1、走出建筑結構教育的困境摘要：當代建筑實踐對結構設計與建筑設計、結構形態與建筑形態的相互促進與融合提出了更高要求，而傳統的面向建筑學專業的力學和結構課程體系卻落后于建筑實踐的發展，內容相互隔離而陳舊。針對這一局面，重新構建了面向建筑學專業本科教學的建筑結構課程體系，主要包括建筑力學、結構選型、建筑中的結構藝術等三個層次的課程，密切結合了建筑學專業的特點和需求，全面改革了課時設置、配套教材、教學方法和考核方式，極大促進了學生對結構性能、結構與建筑關系的認識，激發了學生的設計創新思維。 關鍵詞：建筑結構；建筑力學；結構選型；建筑空間中圖分類號：G6423文獻標志碼：A文章編號：10052909（20
2、15）01001306一、困境與需求建筑作為人類為自身生存和活動而建造的空間環境，從來就離不開結構的保障。結構，是建筑空間和形態得以實現與維持的首要且唯一工具，是建筑的物質保障和骨骼1。勒?柯布西耶這位早期現代主義運動的旗手，是為數不多的深諳建筑與結構合作深意的人，他將建筑師與工程師之間的合作比作兩只緊握的手，這兩只手的交握對當代建筑實踐尤為重要2。雖然某些當代建筑流派將結構的暴露當作建筑創作的主要手法，但絕大多數結構仍以建筑空間背后的隱形角色而存在。結構設計本是建筑設計活動的題中應有之意，然而結構的作用似乎是從屬的、甚至被認為限制了建筑師的創造性與建筑空間的發展，結構工程師只是聽命于建筑師的
3、配合人員，是以復雜、精確的計算搭建結構的技術人員。事實只能如此嗎？結構與建筑的結合、變化與創新中，其固有規則是什么3？當代建筑形式由方盒子向曲線、曲面、運動、發散及非平穩的形態發展，而作為建筑的骨骼是否仍然只能以規則的框架形式、脫離于運動變化的空間形式之外、隱身于建筑之內而存在，是否僅能起支撐作用4？結構的固有形式能否成為建筑空間的有機組分？人們熟知的直線型構件梁與柱、平面型構件板與墻是否可向新的建筑空間和結構形式自然演化？結構設計與建筑設計究竟是融合的還是分離的？結構工程師只能把建筑師的想象拉回“刻板的現實”還是能共同參與創造5事實上，當代建筑實踐已對結構在建筑設計中的積極性和創新能力給出了
4、肯定答復，而中國傳統的面向建筑學專業的力學和結構課程卻落后于建筑的發展，無法圓滿回答甚至根本沒有觸及上述問題。長期以來，中國高校面向建筑學專業的建筑結構課程主要包括建筑力學與結構選型兩大部分（如圖1）。建筑力學通常是土木工程專業三大力學（理論力學、材料力學和結構力學）的簡寫本，內容、教學時間與教材均相對獨立隔離。教學以定量分析和計算技能為主，忽視了基本構件在建筑結構中的組合、變換機制及其創新的可能性，忽視了結構固有力學特性中所蘊含的獨特空間形態。而結構選型很長一段時期是結構設計規范或建筑結構構造措施的簡介，缺乏與建筑力學相關內容的銜接，也很少涉及對結構體系與建筑形式及功能的結合的分析。近年來，
5、盡管國內也有同行意識到上述缺陷，先后翻譯出版了針對各類體系傳力機制、空間形式等特點的結構選型參考書6-8，但受困于僵化刻板的教學計劃、偏重計算的傳統教材和來自結構專業的任課教師對當代建筑學專業教學特點的了解不足，相關課程教學中的割裂和隔離局面依然如故：一邊是對習慣形象思維的建筑學專業學生“面孔生硬”的講授，對力學計算方法和計算技巧訓練；一邊是對現當代建筑結構的形式演變規律與創新可能性的教學欠缺。而在建筑設計中如何合理、靈活地應用各類結構形式以滿足建筑功能和空間形態的需要，如何在結構中尋找建筑功能與空間形態創新的突破口，學生渴望了解的上述問題卻普遍得不到解答。為此，重慶大學土木工程學院建筑力學研
