构概念和体系》中总结了三种提高双列柱框架体系整体刚度的方法：
1. 在双列柱框架内加设内柱；
2. 增大该双列柱截面在弯曲作用平面内的高度；
3. 加设更多的或更刚的水平梁，以加大整个框架的竖向刚度。[1]61
路易斯·康的萨尔克生物研究所中大跨的中厅结构（图4、图5）完美的诠释了后面两点。扁长的柱截面平行于弯曲作用的平面，是比较经济的加强柱的做法。而最值得我们关注的是那三层6米层高的大厅，其中有2.6米是类似空腹梁的结构——这充分演示了水平构件的发育是如何有效精简竖向结构系统的。这样的梁架尺度通常是为建筑师所痛恨的，而康则令通风设备穿行于巨大的空腹之间，并隐匿了其中不解风情的结构意义，诗意的称之为“风层”。在这一名作中，康的过人之处有二：其一，他坚决的在梁、柱的权衡中将梁放大而争取了柱在空间中的相对轻巧；其二，他巧妙的为放大的梁系统赋予了设备功能意义。
↑ 图4：萨尔克生物研究所“空间—结构”单元剖透视图
↑ 图5：萨尔克生物研究所剖轴测图
比起任性的要求结构师兄弟把梁和柱都“变小”，建筑师能做的更积极的工作是权衡，而面对“多余”的结构，建筑师则有义务为它们寻找意义，无论是功能的还是美学的。
在柱承重的建筑中，梁的刚度往往是由结构师来决定，而横向构件的数量则通常由楼层数量来决定——这决定了一般框架结构的基本状况。我们通常不再增加水平构件，是因为那会对空间产生影响，但空间恰恰是建筑师的领域。在确定了功能的空间中，建筑师总是要往空间里面不断加进吊杆、格架、橱柜、隔墙、桌面、门窗、床铺、坐板、地板等“功能道具”，“新精神”运动之后，现代建筑师学会了用建筑手段来建造这些道具——比起只能拿梁开刀的结构师来，建筑师其实在为柱建立水平连接一事上有着更加丰富和浪漫的手段。我们可以在各种不同高度的水平构件上去发掘它对人的意义（图6）。这样的结构设计游戏或许很难从一开始就应用于大规模的结构，但却很适合从小建筑开始尝试。林同炎先生一直强调“将建筑形式看作空间的结构”，如果建筑师不能摆脱平面图上的呆板柱网去在空间中思考结构，那么结构师又何必离开舒适的“平法”梁图呢？
↑ 图6：模度及模度人图示（勒·柯布西耶）
暂时抛开畅想回到与萨尔克生物研究所类似的真实结构上来，在普通框架结构中，设备层穿行于梁底，其下通常饰以吊顶。常规的做法是用吊杆悬吊龙骨，然后安装吊顶板；但是，如果能在结构设计完成之前确定吊顶的标高，是否有机会在主龙骨的位置上建立一套柱间的连系梁系统，这样，不仅简化了吊顶安装的构造层级，还可以增加一层水平梁，以优化柱系统。凡此种种，都有待于建筑师与结构师联手开发。
相比之下，增加内柱的方法进一步拓宽了解决问题的思路，柱距加密后，梁的相对刚度也就成倍提高了，这也变相飙高了梁柱刚度比（图7）。在一些开间无需过大的空间，这样的做法甚至可以实现纤细柱林的结构表现（图8）。因此，建筑师对柱的优化可以是更多维度的权衡：加强水平系统，增加柱截面，亦或是加密柱网——这些手段都有机会匹配优秀的空间形式。
↑ 图7：增加内柱可提高基本的双列柱分体系的框架作用和刚度
↑ 图8：纤细柱林的结构表现
2.2 柱的压弯
通常认为，矮粗、敦实的短柱在受轴力时是不会弯曲的，但当柱的高细比比较大时，就会在轴力下弯曲。《结构概念和体系》中给出了不同材料短柱与长柱的高细比临界值，可作为基础常识来参考：木柱在10或15；钢筋混凝土柱在8或12；角钢钢柱为10；如箱形截面的截面形比较有利的钢柱则可达到20。[1]221
