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在力的汇聚与传递间定义和塑造空间

奈尔维的古典与现代

Defining and Shaping Space Through Convergence and Transmission

P. L. Nervi's Classicality and Modernity

陈朝晖龙灏 CHEN Zhaohui, LONG Hao

Abstract

文章是柱系列的第二篇，在前文辨析了中国传统木柱与古希腊石柱的建造规则、空间秩序与力学性能基础上，作者通过对奈尔维独特混凝土巨柱的传力机制、形态特征、生成方法及其空间特性的系统探讨，体察这位混凝土诗人以材料和力学雕塑结构、以统一协调的结构秩序构筑空间的结构美学理念与古典建造思想，为当代建筑与结构设计提供思考与实践的范本。

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1 引言

上一篇文章 ① 已经阐明：柱作为结构的传力枢纽，支撑并定义着建筑空间——在缺乏分析理论和计算方法的古典建造时期，中国传统木架构用材分制或斗口制、古希腊石梁柱体系用古典柱式巧妙地解决了部件众多、形式复杂的设计与建造难题。规则柱网下严整有序的内部空间、柱列构成的建筑立面，诚实再现了材料与结构自身尺度，通过构件的有序排列赋予建筑以形态与特质，建筑与结构内外清晰可辨、统一呼应的建造思想，为后世的建造提供了启蒙与灵感。

工业革命之后，用木柱、石柱等自然材料营造的古典空间秩序在以混凝土这样的“新型人造石”为主导的现代建造中如何延续和发展？本文通过探讨奈尔维（见图1）混凝土巨柱的现代结构美学与古典空间秩序的关联来寻找答案，解读现代建筑中柱网构成的结构秩序对建筑空间的塑造，力求对当代和未来的建筑与结构设计有所启示。

1. 皮埃尔·奈尔维（1891.6.21—1979.1.9）

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2 板柱体系的应运而生

19世纪末，钢筋混凝土技术带来了建筑业革命。钢与混凝土，这一刚柔并济的崭新组合，激发了工程师和建筑师的设计建造灵感，而柱的形式及其对空间的意义也得以重新挖掘。

美国工程师特纳（C.A.P. Turner）和瑞士工程师马亚尔（R. Maillart）于1905年到1910年间先后独立设计出钢筋混凝土板柱体系（见图2），也称作无梁楼盖或平板体系（flat slab system）[1-2]，特纳形象地称其为蘑菇板体系（mushroom system，见图3）。这一体系构筑了全新的传力路径。

2. 马亚尔设计的第一座无梁楼盖建筑——苏黎世吉斯舒贝尔仓库，1910年

3. 特纳的蘑菇板结构概念，1905年

古典梁柱体系的传力路径是由楼盖的面荷载集中为梁的线荷载，再汇聚为柱上的点荷载的“面—线—点”式路径，而无梁楼盖则是将面荷载由板直接汇聚到柱，是“面—点”的直接传递。这一路径使柱作为整个建筑平面与空间的核心地位更加突出。

由于无梁楼盖中的板厚有限，板柱连接处是薄弱部位，柱可能刺穿楼盖而发生冲切破坏（见图4）。为此，特纳与马亚尔都采用了加密板柱连接区域板的配筋并设置柱头的方法。特纳在柱头饰以繁复的茛苕草，模仿了古希腊科林斯柱式，柱身则为正八边形，以多棱边代替了古典柱式的凹槽。为了解决圆形柱头与八边形柱身的过渡，特纳在柱头下又设置了一圈圆环，这样虽然使柱头呈现出一定的古典意味，但却削弱了整个板柱之间视觉的流畅与连贯。

4. 柱穿透楼板造成无梁楼盖冲切破坏的示意图

马亚尔则提出了与材料和结构体系相适应的全新形式。吉斯舒贝尔仓库无梁楼盖也采用了八边形柱身，但从柱帽至柱身为连贯的曲线。柱帽为八边形棱台，棱边近似双曲线，近乎“板—柱”连接处的压力迹线，是力流的固有形式，而非人为矫饰。柱帽与柱身一气呵成，整个结构无一丝一毫多余修饰，钢筋混凝土多棱柱挺拔刚劲。与马亚尔的另一仓库结构——基亚索马加辛尼吉尼拉里仓库的屋盖空腹鱼腹梁类似，设计师毫不犹豫地让结构自信地表达了自己，结构形式再一次忠实于力流。与之相比，特纳的蘑菇柱拘泥于古典柱式，未能尽现新材料与新结构自身的力量。