6、究所在建筑城規學院建筑系的大力支持和協助下，徹底摒棄了以量化計算為主要目的、內容相互隔離的傳統建筑力學課程教學模式，重新構建了面向建筑學專業本科教學的建筑結構課程體系。新的課程體系由建筑力學、結構選型和建筑中的結構藝術三個層次的課程構成。該體系在課時設置、教材編寫、教學方法和考核方式等方面進行了全面改革，密切結合了建筑學專業學生的建筑學知識背景與空間思維能力，將三大力學融為一體，從傳統、規則的結構形式的力學特性出發，使學生在掌握結構本質的力學與功能特性、典型結構傳力機制及其實現方法的基礎上，了解結構所蘊含的空間形態特點及其組合變化方法，通過對現代建筑結構發展脈搏的觸摸，認識結構形態創新與建筑空
7、間創作結合的可能性。圖1傳統建筑結構課程體系框架二、體系與內容高等建筑教育2015年第24卷第1期陳朝暉，等走出建筑結構教育的困境建筑學專業建筑結構課程體系的重構面向建筑學專業本科教學的建筑結構課程體系總體構思為：以定量分析為輔助手段，定性綜合認識為根本目的，從建立簡單桿件力學性能的基本概念入手，結合材料性質，認識結構體系的力學特性以及構筑結構傳力途徑的基本規則，最終建立對結構固有力學邏輯所賦予的結構空間特性的認識，了解結構與建筑空間創作結合的途徑。傳統建筑力學教學所強調的量化分析與計算技能在此僅僅是掌握結構力學性能的手段和依據而非目的，是進入結構性能及其空間特性這一廟堂的臺階。課程體系框架如
8、圖2。上述體系中的課程相互銜接、循序漸進、各有側重、相互銜接、要求各異，分三個層次予以實現。第一層次建筑力學。它是整個教學體系的基礎和出發點。該部分課程本著結構的基本性能是傳遞荷載的思想，遵循結構整體構件構件截面結構整體的教學思路，在不同尺度上認識結構的傳力方式與特性。以概念為主、計算為輔，結構為主、材料為輔，力學性能為主、使用功能和形態特性為輔，以桿件為主要對象，將傳統教學體系中相互隔離的三大力學知識（理論力學、材料力學和結構力學）完全融合、有機統一。該部分教學體現了量化，概念是為了使結構的力學特性明晰，計算是為了對結構性能的把握具體的目標。定量計算技能的難易程度以注冊建筑師的結構計算要求為
9、基準。此外，還注重密切結合典型建筑材料的性能，闡述各類桿件的形態與功能特性及其相互轉化關系。第二層次結構選型。正如線的移動和轉動可以構成任意形式的面、面的組合可以形成空間形體一樣，結構選型以直桿的力學特性為基礎，提供了結構體系演變的認知線索，即通過直桿的組合、密排、重疊和彎折等定性認識框架、網架、板、墻以及拱、殼體、索、膜及其他空間結構的力學性能，把握結構演化的規律與線索， 認識構筑結構傳力路徑的基本要求與方法，了解典型結構體系如墻板結構體系、框架結構體系、框剪結構體系、筒體等的力學特性，了解基于極限狀態的結構設計思想與結構生命全周期的設計理念，強調從經典的建筑案例中認識典型結構形式，初步認識
10、結構固有形態與建筑空間要求的關系。圖2建筑結構課程新體系框架第三層次建筑中的結構藝術。在前兩個層次的基礎上，該課程更深入地挖掘和揭示結構由其固有力學特性與邏輯所決定的形態美。藝術的本質是創造，結構設計的本質也是創造。通過對現代建筑作品中建筑空間形態與其結構形態相互關系的深入探討，了解從空間形態和傳力方式出發構筑合理而優美的結構的途徑，認識框架、平板和“方盒子”并非結構存在的主要形式（更不是唯一形式），體會結構在滿足其科學性、合理性和力學效率的基礎上具有巨大的創造空間，具有再現建筑空間形態乃至創造新的空間形態的可能。三、實踐與收獲針對上述三個層次的內容和要求特點，教學實踐中采取了不同的教學方法和
11、考核方式。建筑力學與結構選型為必修課，為此筆者編寫了教材建筑力學與結構選型（中國建筑工業出版社，2012年出版）。教材編寫及其教學實踐不再停留于結構的內力圖繪制和強度、剛度的計算校核上，而力求達到力學分析服務于對結構特性的認知，挖掘結構的組合和演變規律，以結構源于工程，服務于工程為宗旨。建筑力學課程著重于結構的基本概念、基本分析方法與桿件結構的基本力學特性，以定性認識為目的，定量計算為手段。強調結構源于工程而服務于工程，遵循感性理性高層次的感性認知規律，每一種結構形式的引入都從實際工程入手，并盡量以工程意義明確、形象易懂的方式介紹力學基本概念，避免生硬的數學力學概念和繁瑣的演算。自始至終貫穿力
