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扎哈遺作背后的建筑設計史脈絡:北京新機場源自肥皂泡的靈感

 來源:騰訊新聞 作者:大象公會    日期:2019-10-25 18:00:00

大興機場最具識別度的“扎哈元素”,除了核心區和五個手指形廊道組成的酷似“鳳凰展翅”航站樓外觀,就是建筑內部的8根C形柱。首先開創了C形柱的,是德國建筑師弗雷·奧托。不過遺憾的是,在所有參與設計的單位發布的媒體稿件和學術文章中,均未提及弗雷·奧托對C形柱的研究。

--摘要

9月25日,北京大興國際機場迎來首航,標志著該機場正式投入運營。



大興機場,全稱是北京大興國際機場(Beijing Daxing International Airport,IATA:PKX,ICAO:ZBAD),位于大興區和廊坊市廣陽區之間。2015年,機場航站樓工程開工建設;2017年6月,航站樓鋼結構封頂;2018年12月,機場跑道道面全面貫通;2019年,主體工程全部竣工。


作為「扎哈遺作」,大興機場航站樓的曲線式設計體現了已故英國建筑師扎哈·哈迪德強烈的個人風格,受到輿論的廣泛關注和討論。



其中最具識別度的「扎哈元素」,除了核心區和五個手指形廊道組成的酷似「鳳凰展翅」航站樓外觀,就是建筑內部的8根C形柱,支撐起了投影面積達18萬平方米、重量超過3萬噸的屋頂。


Hufton+Crow


這些C形柱如同花朵一般,從屋頂自然延伸到地面。白天,陽光從天窗中傾瀉而下,給人以開敞、通透、流動之感,令航站樓內基本可以做到不開燈。


Hufton+Crow


不過,大興機場并非扎哈的個人作品,C形柱也并非是這位偉大建筑師的獨創。


扎哈的遺產


2011年,北京新機場航站樓建筑方案設計招標項目啟動后,共有7家國際頂級建筑事務所及聯合體的投標方案入圍


最后落成的新機場,是其中多方融合的產物:主體結構和運營機制上以ADPi方案為基礎、建筑藝術上吸取扎哈投標方案的諸多造型元素、融合北建院與民航院聯合體所提出的「二元式」布局概念,并采用雙層出發車道邊,是一套「設計、運營一體化」的綜合建筑方案。


以下是來自不同國家的七種項目方案 :


英國福斯特及合伙人建筑設計事務所(FOSTER + PARTERS LIMITED)


北京市建筑設計研究院(BIAD)及中國民航機場建設集團公司(CACC)聯合體


法國巴黎機場工程公司(ADPi)


英國扎哈 哈迪德事務所(ZAHA HADID LIMITED)等5家聯合體


上海華東建筑設計研究院有限公司與新加坡CPG咨詢有限公司聯合體


美國HOK建筑事務所與荷蘭NACO機場咨詢公司聯合體


 英國奧雅納工程顧問公司(OVE ARUP&Partners)與英國羅杰斯建筑事務所(RogersStirk Harbour&Partners)聯合體


其中8根C形柱的設計,便是新機場建成方案吸收的「扎哈投標方案的諸多造型元素」之一。


扎哈·哈迪德事務所對C形柱的使用,可以追溯到在2013年建成的塞克勒蛇形畫廊咖啡廳。



塞克勒蛇形畫廊2013年9月28日開幕于倫敦肯辛頓花園。新開的蛇形畫廊與原有的畫廊相距僅7分鐘路程,建筑前身是一座建于1805年的火藥庫,現在成了蛇形畫廊的第二藝術空間。


在這個項目里,扎哈·哈迪德的設計包括對火藥庫的更新改造,同時在建筑一側加建一個現代風格的咖啡廳。這也是扎哈·哈迪德繼羅馬MAXXI之后,在歐洲設計的第二個藝術空間建筑。


擴建部分與原有建筑的關系


在擴建部分,扎哈·哈迪德實踐了她們研究了很長時間的「曲線結構表面」——為了和原有的歷史建筑形成對比,擴建的部分采用了21世紀典型的輕盈通透、富有動感的、當代特征鮮明的玻璃纖維織物膜屋頂,與平和穩重的古典建筑形成互補。



這個定制的玻璃纖維織物膜也是建筑承重結構的一個部分。同時,為了支撐屋頂中部的重量,提高建筑采光,在咖啡廳內部開創性的設計了五根C形柱。



C形柱是一種單側開放,頂部開口的倒錐形屋頂支撐形式,因截面呈C形而得名,其形體如同傾倒而下的牛奶,塑造流動性的同時,上方的開口為室內提供了充足的光源,解決了建筑的日間采光。