无梁楼盖改变了传统梁柱体系的传力路径，塑造了以柱为中心的传力单元与空间格局，其明晰高效的传力方式与空间特性深受现代主义建筑师与工程师的青睐。如美国现代主义建筑大师赖特（Frank Lloyd Wright）1936年在为强森制蜡工厂设计的厂房中，就采用了蘑菇柱构筑内部空间，并将底部改为铰接，释放弯矩，使柱更为纤细。摆脱了被梁网格分割的平滑屋盖则提供了新的自然采光可能（见图5）。直至21世纪，赖特借助蘑菇柱形成的室内空间与屋顶采光手法，还被日本建筑师伊东丰雄（Toyo Ito）借鉴，用于台湾大学社科院辜振甫纪念图书馆（中国台湾）的设计中（见图6）。

5. 美国强森制蜡工厂厂房，由管状蘑菇柱支撑玻璃屋面，1936年

6. 台湾大学社科院辜振甫纪念图书馆，2013年，2015年摄

如果说在建筑师赖特、伊东丰雄的设计中，无梁楼盖平整的楼面与细密的柱网形成的室内空间被充分挖掘，那么在有“混凝土诗人”之称的意大利结构大师皮埃尔·奈尔维（Pier Luigi Nervi，1891—1979年）的设计中，柱作为这一传力体系与空间分隔的核心地位则得到了充分彰显，呈现了强烈的视觉冲击与史诗般的雕塑感。

3 “奈氏”巨柱的空间美学

与马亚尔一样，奈尔维也主张结构之美应忠实于力与材料：美并非源于装饰，而是源于结构的一致。他钟情于采用预制构件塑造简洁有力的几何形式，将混凝土的可塑性与人造石的质感表现得淋漓尽致。

同为抗压性良好的脆性材料，混凝土与砖石相比具有优异的流动性和可塑性。混凝土中的钢筋承受拉力与剪力，而包裹着钢筋的混凝土块则承受压力，拉与压构成抵抗弯曲的力矩。柔韧的线与坚硬的石、固定的钢筋与流动的水泥，赋予了混凝土坚硬粗粝外表下巨大的造型潜力。钢筋混凝土材料既有石材的质感与纪念性，又满足大跨结构的抗弯折需求，成为重现“古典”的理想材料。

所谓“奈式”巨柱，是与通常高细比较大的巨柱相比较而言的。采用较大的高细比、凹槽、收束以及多边形截面使柱在视觉上瘦身、减重是一般大柱的惯常做法，奈尔维却反其道而行之，以粗壮的尺度、真实的质感以及独特的造型，定义和塑造了空间，成为“力流的雕塑”（见图7）。

7. “奈式”巨柱的尺度

意大利都灵工人文化宫是奈尔维以巨柱定义与划分空间的代表作之一（见图8）。奈尔维将面积为25 000 m²的正方形场地分割为16块40 m×40 m的方块，每个方块的屋盖以一根混凝土巨柱支撑，屋面板下为由巨柱撑开的放射状梯形钢梁，方形屋顶之间由2.5 m宽的玻璃采光带连接，引进自然光源[3]（见图9）。

8. 意大利都灵工人文化宫，1959年

9. 意大利都灵工人文化宫平面划分与施工现场

巨柱和放射状钢梁构成一把把撑开的“伞”，每把伞是一个独立的结构单元。作为“伞骨”的放射状钢梁限定并描述了屋盖结构的力流，作为“伞柄”的巨柱为钢筋混凝土悬臂柱，撑起了开阔的内部空间。弯矩与轴力在柱的底部达到最大。整个巨柱需要考虑抵抗水平及不均匀荷载产生的弯矩和扭矩。