12、的傳遞這一認知線索，使力這一抽象概念形象化、動態化，使不同結構的傳力特性直觀明確。如圖3所示，從荷載在結構整體（典型如梁柱結構體系）的傳遞路徑入手，建立對力的傳遞的感性認識，再由定量分析揭示桿件截面內力與應力分布特性（如梁的內力和截面應力分布），逐步深入地認識結構的傳力本質，最終通過力流的概念把握不同結構的力學特性。在這一認知過程中，定量分析可將模糊的感性認識導向理性，是不可或缺的臺階和拐杖。但若缺乏對量化分析結果的總結、對比和反饋，又將使分析陷入盲目并流于數字游戲。圖4比較了桁架、索和拱的傳力機制，形象地展示了桁架、拱和索的各自特點，使學生克服了對結構與力學的恐懼心理，使力變得可以觸摸，力的
13、傳遞變得有跡可循，使后續課程中結構的演化有規律可依。此外，還將材料特性、結構幾何特性、支撐方式與結點聯結方式等也融入結構傳力機制中，綜合全面認識結構的傳力特性。圖3荷載內力應力的結構傳力方式示意圖圖4幾類典型結構的傳力示意圖在建筑力學課程把握桿件結構力學性能與形態功能特性的基礎上，結構選型課程從結構體系的幾何特點、構成方式、力學特性及其空間特性等多方面定性認識結構的綜合性能，將建筑力學部分通過量化分析得到的簡單構件的力學概念在典型規則的結構體系中得到定性應用與拓展，使學生了解構筑結構體系的合理傳力路徑的規則與方法。該部分采用課堂講授與討論相結合的方式，遵循從結構體系的整體傳力基本要求、規則結構
14、的水平和豎向分體系的幾何特點、構成方式、傳力特性乃至基本構件的力學性能在分體系中的應用這一由整體而局部的認知途徑，使學生對結構體系的力學及空間形態特性的認識有跡可循，并得以了解典型結構體系的組成規則、特點和傳力特性。本階段教學強調結構的演變性，即以直桿的力學特性為出發點，定性闡述各類基本結構（墻、板、拱、索以及曲面和空間網架結構等）與直桿的關聯，從而建立定性把握復雜結構力學特性的認知途徑。如圖5所示，從柱的密排認識墻體的性質、梁的重疊認識板的性質、墻體柱筒體的相互轉化認識高層建筑結構的豎向和水平傳力機制，并初步認識曲面和空間網格結構等的演變規律和特性。從高層建筑結構、大跨空間結構以及現代科學技
15、術與新材料的應用等角度分別選取現當代經典建筑案例，探討結構體系的構筑與應用、結構空間形態與建筑空間形態之間的關系。圖5基本結構的相互轉換結構選型綜合學生課堂討論參與情況、PPT講述與綜合作業情況進行考核，綜合作業包括課程開始時淺述結構形式的演變與建筑材料應用的結合、課程結束后任選具體建筑案例分析其結構形式、材料運用與建筑功能的結合，課程進行中分組針對建筑案例進行PPT演講。學生所表現出的活躍思路、生動多樣的PPT講述手法、對結構的濃厚興趣以及被激發出的結構直覺令人驚喜（圖6）。建筑中的結構藝術作為該教學體系的最后環節，為任選課，共32學時，采用針對主題的分組課后準備、課堂研討的方式，引導學生思
16、考和探究建筑結構曾經發生了什么、正在發生什么、將來會怎樣，建筑結構所固有的空間形態美之所在。考核成績以課堂參與、講述情況以及書面討論作業等進行綜合評價。該課程教學包括兩個階段：第一階段主要針對結構的傳力特性和構件的空間形態，討論主題包括優美的結構、桿件的變形、組合與運動、結構體系的均衡與延性、平衡或反平衡等，學生分組選取案例展開分析與討論，在結構的合理性、整體均衡性以及平衡穩定性的認識基礎之上，總結表現結構固有邏輯所決定的形態美的方法，并認識某些當代建筑結構在形式上雖然反常規、反穩定與反平衡，而在構筑傳力路徑時仍嚴格遵循結構固有邏輯的特性。第二階段的主題相對宏觀、綜合，側重于結構與人類社會文明
