「班門」建築小歷史4|空間摺疊:結構大師卡拉特拉瓦

2016年3月3日,在911事件世貿大廈遺址上,新的世貿中心交通樞紐地鐵車站開放了。

「班门」建筑小历史4|空间折叠:结构大师卡拉特拉瓦

它像一隻展翅的白色鋼鐵巨鳥,由西班牙建築大師聖地亞哥·卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)設計,靈感來自於孩童放飛鴿子的情景

「班门」建筑小历史4|空间折叠:结构大师卡拉特拉瓦

因為工期拖延,嚴重超支,在開放使用前的幾年中,報紙上的批評家們鼓動起自己的言語,箭一般射向卡拉特拉瓦。

《大西洋月刊》(The Atlantic)的網絡媒體“城市實驗室”(CityLab)在一篇文章中歷數這座建築的各種設計問題,比如樓梯太窄,不足以容納晨間上班高峰的人流,白色大理石地面可能有令人滑到的危險,文章說“……新樞紐辜負了它的客戶”。其他報章評論也毫不客氣,說它是“自我放縱的畸形物”、“對公帑的可怕浪費”、“輝煌的無用之物”

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卡拉特拉瓦和他的世貿中心車站模型

這些媒體似乎完全忘記了,在項目計劃之初,卡拉特拉瓦的設計剛剛拿出來的時候,他們怎樣頌揚這雕塑般的巨鳥。這座車站地面上的建築結構,全部由鋼鐵搭建,高高的鋼鐵骨架依高低次序,安插在地下基礎上。密佈的骨架的頂端,再伸展出一根根鋼鐵的“骨翅”,合起來,就成為兩隻張開的翅膀。在這座建築身上,我們能看到卡拉特拉瓦所有建築與結構設計風格

它毫不遮掩地向世人展示著它能夠站立的依憑:它複雜的鋼結構。結構本身,就是建築體的外立面,彷彿提純了空間,並顯示出一種不可抑制的飛翔慾望

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卡拉特拉瓦與他設計的結構模型

《班門》MOOK的第一輯第3期《鐵之溫》中,第一篇文章介紹的就是這位傳奇的結構大師。

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本文為文章的摘錄。這一部分著重介紹的是卡拉特拉瓦如何在他的建築結構中對人體、動物乃至植物進行“仿生”

這種能力,使他有了魔力,讓他設計的建築物體內,總是蘊含了無窮的,活動起來的慾望。

空間摺疊 | 結構大師卡拉特拉瓦

文 | 王漢軍

論空間結構的可摺疊性

1981年,卡拉特拉瓦憑藉極具天才的論文《論空間結構的可摺疊性》(On the Foldability of Space Frames)獲得博士學位,這篇論文是他結構大師道路的起點,未來他如魔術般幻化出的諸多建築結構,也都能在其中尋得蹤影。

卡拉特拉瓦提出了一個結構理論:它試圖系統地生成與示範將三維結構摺疊成二維結構,而後再變為一維結構的所有可能性。聽上去,它和電影《盜夢空間》中摺疊城市空間一樣奇妙。但實際上,卡拉特拉瓦的論述是由精確的計算與縝密的分析組成的。

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論文中,他假設用剛性長杆與各種活動節點結合成幾何多面體,然後讓這種多面體做移動、摺疊、打開的運動。依靠節點和杆的機械活動,卡拉特拉瓦可以設計出無窮無盡的曲線與曲面的變幻,並創造一種由一維到三維的結構體系。嚴謹的計算使這種結構抵抗壓力與保持穩定的需求得到滿足——這是未來建築結構的基本要求。而在那些枯燥的數字中,又升騰著卡拉特拉瓦對形體變換的慾望,他最終藉此完成了許多飛翔姿態的建築體。

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活生生的建築體

拿到博士學位之後,經過幾年的奮鬥,卡拉特拉瓦在蘇黎世有了自己的建築師事務所。在他的辦公室裡,曾經掛著一個奇怪的工藝品:一隻狗的完整骨架。那是蘇黎世一個學獸醫學的朋友送給卡拉特拉瓦的禮物。這位同學曾和卡拉特拉瓦在一起合租公寓。

“當時我正在讀博士,我幫助他畫論文裡的插圖。然後他就把這個骨架送給了我。”

