养出些匠气

　　关于这组专栏
　　应《建筑技艺》朱晓琳老师的邀请写一组专栏，但应邀时并未确定专栏的主题。作为谨慎且懒惰的人，本想连载一些优秀论著的译稿，如此既能保障质量，又不至于两三篇后便江郎才尽。但一则外文翻译并非我的强项，不敢仅凭个人的阅读癖好来浪费读者时间；二则既然有了专栏的形式，为何不敦促自己专注讨论些有持续性的话题，改一改多年来杂而不精的积习？恰逢朱晓琳老师与赵法中老师惠赠了一本我近来许久寻而未得的《FormandForces》（姑且译作《形与力》），遂下决心写一写与结构相关的学习心得和讨论，作为写字较多的建筑师，也仅能以此致谢而已。
　　希望这次写作的历程，能帮助我放下既往略显虚妄的宏大，回归到更具体甚至琐碎的问题讨论中去，借由建筑结构这门扎实雄辩的技术，减少那些过分依赖形式逻辑的论证，力求让更多朴素真实的建筑学问题纠缠于讨论之中。
　　在正式开始上述话题之前，我们权且在本文中将前提性的疑惑以及此前零散的体会一并分享一下。
　　困惑：建筑师需要学计算么？
　　建筑师需要学计算么？这或许是许多建筑师在涉猎结构知识时最先关心和焦虑的问题。
　　西班牙结构大师爱德华托托罗哈曾说过：对应力的演算仅服务于检查并修正那些由设计师的直觉构想出的结构部件的尺寸，但作品本身却绝非源自演算！当然这并不是说结构计算不重要，只是这句谶语给像我这样不识数的建筑师划定了一片可以暂时放下计算的乐园。尤其在我国，多数结构定量的工作更应定义为验算在实施计算之前，结构体系以及具体结构的布置往往已经被确定下来了，结构师更多是通过将梁、柱截面控制得更小来策应建筑空间诚如托罗哈大师所云的作品本身却绝非源自演算。在对具体结构构件定量之前，必然经由推敲那结构是什么的定性思考。定性的对象通常是结构体系以及具有普遍意义的结构形态对建筑师而言，这些宏观和中观层面的形态对建筑外形及空间的塑造往往起到决定性的作用。
　　其实，真正将结构诉诸计算来确定实施尺寸已是19世纪以后的事（尽管早期的尝试在17世纪就由伽利略发起了），至今仅有两百年左右的历史，这在漫长的建筑历史中是相当短暂的。铁在桥梁及建筑中的应用，以及对铸铁与锻铁分别在承压与承拉性能上的区分（图1），让工程师得以将构件中的复杂受力解析为简单力的组合这是结构计算的前提，也是结构师与建筑师专业方向的分水岭。力的解析不仅诠释了已知结构的工作原理，更重要的是：它更精确地优化了对结构的设计，并成为发展出远为复杂的现代结构体系的基础。于建筑师而言，深入理解不同结构体系中力的解析原理，对以下两个方面大有裨益：（1）在设计中预判结构形态；（2）基于设计构想巧妙选择结构体系。这种关于原理的理解认知，似不必涉足详细的计算。
　　在18世纪之前的全部建筑历史中，处于建筑与结构尚未分科的广阔疆域，此中，结构受力之复杂度或止于在平行四边形分解中洞悉拱券的侧推力而已。在这数千年的进程中，荟萃了人类绝大多数的建造成就与智慧，那些基于一般常理与技术措施建立起来的结构体系非常匹配建筑师们的知识构架。举个例子，哥特建筑中用于抵抗侧推力的气势恢宏的飞扶壁很容易帮我们理解路易斯康用混凝土拉梁平衡拱脚侧推力的妙处，而在文艺复兴的拱券中，我们居然发现那并不是康的独创（图2～4），如此收获的，往往是一种意想不到又超越时间性的结构观念。在历史建筑中建立起对砌筑拱、砌筑墙体以及木杆件的认知，是探求诸如壳体、剪力墙以及框架结构等现代结构体系的一条捷径，不仅沿途风景如画，还能成功地避开关于计算的挂碍。
　　当然，经由计算获得结构定量是非常重要的，
　　不计算的筹谋更多来自建筑师面对这一已分化了一个多世纪的专业鸿沟的兴叹。那么，除了在既有力学研究基础上通过理性方法推演之外，还有什么能获得结构形式的方法呢？实验！实验不仅成就了历史上那些伟大的结构，更是现代结构发现以及论证的最重要方法。姑且抛开加载实验以及经典的倒悬链对低矢高拱形态的定型论证不谈（图5，6），多相工作室的结构师刘粟老师曾给我讲过一个非常精彩的结构实验的故事：迪埃斯特把马赛克贴在一张薄纸底部，手持一端令另一端放松，就获得了一个下部马赛克受压、上部纸片受拉的绷紧的稳定悬挑结构。当然，那好似刀尖上行走的配筋体系以及最终定型的海鸥悬臂形态需要高超的定量手段，同时也融汇了托罗哈的结构精髓，但对于结构思想而言，那大巧若拙的实验堪称妙手震慑人心的往往是那些至简的常理。在这些智慧里，从未有过什么建筑与结构的分野，那也本该是建筑师未曾放弃的领域。