遵循内力的变化规律，采用向上收束的圆柱、方柱或多棱柱是一种既定选择，但奈尔维从不满足于模仿与重复，他采用了变化的空间几何形体。

混凝土巨柱底部断面为5 m×5 m的“十”字形，向上渐变为直径2.7 m的圆形，特纳在圆形柱头与棱形柱身之间的生硬过渡被奈尔维巧妙解决。柱截面形状及其尺寸的变化既忠于内力又不落常规，倒锥形柱帽与增大的梁高也保障了连接处的抗冲切性能。多立克柱式般挺拔雄健的几何尺度、简明有力的形态、大理石般的纪念与象征性，与屋盖的放射状钢梁浑然一体，形成了强烈的空间视觉冲击（见图10）。

10. 意大利都灵工人文化宫及其巨柱

在奈尔维以力流雕塑混凝土巨柱、划分并支撑的空间格局中，结构与空间呈现出本质的直接联系——在此，空间毫无疑义地成为结构的结果，为柱所定义！这也是结构工程师奈尔维亦作为建筑师被铭记的原因——他用独特的、以结构为核心构建的建筑设计方法为建筑设计开拓了全新的思维方式。套用梁思成先生对中国传统建筑体系的“文法说”，在奈尔维的设计中，结构构件是他的词汇，而以力流传导为核心的结构体系就是他的文法。

建造于20世纪60年代末的巴西利亚意大利大使馆（现为意大利文化中心），同样以规则柱网将建筑平面划分为26个正方形单元，柱是每个单元的焦点。与都灵工人文化宫的巨柱只承担轻型楼盖的自重和屋面荷载不同，意大利大使馆的柱承托了整个建筑物（见图11）。为此，奈尔维采用了承载力与整体刚度较大的井字梁楼盖体系作为上部建筑的底板，并支撑在巨型分枝柱上。大使馆基地存在高差，奈尔维通过改变柱干高度加以适应（见图12），分枝柱的其余形状和尺寸无需变动，柱网秩序严整。混凝土分枝柱的柱干为正八边形，四个分枝对称分布，各分枝近似直线双曲面。仔细观察不难发现，这一形式是由矩形截面旋转90°形成的，同样的直线双曲面柱还出现在萨沃纳火车站的外柱上（见图13、图14）。

左图：11. 巴西利亚意大利使馆，1969—1973年

右图：12. 巴西利亚意大利使馆的巨柱

13. 意大利萨沃纳火车站的直纹曲面巨柱生成方式

14. 意大利萨沃纳火车站，1958—1961年

除了刚健的形态与粗壮的尺度外，通过简单几何图形（如矩形、十字形和圆形）沿柱高的角度和尺度的连续变化，使柱身呈现立体丰富的外观，是“奈式”混凝土巨柱的一大特征。巴西利亚意大利大使馆与萨沃纳火车站候车厅的巨柱生成方法可谓典范。近似直线双曲面的混凝土柱是由矩形截面由下至上旋转，从柱底至柱顶正好旋转90°，从柱的整体看没有抗弯的弱轴，断面惯性矩对称。

直线双曲面巨柱的具体生成方法为：首先确定柱的底部与顶部两个正交矩形的尺寸与方位，将两个矩形的长边分别三等分，定出柱面曲线的同源点；再沿柱高将柱分成若干小段，连接底面与顶面矩形同源点，确定沿柱高各断面的尺寸与形状；最后以曲线连接各断面同源点得到直纹曲面柱身。在没有参数化计算手段、3D打印技术的年代，奈尔维凭借对几何形式的敏锐直觉与巧妙变化，创造了一系列直纹曲面柱形[4]。

在不同的项目中，奈尔维用这种“旋转的断面”巧妙应对了不同的结构需求。在意大利文化中心，断面的旋转满足了分枝与柱干和顶板的连接和传力的双重需求；而萨沃纳火车站，立柱顶部的方位顺应了挑檐下梁的形式——梁高从悬挑端逐渐向内部固定端加深，柱顶到柱底的断面方位的转动则服从了抗侧性能的要求。从挑檐至柱底，构件截面方位与尺度的连贯转变，回应着力的变化。

