建筑中柱的力与形

王兴鸿　戴航　Wang Xinghong　Dai Hang

一　建筑中的柱构件
　　柱是建筑结构中承受竖向荷载的线形构件，也是建筑中限定和分隔空间的重要元素之一。柱不仅是垂直方向上的受力杆件，有时也作为传递竖向荷载的斜向线形构件。虽然柱的材料、形态等随着技术的进步不断变化，但它作为竖向传力构件在结构中所起的作用并未改变。在当代建筑设计中，特别是超大型或采用特殊结构类型的建筑，柱在其中发挥着更为重要的作用，因而针对柱的专项设计是绝对必要的。

二　柱的力与形
　　在柱的设计中，应以力学理性思维为指导，通过分析其在建筑中所承担的结构作用和受力情况，拓展出一条结构结合建筑的设计方法，最终实现“力产生形，形反映力”，即结构产生建筑形态，建筑形态反映力学特征的理想状态。必须针对纵向受力、横向受力、截面受力和力的矢量等方面进行分析，从而厘清柱形态衍生的内在力学动力。

1　纵向力与形
　　由纵向受力特性生成形态的设计方法是对于柱的高度方向而言的，根据竖向力作用下柱的荷载能力和所受弯矩及变形来设计其形态，达到结构逻辑与建筑形态的有效契合，在建筑形态和结构理性共同作用下实现建筑、技术与艺术的统一。

　　柱的长度不同，承受纵向荷载的能力也不同[1]。长柱和短柱在力学上通过柱的长细比来界定，长细比又与其材料性能、横截面面积、长度密切相关。横截面越小、长度越长，柱的长细比就越大，在受到竖向荷载作用时就越容易产生压曲破坏。通过柱的形态设计，可有效抵抗这种压曲变形，使其达到结构和形态的高效整合。根据欧拉压曲荷载公式，柱的临界压曲荷载与其长度的平方成反比[2]。柱的压曲程度也与柱的材料强度、构件连接方式等因素有关，在相同的竖向力作用下，两端刚性连接的柱的压曲变形是最小的[3]。因而，应从以下几方面进行柱的设计。

　　（1）改变柱的自身形态。根据压曲状态下柱变形的力学图解，通过预变形或变截面的方式将柱的压曲应力进行固化，从而提高单一构件的强度和结构体系的稳定性，在节省大量材料的同时，最大化地发挥柱的结构效能。其中对于钢筋混凝土材料来说，由于施工技术的限制，梭形柱是其拟形的最佳选择；而作为各向同性材料的钢材来说，因其较强的抗拉压能力，可以通过十字柱、钢管柱、H形柱和格构柱等方式来实现，使建筑最终达到轻巧通透的艺术效果。

　　位于夏洛特市（Charlotte）的贝希特勒博物馆（Bechtler Museum），入口广场被设计成三层两跨通高的空间来表达设计师对建筑与城市的思考。在这里，一个巨大的梭形柱标识出博物馆的主入口位置，它在结构上将第四层出挑的两跨结构所产生的竖向力传递至地面，达到了造型艺术和结构的统一，也为广场的活动者带来一种“亚当之树”的庇护感，唤起人们的思考。
 

　　……

１　柱自身形态的改变抵抗压曲

２　贝希特勒博物馆剖面

3　千年穹顶的梭形格构化钢柱

更多内容请见2013年第6期