　　关于方法的体会
　　仅凭结构专业的爱好者身份，我拿不出什么令人信服的方法。但也许我谈方法的底气也正来自爱好者的身份一个这么苦闷的工学学科，如何才能接应建筑师那缥缈不靠谱的情怀？对建筑师而言，爱上这门学科远远比学好它重要，必须让它有情，有趣。
　　从认识桥梁开始，也许是最简洁有趣的入门方法。字面上看，桥梁的梁不正是建筑结构中实现跨度和悬挑来架起屋顶的那个构件么？在人类抵抗重力以获得空间的抗争中，建筑技术的发展史就是一部屋顶结构方式的演进史。人类工程学的每一步进展，几乎都是首先实践并成熟于桥梁领域，而后才应用于建筑的。且不提现当代，单看看古罗马的竞技场，不就是一圈卷起来的输水桥么（图7，8）？而更有趣味的例子，莫过于清明上河图里那座木编的虹桥，扶摇直上便成了炫目的藻井
　　对于学习结构体系的顺序，《形与力》一书中的顺序大出乎我的意料，细想来，却又极合乎情理。在这本波士顿结构组（BostonStructuresGroup）编写的教材中，第一章居然从体系复杂的悬索桥结构讲起。不过细品一品，这样的设置可谓是用心良苦：越复杂的结构体系，就越有机会通过区分受力来简化单个构件的结构职责，对于习惯于识图的建筑师而言，理解结构体系的总体形态也总比研究单个杆件的复杂受力更容易些。柔性悬索毫无悬念的受拉性能让那略显复杂的悬索桥形态变得无比直观（图9）；相比之下，桁架梁的腹杆排布尽管从形态上更具几何规律，但从外观相同的杆件中辨认受压杆、受拉杆以及零杆则显然需要更高阶的训练（图10）；而对于形态上最简单的超静定框架结构，要判断其剪力和弯矩的方向及变化趋势（图11），对于不考一注的建筑师而言，显得有些不可理喻。
　　对此，需要有更针对建筑学专业的结构教学，而三大力学理论力学，材料力学与结构力学的刻板顺序就似乎缺了些对建筑学学科应用的基本理解。从建筑师的需求出发来理解结构，确需先学理论力学，但仅需浅学，能理解拉力、压力、弯矩及力偶等基本概念的作用原理足矣。材料力学由于其研究对象的微观，使其离建筑学的应用最远，研究材料的破坏固然是验算和推敲技术措施的前提，但在对结构体系的认知中，却几乎可以暂不涉及应力。相比起来，最要深学的是结构力学，不但要学，还要背，哪怕尚不能完全理解，能照猫画虎地将结构单元弯矩图的基本型背全，对理解和学习结构形态大有裨益。久之，随着对结构力学理解的深化，理论力学的精进则成为必须，返回头重学，造诣提高自是指日可待的；若再细精研，初窥材料力学之门径亦非难事。总其大要，都是要从最直观处入手：譬如对弯矩图的掌握，从预判杆件弯曲的趋势开始，其进益亦应远胜抛物线的二次函数演算。
　　最后谈谈情和趣，结构的情除了那些震慑人心的奇观如埃菲尔铁塔、耶拿天文馆等之外，多数都寓于建筑名作之中，而这也正是建筑师本门的领域。与其对着板柱结构中的柱帽扼腕切齿，何不去体会下约翰逊制蜡公司大厅里莱特的无梁楼盖（图12）的快意？此后，我们也就更容易理解辛克尔如此执着地杂交加泰罗尼亚拱与鲁西永平拱（图13）的空间用意了。结构的趣则更多来自对结构形式表现潜力的开发，如因莱特的应用而被奉为现代主义经典的转角窗，只要熟悉弯矩图就不难理解：带悬挑的连续梁在悬挑段的弯矩可有效平衡相邻跨中的最大弯矩（图14）。而莱特的妙手恰在于挖掘了这种结构形式的空间趣味，之后如密斯和康在处理框架结构转角时都不在转角处落柱而令其悬挑，康的悬挑段更是依据自由端弯矩为O的特性而减小了预制梁端头的截面（图1517）。
　　将建筑学的情和趣带回到对结构的学习中去，不仅能让略显枯燥的工程知识学习变得妙趣横生，对建筑名作本身的理解也有望进入不同的境界。更重要的是，这些也许是对结构选型以及演习建筑与结构相配合的最高阶训练了。
