試論交通建筑的結構節點美學

胡映東 沈百琦 邱明兵

[摘要]交通建筑的結構節點是力匯集與消散的樞紐，在結構體系中至關重要。節點設計不單要解決工程問題，同時也是一種藝術創作，通過將節點形式與結構力流的傳導規律進行比較印證，論述交通建筑節點設計是一種理性的藝術創作過程，能夠將不同材料、構造形式與結構力學性能等特質轉化為可感知的建筑美學，實現力與形的有效協同。

[關鍵詞]交通建筑；結構節點；美學；材料；力

[Abstract]For traffic architecture， the structure joint is the hub for force to gather and disperse， which plays a crucial part in structure system. Joint design is an artistic creation that solves engineering problems. By comparing and verifying the joint forms and conduction rules of the struct-ure force flow， the article argues that traffic architecture's joints design is a rational artistic creation that transforms various materials， structure forms， structure mechanics and other characteristics into perceptible architecture aesthetics， and realizes the synergy of force and form.

[Key words]Traffic architecture； Structure joints；Aesthetics；Material；Force

[基金項目]本文系中國建筑學會學術研究課題“交通綜合體過渡空間優化設計研究”（項目編號：asc-kt2014008）和教育部規劃項目“應對氣候環境變化影響下的城市住區低碳交通規劃設計研究”（項目編號：15YJA760041）階段性成果。

結構技術與建筑美學的研究由來已久。P.L.奈爾維在《建筑的藝術與技術》中將建筑定義為“技術與藝術的綜合體，而非是技術加藝術” [1]。《Structure as Architecture：A Source Book for Architects and Structural Engineers》認為結構并非簡單的技術構件，不同的結構形式能帶來美感（Andrew Charleson，2014）[2]。結構設計不僅注重如何實現建筑物的堅固穩定，更關乎視覺效果和人文關懷；在讓建筑更美觀的同時，不應忽略結構與形式間的互饋。

作為引領技術與時代風格的一類大型公共建筑，現代交通建筑展現當下的建造技術和設計理念，其結構體系不僅要維持建筑物的安全與穩定，更應促進結構內在規律與可感知的外在形式之間的關聯與融合；不僅要體現結構的建構原則與策略，也應反映理性和詩意并重的結構表現觀。將結構和形式完美結合是設計者畢生的努力與追求。合理的結構形式兼具經濟、穩定、耐久、節約資源等優勢，美學則提升建筑的地域特點和審美價值，形與藝的結合才能創造詩意且合理的交通建筑。本文嘗試將節點形式與結構力流的傳導規律進行比較印證，論述交通建筑節點設計是一種理性的藝術創作過程，能夠將不同材料、構造形式與力學性能等特質轉化為可感知、充滿詩意的“剛、柔、巧”之美。

一、節點重要性

建筑設計立足于美學，結構設計立足于力學，結構美學源于對力學原理和力流規律的創造性加工和詮釋。力流（Flow of Forces）是指結構對荷載進行接收、傳遞并釋放，并形成了完整的力的流程。力流可以分為客觀的“力的作用”和主觀的“力的感覺”兩部分，后者也稱為力量感。結構美學是通過結構體系的力學與力相抗衡的特性、材料的外在表現力等實現，并進行建筑形體的塑造，利用觀者對力的感知、聯想及情緒等主觀感受來強化不同的視覺和心理體驗[3]。

結構構件工作過程中始終伴隨著外力與內力、作用與反作用力間的動態平衡。節點作為結構系統中重要的樞紐，承擔三個作用：一是作為最佳傳力途徑上的關鍵點，節點須改變力傳遞方式與方向，有效地進行各項力的連接、轉換，確保安全可靠地承擔和傳遞荷載，達到力的匯集、分散及平衡。節點在結構體系中至關重要，節點的形式與材料選擇是保證荷載有效傳遞的基礎；其次，節點還關乎能否以合理的節點力矩形式以提高結構的安全、穩定和整體性，特別是抵抗突變應力的能力；第三，節點設計還反映連接材料、連接方法及施工安裝等要素[4]。

二、節點與材料

材料是節點力學傳遞與轉換性能的決定性因素，決定結構抵抗破壞與變形的能力。不同建筑材料的節點物理形態不盡相同，是因其強度與剛度、加工性與耐久性等不同方面的力學特性。另一方面，材料本無情感色彩，透過肌理、視覺、觸感等傳遞信息，人在認識材料時的心理感受賦予材料以性情。設計者借助材料的力學特質和性情差異傳達建筑性格與美學意境，使結構體系呈現厚重或輕巧、粗糙或細致、張弛或緊湊的視覺差異。

