扎哈遺作背後的建築設計史脈絡。
文｜遊旭東
9月25日，北京大興國際機場迎來首航，標誌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），位於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築師扎哈·哈迪德強烈的個人風格，受到輿論的廣泛關注和討論。
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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，就是建築內部的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。
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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。
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不過，大興機場並非扎哈的個人作品，C形柱也並非是這位偉大建築師的獨創。
扎哈的遺產
2011年，北京新機場航站樓建築方案設計招標項目啟動後，共有7家國際頂級建築事務所及聯合體的投標方案入圍。
最後落成的新機場，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、建築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」佈局概念，並採用雙層出發車道邊，是一套「設計、運營一體化」的綜合建築方案。
以下是來自不同國家的七種項目方案 ：
· 英國福斯特及合夥人建築設計事務所（FOSTER + PARTERS LIMITED）
· 北京市建築設計研究院（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
· 上海華東建築設計研究院有限公司與新加坡CPG諮詢有限公司聯合體
· 美國HOK建築事務所與荷蘭NACO機場諮詢公司聯合體
· 英國奧雅納工程顧問公司（OVE ARUP&Partners）與英國羅傑斯建築事務所（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日開幕於倫敦肯辛頓花園。新開的蛇形畫廊與原有的畫廊相距僅7分鐘路程，建築前身是一座建於1805年的火藥庫，現在成了蛇形畫廊的第二藝術空間。
在這個項目裡，扎哈·哈迪德的設計包括對火藥庫的更新改造，同時在建築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之後，在歐洲設計的第二個藝術空間建築。
· 擴建部分與原有建築的關係
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築形成對比，擴建的部分採用了21世紀典型的輕盈通透、富有動感的、當代特徵鮮明的玻璃纖維織物膜屋頂，與平和穩重的古典建築形成互補。
這個定製的玻璃纖維織物膜也是建築承重結構的一個部分。同時，為了支撐屋頂中部的重量，提高建築採光，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，解決了建築的日間採光。
此外，C形柱外形豐富了建築屋頂的空間層次，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·哈迪德事務所之後，C形柱的設計也隨之進入了新機場。
不過要了解C形柱在建築設計中的原型，還需要再向前追溯，從另一位著名建築師說起。
弗雷·奧托的肥皂泡
首先開創了C形柱的，是德國建築師弗雷·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·奧托擔任建築師，學會了使用手頭極為簡單的材料建造不同的建築結構。
2015年，弗雷·奧托因其輕盈通透的帳篷式建築結構，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，他就已開始實踐並推進這一理念。他的靈感來自於自然現象——無論是鳥類頭骨、肥皂泡沫，還是蜘蛛網。」
比起建築師，奧托本人更願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。
在他的設計原型裡，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，並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，共存於不可變的形體中。
· 弗雷·奧托的肥皂泡原型研究
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，並最終獲得了一等獎。
在這個方案中，奧托實踐了自己基於肥皂泡的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於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採光，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，這座建築仍未完工。
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。
此後，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。
由於地下岩層構成複雜以及對於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裡，為了塑造大跨度的無阻礙空間，中央大廳裡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。
由於更大的體量和規模，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，建築內部與屋頂的聯繫也得以加強。
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在結構類型上，由於體量的變化，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，每類兩根柱關於南北中軸線對稱。
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（來自北京市建築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）
在北京市建築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於C形柱頂部與屋頂網架連接位置，因斜腹杆受壓屈曲而達到極限承載力。C形柱頂部由於受到相鄰支承筒、幕牆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，在北京工業大學建築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築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，由於本項目是C形柱第一次應用到如此大體量的建築實踐中，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，現行規範、規程均未提及其設計方法。
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施工中，由於大興機場的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，頂部傾斜之後最大跨度超過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採用了散拼方式，最後組成單元模塊，並將鋼構將整體提升，構成了目前的機場航站樓的屋頂結構。
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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佈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，建築設計的歷史脈絡當然也應該得到釐清，讓人們從中瞭解創造者的貢獻和遺產。
[1] 北京新機場航站樓鋼結構設計，《建築結構學報》，束偉農，朱忠義，秦凱，張琳，梁宸宇，
周忠發，王哲，王毅（北京市建築設計研究院有限公司）[2]弗雷奧托：為帳篷正名，單寧
[3] 北京新機場航站樓C3和C5型柱體系整體穩定分析，《建築結構學報》。張愛林等（北京工業大學建築工程學院）
[4] 央視網視頻 ，[中國新聞]探秘北京新機場“C型柱”
大興機場1-11©Hufton+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，《建築結構學報》。張愛林等（北京工業大學建築工程學院）
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，《建築結構學報》，束偉農，朱忠義，秦凱，張琳，梁宸宇，周忠發，王哲，王毅（北京市建築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 UNIVERSITÄT MÜNCHEN
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