奈尔维无疑是一位混凝土结构雕塑大师。他那些独特而形式鲜明的混凝土巨柱，既是客观力流驱动的结果，也是大师的结构美学主张使然。他在意大利都灵工人文化宫、萨沃纳火车站、巴西利亚意大利大使馆以及美国旧金山圣母玛利亚教堂等一系列作品中，形式各异的巨柱柱身、柱础与柱帽的收分、放大或缩小，无不忠实再现了设计者对结构受力特性的遵循与对古典美学的执着。奈尔维强调“思考力学是思考形式的前提”[5]，但他又绝非简单地在结构上还原力流的形式。阅读奈尔维的建筑设计作品，没有人会忽视这些作品的结构体系及其构件所呈现的设计师明确的造型意愿与独特的结构语汇带来的建筑形式。

建筑评论家丹尼斯·夏普（Dennis Sharp）曾如此评价奈尔维的作品：

就像密斯·凡·德·罗的建筑一样，奈尔维的建筑中有一种结构和空间的微妙融合。但是，当密斯寻找自由的内部空间时，奈尔维的建造美学则是在于对建筑结构的有力展示。 ② [6]

4 古典秩序的现代表达

作为意大利新理性主义运动早期的主力之一，奈尔维主张结构的外在逻辑应与内部空间相一致，这一理念可以上溯至古希腊的古典建造思想与兴盛于14世纪的哥特式教堂的建筑结构格局[7]。建筑史上著名的罗马小体育宫（见图15）与位于美国弗吉尼亚的诺福克竞技场（见图16）就体现了奈尔维利用结构立面揭示内部秩序的古典建造理想。

左图：15. 意大利罗马小体育宫，1958—1960年，2016年摄

右图：16. 美国弗吉尼亚诺福克竞技场，1968—1971年

为1960年罗马奥运会而建造的罗马小体育宫，采用了多项奈尔维的结构设计与建造发明专利，如装配式混凝土预制结构（1939年）、钢筋网水泥（1943年）、等静压肋楼板（1949年）和菱形模壳（1950年）等。罗马小体育宫的屋盖为混凝土薄壳，支撑在36根“Y”形柱构成的斜撑体系上。“Y”形柱的顶端相互连接成为闭环，构成了自平衡机制（见图17）。“Y”形柱的分叉处设立柱，以承担柱的竖向分力，减小竖向荷载产生的弯矩。立柱又以圈梁相连，成为闭合框架，保障了体系的整体性与抗侧性能。整个斜撑体系的优势在于，通过两道闭环使“Y”形柱的内力主要为轴力，弯矩仅来自屋盖的非均匀荷载，从而大大缩小了分枝、柱干以及柱础的尺寸[8]。

17. “Y”形柱和“V”形柱的传力机制

壳体结构之下的小体育宫内部穹顶不事雕琢，呈现出精心设计的装配式混凝土结构自身的空间肌理，让人抑制不住地联想到罗马万神庙穹顶的空间秩序之美（见图18）。当人们置身体育馆内而视线向外时，外部“Y”形柱列所呈现的希腊神庙式的古典柱廊空间秩序，则让人们清晰地感受到结构立面与内部秩序的遥遥呼应（见图19）。

18. 罗马小体育宫室内穹顶，2016年摄

19. 罗马小体育宫室内外结构秩序，2016年摄

诺福克竞技场同样是以斜撑支撑的薄壳屋盖，整体传力概念与罗马小体育宫相同，但斜撑为“V”形柱，柱顶没有连接，中部也没有设立柱，因此需要抵抗水平与竖向荷载产生的弯矩（见图16）。奈尔维在此应用了直纹双曲面柱，断面方位的改变提示了弯曲方向和弯矩的变化。同样出于抵抗弯矩的需要，竞技场“V”形柱的柱础比小体育宫壮实。

罗马小体育宫与诺福克竞技场都是通过统一、简明而有序的柱列使建筑具有了真实有力的结构立面，而不是纯粹的主观形式。两个场馆的立面又因在柱传力机制以及设计师对力流表达意图的差异而相映成趣。与诺福克竞技场“V”形柱的“力流雕塑”相比，罗马小体育宫凭借巧妙的整体平衡设计与控制而更加简洁精致、朴实无华、纯粹和谐，从结构立面到内部空间更加统一且展现了古典建筑秩序之美，从而在建筑史上享有了更加崇高的地位。