（一）混凝土

混凝土抗壓、不易腐蝕、取材方便、價格低廉、耐久耐火性好、可塑性與整體性好、加工及施工工藝簡單。與鋼筋組合形成的鋼筋混凝土，其整體性得到加強。混凝土的藝術表現形式多樣：既可加工光滑平面以展現細膩之美；也可保留澆筑印痕以表達粗獷而質樸的一面；在節點上，常根據構件交接情況而隨意變化，適應性強。

（二）磚、石

盡管因現代施工技術、環保及新材料而逐漸退出，但磚石材料與生俱來的鄉土氣息和親和力仍無法替代，可以呈現出粗野冰冷或親切溫暖的藝術效果。磚石抗壓性能強，但抗拉、抗剪切破壞能力極弱，因此在節點設計時應借助磚石塊材間互相咬合以消解轉化拉力和剪切力，形成變化有致的磚縫線條。

（三）金屬

鋼材等金屬材料具有良好的剛度和強度、韌性和彈性、耐沖擊、性能可靠、良好的焊接和鉚接性能等特性，亦美觀耐用，具有裝飾效果。節點形態多樣，易加工成型，可采用焊接、高強螺栓和混合等連接方式。鋼材表現力豐富，可展現精致、隱約及輕盈的視覺效果。

三、節點的藝術性表現

節點的藝術性基于力學特性，并通過人們視覺和心理接收感知該節點不同受力之間傳遞、轉換的力量；并被賦予不同寓意，以傳遞設計意圖，展示不同地域文化符號。節點的藝術創作，其核心在于充滿詩意且可感知的構造能力。

好的結構形式能保證最佳的力流傳遞路徑，實現能量的有效轉移；好的節點設計在于力流的合理組織，應遵循力流路線最短、力流轉向平滑和力流均布等原則，充分利用材料性能，讓各處截面的力流密度相對均勻，避免應力過分集中和梯段變化過大。力的傳遞軌跡形成力線，力線匯集形成力流，而力線的密集程度（即力流密度）則反映出力的大小。通過節點處的力流、力流密度與節點構件的幾何形狀進行比較，可以分析結構美學與力學受力的關聯[5]。

（一）力量美

清晰的節點形式、合理的傳力邏輯能激發視覺效應，讓人直觀地感受力在節點處的轉換及流動，展示節點的力學性能和力量感，無論是體現雄健與粗狂的男性形體，或是展現女性婀娜線條與體態的節點細節。

華盛頓杜勒斯機場候機樓采用纜索和塔架相結合的懸索結構體系，高強度鋼索的軸向拉伸來抵抗外荷載，實現了減輕大跨度結構自重的目標；塔架為鋼筋混凝土結構，底部向外彎曲外翻，既是結構受力需求也是節點藝術性的表現。該處節點與地面相接呈一銳角，并做圓弧形倒角，線條富于力量、動感而不僵硬。倒角處理符合力流最短路徑原則，即力流傾向于沿最短路徑傳遞，最短路徑附近力流密度集中，并具有下列作用：一是通過倒角增加了支座反力的力臂距離，抵抗基礎內部因受力不均而沿建筑內部向上扭轉受力，而增加的用于抵抗結構彎扭的基礎外部內應力。倒角的作用也為結構底部支座增加了支撐鏈桿，使之不能作向上方的旋轉或移動；第二是利用力流最短路徑原則使得力流直接穿過柱腳外側的三角區傳導至地面；第三是避免力流方向急轉而造成轉角處應力過分集中[5]27；最后是增加了節點的藝術魅力，使節點兼具平衡感和力量感（圖1、2）。 同樣，在黑川紀章設計的吉隆坡國際機場航站樓中，柱子截面上小下大，逐步加大，利于向下傳遞過程的應力分散和鋼結構穩定性，也增加了視覺穩定效果（圖3、4）。

因此，采用上細下粗、端頭曲線型等過渡形狀處理的節點設計，能避免力流方向急劇轉折造成的應力集中，同時有變化、曲線細節也增強了建筑形體的力量感和爆發力。

（二）穩重美

規則方正的經典結構布局和受力傳遞方式，給人舒適的心理安全感。與彎剪結構相比，拱結構具有跨度大、承載力高、截面尺寸小、變形小的優點。拱腳產生水平推力，并將豎向荷載產生的彎矩大部分轉化為軸向壓力，使得拱節點的連接方式較為簡單。拱截面上的應力分布較均勻，適合抗壓較強而抗拉性能較差的磚石、混凝土等材料，也利于強化節點的穩重感。