此外,C形柱外形豐富了建筑屋頂的空間層次,讓人聯想到細胞結構的造型。


C形柱結構示意


雖然塞克勒蛇形畫廊只是一個不到一千平米的小項目,但這個項目驗證了C形柱作為屋面支撐結構的可行性。


北京新機場的項目設計引入扎哈·哈迪德事務所之后,C形柱的設計也隨之進入了新機場。


不過要了解C形柱在建筑設計中的原型,還需要再向前追溯,從另一位著名建筑師說起。


弗雷·奧托的肥皂泡


首先開創了C形柱的,是德國建筑師弗雷·奧托。



奧托1925年5月31日出生在德國的西格瑪,在柏林長大。二戰期間,弗雷·奧托在納粹空軍中擔任飛行員,在紐倫堡附近被俘,在法國沙特爾度過了兩年戰犯生涯。


戰俘營時期,弗雷·奧托擔任建筑師,學會了使用手頭極為簡單的材料建造不同的建筑結構。


2015年,弗雷·奧托因其輕盈通透的帳篷式建筑結構,以及其他獨樹一幟的工程作品被授予普利茲克獎。


普獎評委評價弗雷·奧托時說:「他從大自然及其機制中發現靈感,尋求以使用最少物料和能量的方式來包圍和覆蓋空間。早在可持續發展被正式提出之前,他就已開始實踐并推進這一理念。他的靈感來自于自然現象——無論是鳥類頭骨、肥皂泡沫,還是蜘蛛網。」


比起建筑師,奧托本人更愿意將自己看作自然科學家,相較鋼筋水泥,奧托近似偏執地從自然形態中尋找靈感。


在他的設計原型里,出現最多的是肥皂泡。在他看來,肥皂泡能自然延展以達到所謂的「最小曲面」,膜材料在所有方向的受力是均等的,它的形式遵從自己的規律,并不以設計者的意志為轉移,形式和結構在此形成了一個不可分的整體,共存于不可變的形體中。


1997年,弗雷·奧托和Christoph Ingenhoven一同參與了德國斯圖加特火車站翻新工程的設計競賽,并最終獲得了一等獎。


在這個方案中,奧托實踐了自己基于肥皂泡的C形柱研究。


斯圖加特火車站翻新工程設計方案/弗雷·奧托和Christoph Ingenhoven


斯圖加特原有的火車站建于19世紀,隨著德國高速鐵路的建設,原有的車站已經不能滿足使用需求。


為了不破壞原有城市肌理,弗雷·奧托和Christoph Ingenhoven的方案是在原有的火車站底部12米建設一個新的高鐵站。


斯圖加特火車站翻新工程設計方案/弗雷·奧托和Christoph Ingenhoven


為了實現地下車站良好的通風和采光,在支撐站臺屋頂的結構上,弗雷·奧托開創性的使用了C形柱的設計,從而保證車站能夠實現「零能耗」,不需要加熱,冷卻或機械通風。


同時,開敞的屋頂結構也為市民創造了一個別樣的廣場空間。


當然,創新的結構設計也為施工帶來了很大的難題,從1997年設計競賽開始,車站經過了漫長的討論和結構論證,目前,這座建筑仍未完工。


此外,火車站也和德國柏林的新機場(勃朗登堡機場)一樣,遭遇到了嚴重的預算超支。


1997年,弗雷·奧托和ChristophIngenhoven拿下設計訂單時,德鐵、聯邦、巴符州和斯圖加特市政府所預計的工程造價僅約合25億歐元;等到2004年的經濟可行性測算中,德鐵便已經發現,工程造價可能高出此前預計。


此后,預估造價一路飆升,到2009年已經翻了一倍,達到50億歐元,而2016年德國聯邦審計局給出的預計數字是100億歐元。


由于地下巖層構成復雜以及對于鐵軌建設的要求不斷提升,斯圖加特新火車站的造價仍有上升的可能。


正在施工的車站


更大的C形柱


回到大興機場航站樓項目里,為了塑造大跨度的無阻礙空間,中央大廳里6組共8根C形柱支撐起了核心區域180m直徑的無柱空間,負重超過3萬噸。


這些C形柱既是結構體,也是光源,同時也是內部和屋頂連接的核心空間要素。


由于更大的體量和規模,大興機場的C形柱比斯圖加特火車站和塞克勒蛇形畫廊咖啡廳擁有更強的流動性,建筑內部與屋頂的聯系也得以加強。


Hufton+Crow

Hufton+Crow


在結構類型上,由于體量的變化,航站樓的C形柱按位置和柱底標高的不同分為4 類:C1,C2,C3,C4,每類兩根柱關于南北中軸線對稱。


不同類型的C形柱尺度也不同,最高的C形柱為C3柱,支承在首層地面,柱高為38. 5m;最矮的C 形柱為C2 柱,支承在4 層地面,柱高為19.8m。


大興機場C形柱的四種類型(來自北京市建筑設計研究院有限公司機場項目結構工程師束偉農,朱忠義, 祁躍等撰寫的《北京新機場航站樓結構設計研究》一文)