5 结语

奈尔维在严格遵循结构与材料的逻辑、精确的力学规律之余，总是能够以简洁有力的几何造型满足材料和结构潜在的美学愿望，钢筋与混凝土的拉压对比以及混凝土的流动性与可塑性经结构大师之手成为了力流的雕塑。奈尔维被誉为“新时代恢复文艺复兴荣光”的结构大师，其作品脱胎于古希腊与古罗马历史建筑的痕迹异常清晰，但他所依赖的结构分析理论与建造材料和技术却是崭新的：

从建筑观点来看，混凝土的流质形态及其整体性，是在力学和施工观念上以及在造型能力上取之不尽的源泉。

由于引入钢筋混凝土，建筑艺术与技术之间关系的丰富和多样性获得了新的发展，可以不夸张地说，由于这一材料独特的施工技术和潜在的造型能力，正在引起一门新兴美学的发展——这一美学通过隐约的途径可以追溯到最远古时期的建筑原则。

形式必须是结构的必要结果，但不是最初的基础。[9]

奈尔维对结构语汇的应用并不拘泥于成规，起主导作用的是力学（mechanics）、形式（geometry）与建造（construction）的统一而非力学的拘束，也摒弃了建筑抑或结构形式的先入为主。在严格的结构与材料性能、建造逻辑之上，是奈尔维对结构尺度与形式美的敏锐直觉，对建造美学的强烈意愿以及对结构形式语汇的娴熟应用，呈现的是建筑结构本身摄人心魄的空间美学本质。

奈尔维用钢筋混凝土这一新型人造建筑材料对形式与力学、结构与空间的双向思考和实践，对于当代建筑与结构设计仍然具有重要且积极的意义，在当今这个技术似乎可以“为所欲为”的时代甚至比以往任何时候更值得我们深思。诚然，脱离结构、形式先入为主的建筑设计是可能造成功能与形式的紊乱、建设与造价的失控，但精确的计算分析、数据模拟也仅仅可使结构计算更为合理、对力的把握更为精准，却并不能把建筑和结构设计必然地引向创造与艺术。

设计创造，而不是数值求解，是人们通过思考与行为对自然规律与自身状态的认知与回应，结构也不例外！

（致谢：本文插图工作得到重庆大学建筑城规学院2020级硕士研究生张杨同学协助，谨表谢忱！）

注释：

① 参见：陈朝晖，龙灏. 在汇聚与传递间定义和塑造空间——传统木柱和石柱之辩[J]. 时代建筑，2021（6）：144-148.

② 原文为：“Like Mies van der Rohe's buildings, there is a subtle fusion of structure and space in Nervi's buildings. But whereas Mies searched for free internal space, Nervi's aesthetic is dependent on an energetic exhibition of the structural parts of a building.”

参考文献：

[1] D. A. GASPARINI. Contributions of C. A. P. Turner to Development of Reinforced Concrete Flat Slabs 1905–1909[J]. Journal of Structural Engineering, 2002,128(10): 1243-1252.

[2] 戴维·比林顿. 塔和桥：结构工程的新艺术[M]．钟吉秀，译. 北京：科学普及出版社，1991：175-176.

[3] NERVI P L. Scienza o arte del costruire? Caratteristiche epossibilità del cemento armato[M]. Roma: Edizioni della Bussola,1945.

[4] PERUGINI P, ANDREANI S. Pier Luigi Nervi's Columns: Flow of lines and forces[J]. Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures, 2013(9): 1-10.

[5] NERVI P L. Aesthetics and Technology in Building [M]. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1965.

[6] SHARP D. Twentieth Century Architecture: a Visual History[M]. London: Lund Humphries Publishers Ltd,1991: 245.

[7] 肯尼思·弗兰姆普敦. 建构文化研究：论19世纪和20世纪建筑中的建造诗学[M]. 王骏阳，译. 北京：中国建筑工业出版社，2007.