马令勇，李洁馨
（东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318）
摘 要：本文以悬索结构概述为主线，研究悬索结构的本质和美学气质，针对建筑形式美的六点原则分别找出不同实例加以论证鉴赏，从而挖掘悬索结构内在理性美和外在感性美之间的关联.
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关键词 ：大跨结构；悬索结构；建筑艺术；建筑美学
中图分类号：TU-8文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）04-0061-04
引言
科技进步推动人类对物质生活的不断追求，而建筑作为人类生产活动的场所，正在努力尝试不同空间种类以跟进人类社会活动日益多样的步伐.近几十年大跨空间结构的涌现完成了诸如飞机场、展览馆、体育馆此类建筑的建造.悬索结构以优越的性能、优美的造型在大跨空间结构中脱颖而出，屡次被使用.
1 悬索结构概述
1.1 悬索结构的发展
在大跨建筑领域一展身手的悬索结构的产生源于桥的使用.早在公元前3世纪我国四川便出现竹索桥；明朝成化年间出现用铁链制成的霁虹桥；而四川泸定桥是全世界尚存最早的悬索桥.
最早出现的悬索结构建筑要属中东地区的黑帐篷（图1），其由位于中央的长拉索和位于周边的可调节边支柱组成.此时的悬索结构建筑跨度小，应用范围有限.直到1953年，美国的Releigh体育馆诞生了世界上最早的现代悬索屋盖，至此，悬索结构在建筑领域的应用和发展接近成熟阶段.能够展现悬索结构建筑早期特点的是1954年建成的位于美国佛罗里达州的保罗·鲁道夫（Paul Rudolph）小休假别墅，其跨度只有6.7米；随着技术的不断进步以及建材优良性能的不断挖掘，先后出现了耶鲁大学冰球馆、北京工人体育馆、亚特兰大奥运会主会场的佐治亚穹顶以及济南奥体中心体育馆，主跨分别达到了58米、94米、240米和120米.到本世纪悬索结构越发受到年轻建筑师的青睐，其发展也日益兴旺，这些都得益于建筑本身结构的合理构成和材料的正确选择.
1.2 悬索结构的组成
何为悬索结构？广义上讲是结构主要处于受拉状态的索结构；狭义上讲是由柔性受拉索、边缘构件和支撑塔架所组成的承重结构（图2），英文名称：cable-suspended structure.这一定义由全国科学技术名词审定委员会审定公布[1].其中，索只能承受拉力，不能承受压力，大多数应用于屋盖的造型设计.边缘构件所承受的屋盖压力和平衡来自索的侧向水平拉力，固定着屋盖索的形态.而下部支承构件属于受压结构体，承受来自上方索及边缘构件传递下来的所有荷载并将这些荷载传递到地面.因此，支承构件数量较多，形状简洁便于力的传递.上述三种构件缺一不可，协同作用，保证建筑骨架的有效存在.
1.3 悬索结构的特征分析
（1）受力合理，节省用料.在悬索结构中，柔性受拉索由钢材制成，恰好利用了钢材优良的抗拉性能.边缘构件既承受拉力又承受压力，用钢筋混凝土再合适不过.支撑构件只承受压力，用混凝土建造的情况比较普遍.各部分构件根据其合理的受力特点，都能找到适宜的材料加以建造，使材料性能得到充分发挥.
（2）跨度大，支撑少.预应力屋盖的产生使悬索结构建筑的跨度大大提高，同时屋盖也变得轻质高强，用压型钢板、薄膜板、轻质混凝土板等均可实现.屋面分有单片屋面形态和双片屋面形态两种.单片屋面形态室内空间无需支撑，而双片屋面形态中间有支撑，降低了单跨长度，这样形成的多跨空间结构从整体上看跨度变大，拓宽了适用范围.
（3）造型优美，表现力丰富.柔性索配合边缘构件的布局可以任意成形，创造出新颖别致的造型艺术.
（4）施工简便，安装快捷，可提高工效.由于悬索自重小，构件大部分都是预制的，可省去现场施工的许多模板操作，提高效率.
（5）若形式选择适当，可创造良好的采光和声学效果.例如大跨拱顶薄膜覆盖屋面，利用薄膜的强透气性和高透光率可获得良好的自然光.下垂的凹曲面屋顶可避免声聚焦现象，达到扩散声波的目的.例如：倒置的壳体单元以及悬索结构[2].（图3）
除上述优势之外，悬索结构带有自身的局限性：悬索屋盖结构稳定性较差，当索的荷载作用方向与垂度方向相反时，便失去了承载能力.因此常常附带一些索系而非单索来提高其空间稳定性，这样为负荷计算与材料加工带来不便.
2 建筑美学与建筑结构
2.1 结构形态与美学倾向
结构形态从总体上讲有线性形态和非线性形态两种.线性形态给人以刚劲有力、直接明了之感；非线性形态给人以柔美婉约、娓娓道来之感.这两种结构形态分别应用在悬索结构建筑中也会呈现出不同的美学倾向.