交通建筑也常用的梁式結構體系，受力簡單但需注意梁與柱的搭接長度不應小于柱寬的1/4，過短會使柱承受軸側彎矩而降低承載能力。如阿姆斯特丹地鐵站外側柱均承托三個方向的梁，柱頭節點向外擴大形成牛腿，增大柱與梁的接觸面積，使對向梁荷載沿柱中心向下傳遞。既符合結構的受力特性，視覺也更顯穩重。（圖5、6）

（三）輕盈美

模仿自然界樹木生長形態的樹形柱，其桿間連接方式給人以輕盈感，與之相似的還例如Y字形和多枝型的雙向或多向匯聚結構形態。樹形柱的結構計算以軸線傳力為主，但為了應對剛度突變時的應力集中現象，交接節點處宜以微曲線過渡，必要時通過增加肋板以加強某一方向上的剛度，實現應力分布較均勻，使得構件間連接成連續曲線以利于內力傳遞，因此在造型上也呈現出流線美（圖7、8）。該節點特性包括：（1）力傳遞路徑簡潔明了；（2）多向匯聚的結構方式提供了更多的傳力路徑，適合屋面不同方向和部位的不均勻荷載通過樹形柱有組織地分配，實現了整體平衡[4]47-48；（3）支撐范圍大，能降低結構高度，滿足交通建筑大跨、大出挑的空間網格屋架結構形式；（4）Y型或交叉型產生的圖形感、序列感賦予空間以韻律并幫助限定空間，形象突出適合公共建筑使用（圖11、12）；（5）將柱與屋面柔和過渡并融為一體，柱子在大空間內不顯突兀；（6）如哥特束柱般將視線吸引向上，通過豎向線條和空間劃分創造升騰的視覺體驗，增加細部感染力。例如斯圖加特機場T3航站樓結構采用大型的樹狀支撐結構體系，通過三級分叉使得橫向分支出挑深遠，支撐交通建筑的大跨空間。節點巧妙地將斜豎桿件用曲線進行再次連接，既加大了節點的穩定性，也節省了建材。整體流線自如，飄渺輕盈，宛如置身一片鋼鐵森林之中[4]（圖13、14）。

結語

好的結構設計能引發人們無盡的感知與聯想。當與力抗衡的特性被用于空間和結構塑形時，觀者感受也被激發創造不同的空間體驗。在結構美學的四個構成要素：力與力量感、材料選擇、構件節點、組合構型之中，材料與構件節點的選用將影響結構體系的完整性與結構美學。好的節點拋棄了繁蕪的形態，簡潔而直接，是對結構最忠實的表達。力流分析為節點設計與結構美學認知提供了直觀而準確的理論依據和實證參考，并籍此優化節點。總之，節點構造不但解決了工程問題，也成為一種藝術性的建筑表現手段。設計者在掌握不同節點的材料選擇、節點受力的基礎上，結合力所帶來的力量感、材料的特性、多形式運用，實現理性系統向詩意建筑的轉變。

隨著建筑參數化技術與結構有限元分析技術的深入研究，基于復雜形態與力學機制的統一性研究必將有助于力與形關系的重新參數化定義、建構和動態協同[6]。

致謝：康杰參與繪制本文部分配圖，在此表示衷心感謝！

參考文獻

[1]P.L.奈爾維.建筑的藝術與技術[M].黃運昇，譯.北京：中國建筑工業出版社，1986：2-21.

[2]海諾·恩格爾.結構體系與建筑造型[M].林昌明，羅時瑋，譯.天津：天津大學出版社，2002：12-17.

[3]張敏龍，吳斌.節點——建筑中的亮點[J].華中建筑，2004，24 （6）：50-51.

[4]姜妍.點的建構與技術表現[D].南京：東南大學，2008：47-51.

[5]程建偉.合理力流原理在軸類零件結構設計中的應用[J].煤，2004，13（2）：27-28.

[6]蘇朝浩，林康強，冒亞龍.力與形的數字建構與調度——基于海帕殼體結構力學機制與建筑參數化設計之協同[J].新建筑，2016，34（4）：100-102.