前文中加强水平结构连接的做法不仅对柱承担水平荷载有利，对于长柱在竖向荷载下的弯曲也有类似的功效。原理相同，当梁与柱刚性连接时，转角处不能弯曲，这样就在柱上产生了反弯点，从而抑制了柱的弯曲。约束柱端的目标，是让长柱的有效弯曲长度趋近于短柱（图9）。比较极端的实例是加州大学的九层办公楼（图10），先张预应力柱高达到90英尺（27.4米），依靠柱间的预制墙令柱稳定。
↑ 图9：随柱端约束条件变化的长柱有效长度
↑ 图10：戴维斯（Davis）加州大学的9层办公楼（二）（T．Y．LIN INTERNATIONAL，STRUCTURAL ENGINEERS）
另外，当柱截面较大又偏心受压（轴向压力与截面形心偏离，即压力集中于柱截面的一端）时，也会如梁一般受弯，其中近轴力的一端受压，远端则受拉。在多数结构设计里，对不同受力的回应主要集中在配筋设计上，从外形上有助于我们理解偏心受压柱的实例是路易斯·康的理查德医学研究楼的预制混凝土柱（图11）：柱内侧受压，外侧受拉，截面形式完全回应受力，呈不对称的工字形，受压区混凝土面积大，受拉区面积小却有更密集的受拉钢筋。
↑ 图11：理查德医学研究所和生物楼，宾夕法尼亚大学，费城，1957~1965。入口塔楼、角部细节
2.3 墙与筒
理解了柱在受弯上的孱弱，以及竖向的柱体系对水平结构的依赖，当建筑师再在结构中邂逅一片墙时，就会懂得珍惜了——我们甚至可以把墙视作水平连系梁无限叠加或竖向内柱无限加密的极端状况。比起柱来，墙不仅胜任竖向承重，而且在抵抗水平向荷载以及抗弯方面都远为出色。
在现代结构中，基于材料科学的进步，空间上自由的框架结构已经可以应对一般的承载任务，如砖木、砖混的墙体承重结构已不多见了。在当今的结构体系中，墙体的出现有越来越“职能化”的趋势，由于框架柱在结构体系中被视为是完全不能受剪的，因而刚性墙体经常被插入框架结构中充当承受水平剪力的主力，它也因此特长被称作“剪力墙”。在这种“职能化”的配合中，剪力墙仅承担平行于墙面方向的水平剪力，所以其截面高度比柱子还小，林同炎戏称之为“薄片”。
剪力墙的布置法则，大致可总结为“均匀分散；纵横交错”（图12）。“均匀”是结构的整体性诉求；“分散”指剪力墙尽量分布在靠建筑平面外侧的位置（远离形心），尽管从抗剪上区别不大，但越分散，则对建筑的整体抗扭更有利；“纵横交错”则有利于建筑面对不同方向的水平荷载。在这方面，彼得·卒姆托的布列根茨美术馆中规中矩，简直是教科书式的范例（图13）。
↑图12：剪力墙平面布置
↑图13：布列根茨美术馆展示层平面图
剪力墙的局限在它的单向性，当剪力墙相互结合并构成相对封闭的空间结构时，就构成了竖向体系中最强大的一类——井筒。这样的结构在各方面的表现都非常出色，所以核心筒结构往往成为“大建筑”的选型。除了能支持更大规模的建筑，由于井筒强大的结构能力，它还能让处于同一结构系统中的其他竖向结构——比如柱子——获得解放，《结构概念和体系》的图示（图14）中就显示了在由内部抗剪核心筒的前提下，作为支撑的柱子可以铰接，那意味着柱子与水平结构的连接可以转动，于是不必承载水平向的荷载，这样的柱子一定是可以更纤细的；更有甚者，结构柱可以是通过上部悬挑向下悬挂的受拉柱，受拉的柱子一定更细，甚至可以是悬索的（图15）；最甚者，核心筒可以让其四周的楼板直接悬挑，这样的技术在20世纪三十年代，大师弗兰克·劳埃德·赖特在约翰逊制蜡公司的塔楼（图16）里就已经实现了，这种四面开敞的无柱空间不一直是建筑师梦寐以求的么？
↑图14：具有内部抗剪核心筒的多种方案
↑图15：总体结构可由竖向和水平分体系的多种组合方法组成
↑图16：约翰逊制蜡公司的塔楼