在北京市建筑設計研究院有限公司機場項目結構工程師束偉農, 朱忠義, 祁躍等撰寫的《北京新機場航站樓結構設計研究》一文中,對C形柱的可靠性有過詳細的分析。


經過他們的計算,C1柱豎向極限承載能力系數為3. 89,C2柱為3. 25,C3柱為3. 9,C4 柱為4. 19。由此可以看出C形柱可作為可靠的豎向支撐構件。


同時通過比較各C形柱的水平承載能力及其在罕遇地震作用下所承擔的地震力,最小的倍數為3.71倍,滿足大震彈性的性能目標,當C形柱達到豎向極限承載力時,C形柱的破壞位置均位于C形柱頂部與屋頂網架連接位置,因斜腹桿受壓屈曲而達到極限承載力。C形柱頂部由于受到相鄰支承筒、幕墻柱等豎向構件的約束,有效限制了C形柱的扭轉變形,在水平荷載下,C形柱的破壞以理想的整體壓彎破壞為主。


由此可見,C形柱可作為中央大廳屋頂鋼結構有效的支承結構使用。


此外,在北京工業大學建筑工程學院教授張愛林等撰寫的《北京新機場航站樓C3和C5型柱體系整體穩定分析》一文中,也認為C 型柱具有良好的整體穩定性和承載能力。


C形柱力學模型,來自北京工業大學建筑工程學院教授張愛林等撰寫的《北京新機場航站樓C3和C5 型柱體系整體穩定分析》一文


不過,《北京新機場航站樓結構設計研究》一文也提到,由于本項目是C形柱第一次應用到如此大體量的建筑實踐中,柱體的豎向和水平承載能力、抗連續倒塌能力和抗震能力較為特殊,現行規范、規程均未提及其設計方法。


Hufton+Crow


施工中,由于大興機場的C形柱最重的超過500噸,最輕的也達到200噸,同時底部最窄處僅3米,頂部傾斜之后最大跨度超過23米,鋼結構的施工便成為了一個難題。


最終,施工單位在施工過程中采用了散拼方式,最后組成單元模塊,并將鋼構將整體提升,構成了目前的機場航站樓的屋頂結構。


Hufton+Crow



與德國人相比,中國的建設效率顯然要高得多。從2014年11月,法國ADPI拿下北京新機場T1航站樓設計項目到2019年9月機場交付使用,這一巨型項目僅耗時不到五年。


遺憾的是,不論是塞克勒蛇形畫廊,還是北京大興機場,在所有參與設計的單位發布的媒體稿件和學術文章中,均未提及弗雷·奧托對C形柱的研究,也未提及斯圖加特新火車站工程在這一結構原型上的開創性貢獻。

而作為凝聚創造力的工作,建筑設計的歷史脈絡當然也應該得到厘清,讓人們從中了解創造者的貢獻和遺產。


參考資料:

[1] 北京新機場航站樓鋼結構設計,《建筑結構學報》,束偉農,朱忠義,秦凱,張琳,梁宸宇,

[2] 周忠發,王哲,王毅(北京市建筑設計研究院有限公司)

[3] 北京新機場航站樓C3和C5型柱體系整體穩定分析,《建筑結構學報》。張愛林等(北京工業大學建筑工程學院)

[4] 央視網視頻 ,[中國新聞]探秘北京新機場“C型柱”


圖片來源:

大興機場1-11Hufton+Crow

塞克勒蛇形畫廊1-3 Luke Hayes

其他塞克勒蛇形畫廊圖片 ZHA

大興機場C形柱結構示意1——來自 北京新機場航站樓 C3 和 C5 型柱體系整體穩定分析,《建筑結構學報》。張愛林等(北京工業大學建筑工程學院)

大興機場C形柱結構示意2 ——來自 北京新機場航站樓鋼結構設計,《建筑結構學報》,束偉農,朱忠義,秦凱,張琳,梁宸宇,周忠發,王哲,王毅(北京市建筑設計研究院有限公司)

斯圖加特新火車站01-03 Achim Birnbaum

斯圖加特新火車站方案 Ingenhoven Architects GmbH

弗雷·奧托 TECHNISCHE UNIVERSIT T M NCHEN


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