建筑中的这些钢结构节点总是超乎想象「钢结构梁柱连接节点图」

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摘要：建筑结构与形式表现艺术的关系是由古至今的热议话题。在钢结构建筑中，结构与形式之间出现了新的关系，其中节点作为钢结构建筑中构造与结构的细部表现，受到了建筑师和工程师的重视。钢结构建筑中的节点以其科学性展现出材料的变化、结构的变化，塑造出不同的立面形式与空间氛围。本文将探讨钢结构建筑中节点的表现艺术。

关键词：钢结构；节点设计；节点表现

1 结构与表现形式的历史背景

维特鲁威说建筑应具有“坚固、实用、美观”的特点，这三个词点出了从古至今建筑中永恒不变的主题：“结构、功能、形式。”关于建筑结构与形式关系的讨论从未停息，每个时代，建造的技艺不同、材料不同、建筑背后的指导思想也不相同，这些原因都使得有关于结构的话题值得被重新讨论。

古希腊的神庙，威严地高耸在山地之上，让人能看出其庄重的柱，简单有力的结构形态（图1）；古罗马建筑中，拱券和柱既是结构同时也体现着形式之美（图2）；哥特建筑中，尖拱券的出现并不只是因为中世纪教皇权利集中的政治文化背景，其背后原因更包含着尖拱券受力的合理性（图3）。文艺复兴时期，建筑师成为独立的身份，不再附属于工匠或艺术家，关于建筑的讨论变得更加主动和深刻。文艺复兴时期的建筑师，将建筑中所有的要素都统一到同一个体系中，他们崇尚古典、和谐的比例关系，这使得他们要处理建筑从内到外所有要素之间的矛盾，建筑被整合成一个整体，不论是结构还是装饰，都要达到一种数的和谐秩序，融入进同一个有着和谐比例的体系之中。阿尔伯蒂作为文艺复兴时期早期的建筑师，致力于使建筑从内到外达到和谐统一的完美比例关系，从对圣母玛利亚教堂立面的探索（图4），到圣安德烈教堂中局部与整体所有要素的完美统筹（图5），阿尔伯蒂开创出了文艺复兴时期的一种标准的教堂形式。从艾森曼考证到阿尔伯蒂这里，建筑学第一次不止关注它的存在——制作法本身，还从内部和外部关注它的存在和表现法[1]。直到19世纪学科分离之前，结构与建筑绝大多数情况下是由建筑师统筹考虑的，正如阿尔伯蒂在论建筑中所表达的思想一般：“建筑物这一整件事情是由外形轮廓与结构所组成的[2]。”19世纪以来，建筑师们不断地探索结构与外在形式之间的关系，维奥莱·勒·迪克是结构理性主义，他崇尚哥特建筑中的结构美，认为建筑应遵循一整套视觉和内部结构相统一的逻辑系统。

图1 古希腊神庙

图2 古罗马建筑

图3 （左）巴黎近郊的圣德尼修道院

图4（右上）圣母玛利亚教堂

图5（右下）圣安德烈教堂

在思想文化的不断演变中，每个人都在自己的理解中处理着结构与建筑外在展现形式的关系。19世纪，随着钢材的发展，以及结构工程师与建筑师的学科分离，建筑结构与形式之间出现了新的关系。由铁架和玻璃建造的水晶宫开启了建筑形式的新纪元（图6），完全暴露出钢结构的埃菲尔铁塔（图7），带给人们难以言喻的震撼（但当时的人们却无法一下子接受这样一个由钢铁塑造的巨型建筑）。水晶宫与埃菲尔铁塔都由结构工程师设计完成，这无疑引出了在钢结构背景下的结构与形式的话题，随着钢结构体系的不断完善，计算机参数化等设计手段的发展，钢结构建筑迎来的是一个发展的高峰，而关于钢结构建筑结构与表现形式的关系的探索与讨论，自19世纪以来从未停歇。

图6 水晶宫

图7 埃菲尔铁塔

2 节点的含义

建筑中的节点，反映着建筑物中多种多样的连接关系，节点是局部的连接，通过这种局部的连接构成系统反映着整体。“所谓节点，就是由各种不同性质的单元体构成，能够独立执行一项或数项不同功能的综合体[3]。”

一个完整的结构体系由不同的受力构件组成，构件则通过节点来实现内部转换和相互连接。节点是受力的合理点，在结构中设计清晰明了的节点，有利于力在结构中有效地传递，能够有效地发挥各构件的力学性能，同时，节点也可能成为建筑中材料的交接处，需要考虑到不同材料的特性，充分体现材料的力学性能。

在传统木结构建筑中，斗拱就承担着节点这样一个重要角色（图8）。在清朝以前，斗拱是结构的一个重要组成部分，斗与拱层层相叠，连接屋顶、梁、柱，实现了力的传递，同时，它具有很强的装饰性，斗拱作为明露的结构，成为中国传统建筑中不可忽视的美学形式的组成部分，以至于到了清朝，虽已不需要斗拱作为承重构件，却依然没有取消这一结构构件。

图8 斗拱

钢结构具有材料均质性好、各向同性、结构总重量轻、塑性韧性好等众多优点，近20年来，我国的钢结构建筑数量迅猛增长，衍生出丰富多样的钢结构建筑的结构与表现形式，而钢结构建筑体系中结构的支撑也依赖于节点，合理的节点构造能够充分发挥钢材料的力学性能，使得工作机理不同的构件能够协同工作，为千变万化的结构形态的稳定提供基础。