纵观我国建桥史，以巨大工程量著称的苏通大桥（图4），连接着江苏省苏州市和南通市，跨径1088米，是当今世界斜拉桥之最.这座桥的斜拉索结构形态是线性形态的完美演绎.在纤长的桥面上矗立而起的两座混凝土塔高达300.4米，这两座高塔将桥体空间限定成三部分，分别由塔尖顶向桥两侧放射出的斜拉索由近及远分布，最长拉索达577米.这些索形态呈斜直线，刚劲有力，长短不一，方向感极强，从远处观看犹如轻纱般将限定的三段空间笼罩成一个整体.
还有，1960年建成的美国耶鲁大学冰球馆（图5），整座建筑充满了非线性美.建筑由中心拱结构脊背和两侧低矮的圈梁组成索结构的骨架，流线型外观又是非线性结构形态的表达，彰显非线性结构形态柔美的气质.
2.2 结构与美学的关系
建筑结构的存在，使得建筑美学在形式美的基础上又多了一种美学类型：结构美.倘若建筑结构研究“怎么做”，那么建筑美学就是研究“为什么这么做”.如果将建筑比喻成一个躯干，若只有结构，无非是一个干瘪的空壳，有了美学概念的参与，空壳变得有血有肉、活灵活现，建筑也就被赋予了内涵与灵魂.尤其在大跨建筑结构（悬索结构）中，结构骨架作为主体部分，有的甚至直接暴露于外表.因此，结构美在整体美中占有举足轻重的地位，不可小视.
3 悬索结构建筑形式美建构原则的论析与鉴赏
3.1 建筑形式美法则
中世纪美学家、神学家圣托马斯.亚昆那（公元1226-1274年）曾在他的著作《神学大全》中写道：“美有三个因素：第一是一种完整或完美.凡是不完整的东西就是丑的；其次是适当的比例或和谐；第三是鲜明，所以着色鲜明的东西是公认为美的.[3]”这是对美的普遍认识.而事物有其独特性，对于建筑美我们的评判标准即建筑形式美法则是：变化与统一；主从与重点；均衡与稳定；对比与微差；韵律与节奏；比例与尺度.以下是应用六条形式美法则对悬索结构建筑实例的论析与鉴赏.
3.2 变化与统一
近代建筑巨匠勒.柯布西耶曾强调说：“原始的体形是美的体形，因为它能使我们清晰的辨认.[4]”在这里原始的体形可以理解成圆形、方形、长方形、正三角形等具有明显几何特征、简单几何属性的图形.古代许多建筑通过对上述基本图形的组合已经创造出高度完整统一的建筑形象.现如今，往往出于功能技术的要求，或形式的考虑，设计造型时一般在圆形、方形、正三角形、长方形等基本形式的基础上稍加变化，如大小、角度等，以求灵动，但整体上仍能够找到相同的几何原型，这便是变化与统一.
1998年日本长野冬奥会速滑馆是一悬索结构建筑（图6），以单索为基本单元，各个单索以渐变的方式排列，由小变大再由大变小，从立面上看，仿佛是一座日本本土山体的形态.每个单索单元虽说形状相同，但随着序列方向的推移，大小有所改变，这就回应了“变化与统一”的原则.
3.3 主从与重点
建筑物作为由若干要素组成的整体，每一个要素在整体中所处的地位和所占的比例不尽相同.如果所有要素都争相突显自己，那么从整体上看就毫无章法可言.例如绘画，如果整幅图无重点就会让观赏者视觉不集中，也难以留下深刻的印象.建筑也不例外，古代建筑主从关系多以对称的布局方式实现；近现代建筑由于功能日趋复杂或者地形条件的限制，延用对称构图的并不多，多采用一主一从的形式将次要部分从一侧依附于主体.
例如日本著名建筑师丹下健三于1964年建成的代代木体育馆就是对主从关系的很好诠释（图7）.其中较大的体育馆有两个“角”，它们由各自的螺旋形看台蜿蜒上升直至顶部成为焦点.而位于一侧较小的体育馆只采用单塔，构成方式和主体育馆相似，也是由单索逐个向上盘旋而成.这种主从建筑搭配的方式，与建筑场地完美融合.
3.4 均衡与稳定
所谓均衡，有两种基本形式：一是对称形式，二是非对称形式.对称形式天然就是均衡的.与对称形式相比较，非对称形式的均衡要轻巧活泼得多.例如：2009年建成的济南奥体中心在基地上就是以非对称形式分布的：三个体量围成一个内院，两个似豌豆形建筑和一个圆形建筑各占一角，相互间用空中天桥连接，体现了构图上的均衡美（图8）.
与均衡相关联的是稳定.如果均衡处理的是各建筑要素水平方向的平衡，那么稳定处理的就是竖直方向的平衡.据重力学原理，上轻下重、上小下大的形式比较稳定.同样在济南奥体中心，单个建筑物从底层外圈附属用房到中间看台再到顶层内圈穹顶的收敛聚集，无不遵循着重力学原理，这就是所谓的稳定感.