30多年後,在西班牙巴倫西亞突利亞河干涸的河床上,卡拉特拉瓦使一具巨型“白色骨骸”沉默地佇立於淺藍水面的包圍中。這是卡拉特拉瓦主持設計的“藝術科學城”中的菲利佩王子科學博物館(El Museu de les Ciències Príncipe Felipe),它彷彿一隻龐大的遠古生物歷經滄古之後剩下的骨架,建築整體有犀利的幾何形狀,支撐這個形狀的,是兩端對稱的複雜三角形斜拉構件。這些建築結構一共用去58000m³混凝土以及14000噸鋼材。在設計時,它的外形模仿的是鯨的骨架。

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對生物的仿照,是卡拉特拉瓦結構設計的關鍵基因。他特別著迷於人體解剖學,因為早在文藝復興時期,人們就將解剖學作為確定尺度與比例的基礎。卡拉特拉瓦說,“在解剖學中,張開的手掌的形象、眼睛的形象、嘴和骨骼的形象都是靈感的源泉。通過研究我們身體的機構,你可以發現一種對建築非常有益的內在邏輯性。”他會向來訪的記者舒展自己的手,擺動自己的大拇指,然後說:“在我的手裡,就有一點點建築與工程的元素。”

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卡拉特拉瓦第一次嘗試利用人體與解剖學概念進行創作是瑞士蘇黎世的斯塔德霍芬火車站(Stadelhofen Station)的擴建工程。車站的柱子結構來源於他對自己手掌的研究,在麻省理工學院做講座時,他說:“張開的手掌,代表著真誠與開放,我從張開的手掌又想到了手掌的側面,

我選擇拇指與食指之間的部分使之變為柱的形式。”這種模仿貫穿於整個項目,主要的扶壁柱、候車的棚架都是這種手指張開的狀態,並使之成為車站建築外觀的一大特徵。

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斯塔德霍芬火車站

就這樣,卡拉特拉瓦在在設計中將建築本身設想成人體,他說,“不管怎樣,事物的尺度總是與我們的身體有一定的關係,建築也非常自然地與人的尺度相關,因為它本身就是為人建造的。這使得解剖成為創作靈感的一個源泉。

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斯塔德霍芬火車站

1988年,卡拉特拉瓦接受瑞士混凝土協會的委託,在瑞士的巴塞爾建築展覽會上設計過一個亭子。他對人體的“迷戀”在這個能使混凝土運動的機械結構建築上完全顯露。這是一個肋骨式的,類似環形的結構,就像人體的胸腔。由14根長達7.8米、重1.2噸的肋骨狀混泥土懸臂組成。

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而在材料的運用上,卡拉特拉瓦試圖賦予混凝土以一種感官的效果,“類似肌肉與皮膚”。而它的流線型造型,需要考慮懸臂內部的鋼材受力情況,並且要在混凝土加工過程中對溫度進行精準控制,這些“肋骨”通過曲柄上與類似關節的構件相連,使每一支都能活動——這又是對人類手臂活動的仿照。

在這種仿生設計中,卡拉特拉瓦使細部形體的作用超出精緻結構構件的範疇,有如抵達了“有機”的彼岸。他說這種有機的想法是“在探討一片細部構件如何與另一片構件搭接的過程中逐漸產生的”,而最終,“它使我們可以如神話般地在再現人的胸膛”。

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卡拉特拉瓦繪製的人體圖

卡拉特拉瓦對人體器官最輝煌的仿生運用,還是在藝術科學城中。其中的核心建築是天文館(Hemisféric),這座建築被設計成一隻張開的巨眼形狀,它也被稱作“智慧之眼”。巨眼”有110米長,中央最寬處有55.5米。

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屋頂是狹長的鋁製材料的曲面遮陽板。側面的混凝土拱柱支撐著透明的側頂,並連接著下沉的廊道。在館中央,一個球體端坐著,像極了一隻眼球。拱的一側有一道巨大的門,其開啟與閉合,

是對人類上眼瞼活動時的仿照

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實際上,在天文館落成之前四年的1994年,卡拉特拉瓦就在沙特拉斯機場輕軌鐵路車站(Satolas Airport Railway Station in Lyon)的建設中使用了眼睛的造型。

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沙特拉斯機場輕軌鐵路車站

這座建築好像一座橋樑,可以看成被拉長的,“由結構、管道和跨越性構造複合而成的綜合體。”整個車站和屋頂的構思都源於眼睛的形式。車站的兩個側面彷彿是兩隻“背靠背”的眼睛,並且有著長睫毛