3 钢结构节点的科学性

影响钢结构建筑中节点形式的因素有很多，节点的分类较为复杂，根据连接件的位置关系，节点可分为：搭接节点、平接节点、角接节点、对接节点等（如图9所示）；根据节点的连接工艺不同可分为：焊接节点、铆接节点、螺栓连接节点、销栓连接节点、胶结连接节点等（如图10所示）。

图9 根据连接件位置而定的节点分类

图10 根据连接工艺而定的节点分类

钢结构建筑中的节点根据其所起到的作用不同，大体可分为结构性节点和构造性节点。结构性节点是结构构件之间连接的节点，是建筑结构中力的集中点与传递点，起到完成各构件之间力的传递的作用，体现着各构件之间的稳定性和受力平衡，如：杆件与杆件之间的连接、索与索之间的连接、杆件与索之间的连接、构件与支座之间的连接等（如图11所示）。节点处的不同构件受力方式不同，拉力、压力、剪力等不同形式的力都反映在节点处，节点将这些力连接成一个整体，形成一个个视觉焦点，压力在节点处往往雄健有力，增加空间的力量感，而拉力则轻盈明快，给空间增添活跃感（如图12所示）。约翰内斯堡体育馆采用了一种悬挂结构，节点连接了拉索与平衡杆（如图13所示），节点处拉索通过平衡杆处的封板将拉力转化为压力，节点部位的加劲肋增加了节点的刚度和强度，实现了力的平衡。图中拉索显然承受很大的力的作用，维持受力平衡的节点显得强劲有力，体现出节点作为结构构件的力学美[4]。以同济大学B楼中庭大厅的屋顶为例（如图14所示），采用四角锥体系网架结构，支撑起大跨度空间的覆顶，采用螺栓球节点（如图15所示），具有节点部位没有偏心、受力状态好等优点。

图11 结构性节点

图12 节点的视觉焦点

图13 约翰内斯堡体育馆采用的悬挂结构

图14 同济大学B楼中庭大厅的屋顶

图15 螺栓球节点

构造性节点，连接的是钢结构建筑的附属功能构件与结构构件，是皮与骨的连接，节点处不同的材质有着不同的肌理变化和材料质感，如钢材与玻璃、钢材与膜材等，这些不同的材料在节点处形成强烈的对比，展现出各种材料的冲突，节点使这些材料在冲突中形成一种和谐、稳定的关系，突出不同材料的交融（如图16所示）。以玻璃幕墙与受力构件之间的连接为例（如图17所示），玻璃幕墙与结构构件之间的连接方式较为多样，如明框式玻璃幕墙构造、隐框半隐框玻璃幕墙构造、全玻式玻璃幕墙构造、点支玻璃幕墙构造等。例如上海当代艺术馆的玻璃幕墙即采用点支玻璃幕墙构造，“每块玻璃的四个角分别由不锈钢支撑爪件作四点固定，在支撑爪件背后设有11mm的钢索系统纵横绷紧固定[5]”，如图18所示。这种点支玻璃幕墙更强调玻璃的通透性，使得建筑外立面更具特色、内部空间更显开敞。正是由于节点构造的不断进步才更好地展现了不同材料的特征与性能。

图16 构造性节点

图17 玻璃幕墙与受力构件之间的连接

图18 上海当代艺术馆的玻璃幕墙即采用点支玻璃幕墙构造

4 钢结构节点的艺术性

节点的艺术性一方面体现在其本身所展现出的力学美上，另一方面体现在节点对建筑表现形式与空间的塑造中。节点的设计可以丰富建筑的立面，构造节点在联系建筑的表皮与骨架时，会带来立面上的肌理，充分利用节点的形态，可以突出立面的表现形式。如东京国际会议中心的玻璃幕墙的节点设计，突出了简洁有力的立面形式（如图19所示）。

节点的设计可以成为内部空间塑造的重要形式，节点往往设计于结构的转折处，结构的转折通常会带来空间的变化，因此节点的设计对于空间的变换与界定有着重要意义。如雷诺中心中廊道的设计（见图20），在圆柱形钢管上套了单独设计的构件，完成工字形和圆形截面的结合，同时钢柱与横档共同界定出廊道空间。

图19 东京国际会议中心的玻璃幕墙

图20 雷诺中心中廊道

节点的连接方式同样对内部空间的塑造起着重要作用，节点的设计不只是局部设计，它对于建筑整体有着不可忽视的影响，如螺栓球节点展现出的是灵活轻盈的特性，焊接则更具力度，在汉堡航空港候机楼和日本关西国际机场的巨大钢管桁架中，采用直接连接的方式相贯焊接（如图21所示），没有多余的连接构件，节点体系干净利落，营造出开敞的大空间。

图21 相贯焊接

节点作为结构和构造上起到起承转合作用的重要部分，在设计中体现着受力特点和材料的多样性，每一个转折都体现着材质的变化、力的作用以及光影的变化。节点系统的设计在钢结构建筑中起到重要的作用，它作为局部，与建筑这一整体系统融为一体，形成一个由内而外、由局部到整体的逻辑系统。正是因为节点设计的复杂性和多样性，在节点处才更能体现一个建筑师的设计思想，或轻快或有力，或质朴厚重，或变化多样。建筑师在细节处追求精致的构造，如结构收头的处理、材料交接的转折等，精致的节点设计可能看起来一目了然，却能精确地融合入整个建筑，与其他构件一同构建出尺度、层次均丰富细腻的空间。