17、發展的關系，藝術、文化、經濟與科學技術等對結構發展的影響，并針對目前頗受熱議和關注的仿生、綠色、可持續等觀點和建筑案例探究建筑結構仿生的意義和目的，引導學生挖掘結構整體與局部、規則與不規則的關系。該課程同時探索了一種全新的探討式開放式的過程教學方法，教師不再以講臺的占有者和宣講者的姿態出現，而是扮演了引導者、參與者、旁觀者和聽眾的角色，學生對于各種主題的積極參與、活躍開放的思維達成了教學的互相激發，教與學的雙方真正實現了自我發現與互相發現（圖7）。圖6建筑力學與結構選型作業選“淺述結構形式的演變與建筑材料應用的結合”圖7建筑中的結構藝術作業選“建筑空間與結構形態共同生成過程的探討”以上構建的新
18、的建筑結構教學體系以結構固有的特性及其本質為出發點、以量化分析為手段、以對結構體系的力學性能、結構演化的規律性與創造的可能性的認識為目的，避免了流于對現代建筑結構形式感的膚淺的討好。已歷5屆的教學實踐表明，新的建筑結構課程體系保障了內容的連貫性和整體性，彌補了傳統建筑力學中三大力學劃分造成的內容和教學安排的隔離、間斷與冗長。所編教材，力求使力學理論與結構認知密切銜接。學生克服了對結構力學知識及分析技巧的畏懼和抵觸，認識到力之于結構的形象特性力流，把握了基本構件和典型桿件體系的力學性能。對結構傳力特性的認識不再停留于結構的表面形式，而深入其力學本質。通過上述課程的學習，學生認識到建筑形式的自由源
19、于內在結構骨架和材料的突破，而后者以技術和理論的發展為支撐，對結構形態及其功能的認識促進了學生在后續專業課程中建筑造型設計上的創新（圖8）。正如學生的體會：“每一種結構都有著自己獨特的品質，它同時會深深影響著建筑的外部形態和內部空間，甚至會給予你一些意想不到的收獲，這或許也是結構最吸引人的地方。”（建筑學本科生于思）。“建筑師提升自己的結構素養，尋求和結構師的更緊密合作，看來是未來更震撼人心的建構美學作品的必然前提。” （建筑學本科生宋然）圖8學生建筑設計作業選“大空間建筑設計”四、體會與冀望當代建筑結構的突破和創新令人贊嘆，而我們在傳統教學中困守固有規則的結構形式和教學模式又讓人不免遺憾。面
20、向建筑學專業的建筑結構課程體系的改革、探索與實踐，對多年從事教學與科研的結構工程專業的教師而言，是一次梳理過程，是對一味追求計算精度的偏頗的調整，是從精確計算向“不算之算”的教學突圍，是對結構分析和設計的本質含義的反思，也是對力學定義、符號與公式的工程意義的挖掘。通過建筑結構系列課程的改革探索和教學實踐，已使建筑學專業的學生意識到，繁瑣的計算不是結構設計的代名詞，“方盒子”不是牢不可破的結構形態。結構究其根本不應成為建筑的束縛，良好的結構素養可以讓建筑師體會到更深層次的空間邏輯，并予其更大的創作自由。希望這一探索也能推動結構工程教學的發展，激發結構工程專業學生的創新潛力。從教育起步，實現建筑師
21、與工程師兩手的緊密交握，希望未來震撼人心的建構美學作品出自我們自己的設計師之手。參考文獻：1陳朝暉.建筑力學與結構選型M.北京：中國建筑工業出版社，2012.2羅小未.外國近現代建筑史M.北京：中國建筑工業出版社，20103戴維?P?比林頓.塔和橋：結構工程的新藝M.鐘吉秀，譯，北京：科學普及出版社，1991.4安妮特?博格勒.輕?遠：德國約格?施萊希和魯道夫?貝格曼的輕型結構M.北京：中國建筑工業出版社，2004.5Cecil Balmond， Jannuzzi Smith， & Christian Brensing Informal： The Informal in Architecture and EngineeringM. Prestel Verlag GmbH & Company KG.， 2002.6海諾?恩格爾.結構體系與建筑造型M.林昌明，羅時瑋，譯.天津：天津大學出版社，2002.7馬爾科姆?米萊.建筑結構原理M.童麗萍，陳治業，譯.北京：中國水利水電出版社，2009.8陳保勝.建筑結構選型M.增訂版.北京：中國建筑工業出版社，2011.
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