核心筒的“代价”仅仅是预先封闭了一部分空间——但那真的是代价吗？即便没有核心筒，建筑师就不封闭空间了？当然，绝大多数建筑师都懂得井筒与电梯厅、核心交通等功能部件的匹配，其实，路易斯·康提出的“服务空间”（小空间）支撑“被服务空间”（大空间）的体系，更充分的从建筑学层面给出了筒体结构的空间策略。在这样的思想下，核心筒开始基于结构和功能双重逻辑布置，其布置原则开始越来越接近柱子（图17）。康自己其实就是这么看待他的筒的：
想象一下柱子是空的而且很大，它们自己的墙就可以采光，空的部分就是房间，柱子就是光线的制造者，可以具有复杂的形式，可以作为空间的支撑并且给空间带来光明。
对此，康的密克维以色列犹太教会堂（图18）可谓现身说法。
↑图17：哥伦布骑士大楼核心筒与井筒间的楼盖构造大样
↑图18：密克维以色列犹太教会堂1961-1972-1
筒是不是一定要封闭的呢？林同炎先生指出：矩形筒空间与H形的空间（或背靠背的C形空间）在结构作用上基本是等价的[1]55（图19）——这道理跟结构构件的截面换算差不多。如果是这样，那么建筑师所能操作的筒的形式就被大大的丰富了，比如C形“龛”就是最好用的空间类型之一。
↑图19：竖向分体系的相对抗弯有效性决定该份体系承受的倾覆力
2.4 难分彼此
其实筒体的形式尚远不止于此，伊东丰雄在仙台媒体中心的竖向结构（图20）由一圈密布的柱子围合成筒，那究竟算是柱子还是筒呢？在工业建筑中比较常见的“格构式”就是用一束有联系的细柱子来取代一根粗柱子，其实格构式让结构显得更纤细轻灵，对建筑表现而言很有潜力，值得建筑师多加关注。
↑图20：伊东丰雄在仙台媒体中心的竖向结构
仔细推敲起来，结构的分类并不是那么泾渭分明的，林同炎先生在列举筒的截面形状组成模式（图21）时，就提出“可以把核心筒拆开”[1]57（如图21d所示）——那不就成了剪力墙么？以及他匪夷所思的将开了四条窄槽的筒体称作“宽柱框架体系”（图22），从结构作用而非教条定义来看，筒、墙和柱之间真的有界线么？回到伊东丰雄的结构上来：从强度而言承载力充分，从形式而言轻灵飘逸，足矣。
↑图21：筒可由多种截面形状组成，可采用结构核心筒设计方法
↑图22：若材料相等，宽柱框架的刚度总是小于筒的刚度
回到这篇笔记所要记录的问题上来：对竖向结构来说——承载重力不难；是水平方向的荷载任务，让框架柱、剪力墙、核心筒这些概念有了意义。
图片来源
图1，2，3，7，9，10，12，14，15，17，19，21，22——《结构概念和体系》
图4，5，18——《“间隔”的秩序与“事物的区分”》
图11——《路易斯·I·康——在建筑的王国里》
图8——《El Croquis182: Christian Kerez - Junya Ishigami》
图6，13，16，20——来自网络
注释
1 《结构概念和体系》中4:1的数据疑有误，译者注中已加更正。
参考文献
[1] 林同炎, S·D·斯多台斯伯利. 结构概念和体系[M]. 高立人, 方鄂华, 钱稼茹, 译. 北京: 中国建筑工业出版社, 1993.
[2] 汤凤龙. “间隔”的秩序与“事物的区分”——路易斯·I·康[M].北京：中国建筑工业出版社, 2012.
[3] 戴维·B·布朗宁，戴维·G·德·龙，路易斯·I·康：在建筑的王国中[M]. 马琴，译. 北京：中国建筑工业出版社, 2004.
[4] N.182- Christian Kerez-Junya Ishigami[M]. Spain: EL croquis, 2016.
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