　　匠气
　　说了许多，建筑师究竟为什么要学习结构呢？如果仅仅是为了与结构专业的配合，那么似乎只要多参加落地工程就可以了。我们前面只讨论了在结构里注入建筑的情趣，却忽略了结构本身别具的情趣，而建筑中的那些情趣，又怎么可能抛开结构呢？建筑师如此热衷于跨界却难以被结构打动，大概是分科太久，又离得太近，灯下黑所致吧？
　　如今，建筑师手头的工作越来越不及物，结构不仅由情人沦为路人，甚至多被视作仇人。建筑学原本是一门奔腾着磅礴匠气的学科，我以为今天的建筑师温习结构，工程知识尚在其次，更重要的是养出些匠气。
　　当然，对技术的热衷亦不乏过犹不及者，将技术作为决定一切的依据。我以为建筑师学结构，最终一定是为了表现的：为了表现那巨大造物所以矗立于斯的根本，以及那些由不得你我的造化的物性。就如弗兰姆普敦的建构，最终所欲者其实是诗学那由不得你我的物性恰似先在的语言结构，当我们越来越关心怎么说而非说什么的时候，话题似乎总会这样不知不觉的宏大起来，同时也就到了该闭口埋头的时候了。
　　推荐几本好书
　　最后推荐几本对我个人帮助较大的好书，后面专栏里分享的结构笔记，也都将基于对这些论著和教材的学习。专栏中的分享其实也只是抛砖引玉，最有价值的所得一定来自每个人孤独的阅读历程。
　　前文提到的《形与力》（FormandForces）是英文书，目前国内尚无译本。这是一本写给建筑学专业的结构教材。从入门角度讲，该作循序渐进的分寸拿捏可谓恰到好处；但从这本书所能达到的深度却或许远不止于入门这同时也是一本适合结构专业人士阅读的理论。只要有初中力学的基础就可以开始阅读此书，三大力学的知识分别在恰当的时机交织于不同的结构体系进行阐释，难分彼此。对于结构形态，从总体形式到构造节点细部都讲述得极其清楚。初读时可无视有关计算的部分，但如果想学习计算，此书也可谓是最浅近睿智的门径。无论是从原理的启发性还是从扎实的知识体系来看，这本波士顿结构组的力作都值得精读。
　　在国内的教材中，罗福午、张惠英、杨军编著的《建筑结构概念设计及案例》一书可谓经典，这本教材被作为众多高校土木工程专业的拓展阅读教材，却似乎从来没有发到建筑学专业学生的手里，这是非常可惜的事。该书中对以托罗哈为代表的许多结构大师的名作都进行了深入浅出的概述，并围绕这些案例建立起了生动的结构概念体系。建筑师要建立结构思维，此教材与下面提到的川口卫的著作都可作为入门首选。
　　日本结构家川口卫、阿部优等著的《建筑结构的奥秘》（有清华大学出版社的中译本）。是一本极其浅近放松的书。该书以结构体系分类为纲，不但从历史上追根溯源（结构论著中讨论历史的非常少见），还列举了许多平实易懂的例子来化解结构专业知识以及专业术语带来的理解困扰。不但建筑师能读懂，少年儿童应该也没问题这是此书最出众处。
　　日本建筑构造技术者协会遍的《日本结构技术典型实例100选战后50余年的创新历程》（有中国建筑工业出版社的中译本）是一本非常全面的日本结构案例汇编。这本书表现了日本人典型的滞重与精炼，案例全面，针对案例的阐释要点清晰，言简意赅，无论是作为指导技术选型的通论阅读，还是针对具体结构技术问题查阅的工具书，都非常明了。
　　如奈尔维的《建筑的艺术与技术》（有中国建筑工业出版社的中译本）以及爱德华托托罗哈的《托罗哈的结构》（TheStructuresofEduardoTorroja，国内尚无译本）都是顶尖结构大师阐释个人结构成就的论著，现身说法，精彩纷呈。此外，斯坦福安德森的《埃拉蒂奥迪埃斯特：结构艺术的创造力》（有同济大学出版社的中译本）一书尽管不是大师本人论著，但别有一派从旁梳理的清晰。若将迪埃斯特的结构体系与托罗哈的相互参详，则更有妙处。
　　最后，美国林同炎与斯多台斯伯利著的《结构概念和体系》（有中国建筑工业出版社的中译本）是理论体系非常深厚的结构论著，对于精益求精的建筑师而言，可谓观止之作了。如能融会贯通，转行当结构师亦无不可。