3.5 对比与微差
对比与微差研究的是如何利用技术手段、工程结构给建筑带来的差异性来求得建筑形式的完美统一.对比指各要素之间显著的差异；微差指各要素之间不显著的差异；二者缺一不可.通过对比，可使建筑各个要素更加突出其个性；通过微差，可使建筑要素之间更加强调其共性，以求和谐.例如，归类于悬索结构建筑的北京南站（图9），基地周围高楼林立，呈竖向构图居多.然而作为交通类建筑，庞大低矮的体量与周围的摩天大楼形成强烈反差.若俯瞰建筑整体似水波纹般从中央候车大厅向两侧扩散，无论是屋面细部雕琢还是椭圆平面尺寸都存在微小差别.北京南站的艺术特点就在于从建筑与外界、建筑与自身两个角度体现了对比与微差.
3.6 韵律与节奏
提及韵律，自然会想到节奏.就像一首好曲子，说其有韵律，那一定是音符编排得当，能够组织成悦耳的节奏.建筑被比作凝固的音乐，同样如此，人们通常将韵律分为以下四种类型：连续的韵律；渐变的韵律；起伏的韵律；交错的韵律.其中，连续的韵律在建筑中的使用最为常见.
美国华盛顿杜勒斯机场候机楼（图10）平面为长方形，单曲面单层悬索结构，两个长边布置若干单柱支撑构件.这些支撑构件沿长边方向均质排列（即保持恒定间距的反复出现），赋予立面系统一定的韵律与节奏.支撑构件营造的韵律美不仅展现在外部造型上，在内部空间也同样如此，Y形支撑经过有序布置创造出优美的视觉效果（图11）.针对悬索结构支撑构件的线性特征，在大体量建筑中有序排列加以点缀，不乏成为一道亮丽的风景线.
3.7 比例与尺度
威奥利特.勒.杜克（viollet-le-Duc）在他所著的《法国建筑通用词典》一书中，给比例下了这样的定义：“比例的意思是整体与局部间存在着的关系—是合乎逻辑的、必要的关系，同时比例还具有满足理智和眼睛要求的特性.[5]”“满足理智要求”是指良好的比例合乎一定的内在逻辑，“满足眼睛要求”是指良好的比例具有一定的美学价值.例如古希腊毕达哥拉斯学派提出的黄金分割比（1：1.618）以及勒·柯布西耶提出的“模数”理论都是对比例问题经过长久研究之后得出的著名结论.
和比例相关联的另一个范畴是尺度.尺度指的是要素给人感觉上的大小印象和真实大小之间的关系[6].良好的尺度二者应一致，出现的问题一般分为两种：即大而不见其大与小题大做.这两种情况，难免使物体失去应有的尺度感.本文主要提及正常尺度下所表现出来的建筑美.例如，德国乌柏特市游泳馆几何形态的比例尺度就拿捏得恰到好处（图12），立面从上到下依次为：下凹屋面悬索形成的弧线与依据看台被斜向切割成的楔形，以及镶嵌在其中用以连接上部体块和地面的方形，三者几何关系明了，与内部空间功能相呼应，仿佛游泳健将举起双手庆祝胜利，彰显了建筑的几何美.
4 悬索结构建筑的应用前景
大跨结构在目前及未来的相当时间内，仍被广泛应用.悬索结构作为大跨结构的主力军，有着其他结构形式无法比拟的发展潜因：国际性大型运动场馆的需求给予悬索结构跨度大的施展空间；易施工省材料使其备受结构施工方的青睐，例如当建筑跨度不超过160m时，每平方米的用钢量一般不超过10kg；再者，夸张的造型可能性带来建筑设计方设计城市地标的又一参考与挑战.近些年，由于生产和使用需要，悬索结构新的潜能被开发，例如斜拉索、张拉索通过锚具与地面或建筑地环梁锚固产生周边有约束的鞍形或帐篷形，上面覆以膜布，应用于景观小品工程.若将在建筑局部水平放置的悬索结构转为竖向放置，便可应用于大面积玻璃幕墙中.例如拉索式点接驳全玻璃幕墙采用预应力双层悬索结构，设计成对称型，用柔性索作为支撑和固定玻璃的构件，施工时先计算张拉预应力后铺设面板，保障悬索结构发挥正常功效.上述的各种优势和运用，开拓了悬索结构在我国甚至世界范围内的光明前景.
5 结语
本文将悬索结构建筑的技术认知跨越到艺术认知的高度，旨在通过这些尝试，使结构技术与美学艺术在悬索类建筑领域达到真正的融合，进而应用实践于未来的悬索结构建筑中.
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参考文献：
（1）悬索结构Cable Suspended Structure[J].工业建筑，2010（8）：81.
（2）叶献国.建筑结构选型概论[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.4-5.
（3）朱光潜.西方美学史（上册）[M].北京：人民文学出版社，1982.131.
（4）彭一刚.建筑空间组合论[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，1998.35.
（5）黄欢.居住区标志性景观设计研究[D].武汉：华中科技大学，2008.
（6）李俊霞.建筑的比例和尺度[D].南京：东南大学，2004.