「班门」建筑小历史4|空间折叠:结构大师卡拉特拉瓦「班门」建筑小历史4|空间折叠:结构大师卡拉特拉瓦

沙特拉斯機場輕軌鐵路車站的設計草圖

卡拉特拉瓦畫出了眼睛甚至眼球的結構

在簡單的器官或身體部位之外,卡拉特拉瓦更感興趣的是人體的整體運動方式。他的第一座摩天樓,被稱作“扭轉大廈”(Turning Torso),這是一棟位於瑞典馬爾默(Malmo)的極具創新性的54層高樓,樓梯的扭曲達到90度。這棟樓的設計,靈感來自於人體的脊柱

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在此之前,卡拉特拉瓦曾經系統而抽象地研究了人體的頭部如何固定在身體的上方,以及如何扭轉。他認為,“因為整個頭部都支撐於脊椎的第一節頸關節上,所以它可以自由扭轉,

這使得抬頭、轉頭、低頭或組合起來的動作,非常有趣和富於戲劇性。”

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卡拉特拉瓦與旋轉大廈的模型

他利用雕塑來進行這方面的研究,他試圖利用最少的構件來固定代表人類身體部位的立方體,用非常細的細杆和一些線圍繞支撐。比如一個被看成頭顱的立方體在垂直方向只有一個構件支撐,而另一個斜向的構件起到拉接作用,將其固定在水平位置上。

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在另外一個雕塑中,卡拉特拉瓦進一步研究了人體的脊柱如何完成扭曲、繞著軸心旋轉、彎腰或伸展等等動作。他將立方體繞著中心的繩索周圍錯落擺放。它就是190米的馬爾默扭轉大廈的雛形。

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除了對人與動物的仿照,卡拉特拉瓦對植物的形態也有充分的興趣。他最著名、最壯觀的作品之一是位於加拿大多倫多名為“BCE Place”的商業綜合體。在一條長達130米的寬闊空間內,卡拉特拉瓦設計了一個高聳的長廊。它將現代化的城市設計觀念和自己對結構的痴迷融合進了維多利亞風格的拱廊

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長長的拱廊內,每一側由數根粗壯的鋼柱支撐,鋼柱在中間開始分叉,分出的枝杈在伸展出一段長度之後再次分叉,這些更細的鋼杆再分出密密麻麻的細小枝丫,在27米高的走廊頂棚匯合成橫跨14米的拋物線形的穹隆,就彷彿滿是蒼天大樹的原始森林在高處連綿而成的“葉浪”。在長長的拱廊中部,有一處小廣場式空間,在這裡,樹木的形狀更為顯著,而頂部的曲線結構織成一片浪湧的狀態。

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BCE Place

這種結構中的一些鋼架形成的尖銳的角度,看上去是對哥特教堂建築中的廣場與走廊的承繼,但正是有了這種新時代才能實現的鋼結構,卡拉特拉瓦才能利用“森林”來重新詮釋歷史風格

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BCE Place 設計圖局部

這種樹狀結構的另一次小規模應用,是1988年在蘇黎世的包尚茨利(Bauschänzli)戶外餐廳的可變透明頂棚。卡拉特拉瓦這次要讓這棵樹動起來。這間餐廳在一個小島上,附近有一座中世紀城堡,卡拉特拉瓦要在真的樹中插入一些金屬桿,金屬桿也像多倫多的BCE Place那樣逐級分叉,在12米高的頂部,由極細的金屬桿支撐起玻璃方格。

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這個頂部的金屬桿由鉸鏈連接,可以像雨傘那樣摺疊。在下雨的時候,雨滴灑下,這“樹枝”彷彿如沐春雨,張開枝丫,連成一片“茂密”的樹林,為顧客提供庇護。而在陽光出來的時候,頂部就可以收納起來,將陽光引入樹下坐著的顧客身上。

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在《運動的詩篇》中,作者佐尼斯說“這種屋頂模糊了結構和建築之間的界限。”對我們來說,這似乎也模糊了結構與自然生物之間的界限。但實際上,卡拉特拉瓦對此有著清晰的認識,他要向人、動物、植物索要的,是它們的構成結構中能令建築顯得活生生的元素。他說:“如果研究一朵花,研究的結果不是一個花狀的建築。我們要得到的是一個作品,這個作品包括有花的結構和活動規律,而不是取它的外形。原因很明顯,建築作品不是一朵花。”

結構:力與運動

為了研究運動形態,卡拉特拉瓦從雜技演員與舞蹈家的表演中總結運動的意義,這些人的每一次躍動,都是對地心引力的挑戰,在變化的世界中捕捉動感的形態。

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亞歷山大·佐尼斯在他的《聖地亞哥·卡拉特拉瓦——當代建築藝術的詩篇》一文中說:“不容置疑,傳統意義上的結構設計師都努力表達、強調及讚美穩定性。然而,在實際生活中建築結構的運動是基本事實,建築結構從來沒有靜止過,儘管它們表面看上去是不能動的。我們越觀察越意識到建築結構是在不停地運動,它們不僅自己會動,而且無疑地構成了人或事物運動的場所及通道,建築物內無不充滿著運動。

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卡拉特拉瓦筆記本上畫的人體圖案

人在建築中的運動,也是卡拉特拉瓦的複雜結構要導向的另一個因素。建築是以人為尺度的,真的要“活”起來,就必須考量人類使用建築時的運動,否則,一切奇崛的形式都將是失敗的。

在描述德國的厄恩斯廷工廠倉庫項目時,卡拉特拉瓦為我們描述了一副十分魔幻的場景:“從一開始,這棟建築就好像天外來物,我們必須使它富於生機。西立面與東立面幾乎完全一樣,只是日落與日出的差別,這裡同樣用大面積的鋁板解決了立面的形式,它們與三扇每日通行運貨的卡車的大門結合在一起。這裡有非常多的貨車,許多停在門邊等候,當大門開啟時,貨車開始穿梭,如果你在建築或其他的尺度上瞭望大門時,建築彷彿化作了一條巨鯨。

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厄恩斯廷工廠倉庫項目

當車流攢動時,就彷彿約拿的故事或聖Exupery的巨蛇和大象一樣,進行著吞嚥的場面。”在設計的時候,卡拉特拉瓦真的在草圖上畫出一條鯨魚來表示這種運動。

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這正如維也納應用藝術大學建築歷史與理論教授利安·勒法維爾(Liane Lefaivre)所說:卡拉特拉瓦用最工業化的語彙,在最嚴肅的場面中實現著超現實主義的想法

在上文所說的斯塔德霍芬火車站中,我們介紹了卡拉特拉瓦如何將仿生應用於車站的柱子設計上。但實際上,卡拉特拉瓦也將整座車站看成血液在其中湧動的人體。想象一下,我們的血液在動脈、靜脈以及數不清的毛細血管中奔湧的忙碌景象,從這座車站的平面圖看過去,你會發現它結合了多種運動與交通功能。

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斯塔德霍芬火車站平面圖

火車在二層往來,而忙碌的人流通過樓梯與電梯穿梭在三層空間中,軌道之下,又有地下商場與上面基層的空間實現立交。火車站的最頂部,有三座步行橋,在那裡,就像湍急的河水衝入小溪,變得緩慢,那些需要長時間等待列車的人們,可以在這裡漫步,並可以由此進入通往山巒的道路,使整個火車站與環境融合起來。

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斯塔德霍芬火車站內部

卡拉特拉瓦這些“活”的建築,讓人想到那座建在911恐怖襲擊廢墟上的巨鳥形的車站。

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世貿中心樞紐車站

時間退回項目設計的2004年,《紐約時報》的建築評論家說:“卡拉特拉瓦為世貿中心樞紐車站所做的設計,會令一些人滿意,這些人相信,在遺址廢墟上設計的建築必須有一種對精神維度的渴求。多年以來,許多人在卡拉特拉瓦先生的建築中領悟到了形而上學的元素。我希望紐約客們也能嗅到它的存在。我祝賀港務局指派卡拉特拉瓦先生——這位偉大的西班牙建築師與工程師——去設計一座帶有改變紐約未來力量的建築。”

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世貿中心樞紐車站內部構造

在車站剛開放時,媒體對市民們做了採訪,一位居住在紐約布魯克林的43歲市民說:“看到這建築,就彷彿看到天使張開翅膀,將那些昔日的亡靈託向天際。

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世貿中心樞紐車站設計圖

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