蛇形畫廊—結構師眼中的臨時建築
作者：顧樂明 iStructure
結構工程師日常工作中遇到的建築基本上都是「永久性」的，業主希望建築能夠存續的時間越長越好，我國民用建築一般是要求設計基準期達到50年以上。事實上，還有很多建築是臨時性的，或者稱之為裝置，存續的時間往往只有幾天或幾個月。
▲左為巴黎聖母院，右為奧託設計的臨時帳篷
蛇形畫廊（Serpentine Gallery）位於倫敦的肯辛頓花園，原址為古典主義風格的一個茶室，因其附近海德公園中的蛇形湖而取名為蛇形畫廊。每年夏天肯辛頓花園內都會出現三個月的臨時建築 – Serpentine Gallery Pavilion，作為派對、展覽或演講等活動的場地，夏天過了就立即拆除。設計任務書只有三點要求：需為開放空間、基地面積300平方米、臨時性建築。
從2000年開始，畫廊連續19年都邀請來自世界各地的最為知名建築師設計師進行臨時展廳的設計。被選中的建築師都可謂是「當紅炸子雞」，扎哈·哈迪德、伊東豐雄、阿爾瓦羅·西扎、庫哈斯、弗蘭克·蓋裏、妹島和世、BIG都曾參加過展館設計。
下面小i就嘗試以一個結構工程師的視角來介紹蛇形畫廊。
臨時建築的結構特點
結構材料
對於「永久性」建築，50年這樣一個時間跨度，給建築帶來了很多限制。首先，材料的耐久性是一個基本要求。不可能房子造好了，每隔一段時間要去更換一下結構樑柱。因此，目前世界範圍內大量應用的結構材料就兩種：鋼筋混凝土和鋼材。其他的材料，比如鋁合金、木材、石材、FRP、玻璃、膜都只能算是小眾的結構材料。
但是在蛇形畫廊中，出現了很多種小眾的結構材料。
▲2001: 丹尼爾·李伯斯金（DanielLibeskind）和 Cecil Balmond
摺紙形式，鋼結構骨架和金屬表皮。
▲2003: 奧斯卡·尼邁耶（Oscar Niemeyer） 巴西建築師
混凝土場館。
▲2006: 雷姆·庫哈斯（Rem Koolhaas）
充氣膜結構。
▲2008: 弗蘭克·蓋裏（FrankGehry）
木結構
▲2014: Smiljan Radic
玻璃纖維建成的殼體
▲2015: SelgasCano
塑料織物
設計荷載
臨時建築由於使用週期比較短，在整個週期中風荷載、地震作用就可以大大減小。很多時候約束結構設計的水平力，由主要矛盾變成次要矛盾。基本上只要解決豎向力的傳遞就可以了。比如由妹島和世+西澤立衛（Kazuyo Sejima + Ryue Nishizawa）設計的2009年蛇形畫廊，採用了極細的柱子支撐了一整片鋁合金板。
▲2009: SANAA
同樣由SANAA設計的格雷斯農場河畔建築，其形態與2009年的蛇形畫廊類似，受力體系也均為依靠柱子抗側。但因為後者是永久性建築，其柱子的尺度就比前者大不少。
▲格蕾絲農場河畔建築
臨時建築這一特點，在2008年威尼斯雙年展的日本館表現到了極致。建築師石上純也希望用一個玻璃盒子覆蓋植物，同時希望立面的柱子儘可能細。
▲2008威尼斯雙年展日本館
據說展覽結束後有一隻貓闖入玻璃盒子，撞到其中一個柱子，然後溫室就塌了
這個小i沒有考證過，但從構件尺度上來看，這個玻璃盒子應該不能受太大水平力。
巴爾蒙德的方盒子
由於臨時建築往往規模不大，結構能不能搭出來並非一個很難的問題。在臨時建築的設計中，往往不是建築師提出一個很難的結構體系，結構師埋頭去解決。而是結構師怎麼與建築師互相配合，碰撞靈感，創造出更富創意的建築。下面以巴爾蒙德與伊東豐雄合作設計的2002年蛇形畫廊為例，看一下大師是怎樣配合的。
巴爾蒙德與伊東豐雄聯合設計了2002年度蛇形畫廊。建築師給巴爾蒙德提出的難題是：如何在一個方盒形的建築中，感受不到方盒子？
作為數學與幾何學都有極高造詣的巴爾蒙德，提出了一個演算法。在正方形的相鄰兩邊中，從一邊的中點向鄰邊的1/3處連線，按照此1/2-1/3法則，便得到了在原正方形內部互不相交的4條直線。
而1/2-1/3法則迫使該軌跡打破方形邊框束縛，從而產生一個新的方形，如此，該法則才得以延續生效。以此法則運算6次就得到了一個基本的結構。在這裡，如果該結構內部的所有線段在兩個方向延伸，將生成一個具有很多交點的圖式。其中某些線段將作為主要承重結構構件，某些將作為次級承重構件，而其餘的將作為建築裝飾結構。
這一形式的美學效果是一種網路形態的複雜體，並且，隨著眼睛追隨著這些結構元素運動，視線將被引至室外，對平面的感覺被某種無限的空曠感覺所代替。方盒子在這裡消失了。
結構工程師總是有想要表現結構的衝動。而在蛇形畫廊的設計中，巴爾蒙德為了建築效果，壓制結構表達。巴爾蒙德試圖將一種基本構型或幾何演算法，從一開始就植入建築的基因。正如他在《異規》中所倡導的，一種由內而外的構建方式。
搭積木
2016年，蛇形畫廊委託BIG進行設計。建築師從一個最為基本的元素——「搭積木」出發，開展這次的設計。玻璃纖維製作的矩形管一個個堆疊起來，組成牆體。牆面的弧形通過矩形管的錯位堆疊來達到。
仔細觀察發現，一個個方盒子之間是通過角鋼和螺栓連接的。正好小i週末在陪兒子搭積木，小i就想開一下腦洞：如果方盒子之間沒有連接，只是依靠的錯位堆疊，結構最多能懸挑出去多少？
請大家跟著小i來一次頭腦風暴。假設有一塊積木，長度是L，質量均勻，則重心在積木的中心。將這塊積木放在地上，它是永遠穩定的，我們稱之為0號積木。
在0號積木的基礎上，放置1號積木。我們發現，要使1號積木穩定地搭在0號積木上，則0號積木的右端是臨界點（紅色三角）：當1號積木重心在紅色三角左側時，1號積木穩定；當1號積木重心在紅色三角右側時，1號積木就會傾覆。
以0號積木的左端為參考系（藍色三角），假設1號積木向右側偏移x，1號積木的重心距離藍色三角距離為W1。可以推導處1號積木的穩定條件如下圖所示。
繼續放上2號積木，其相對1號積木再向右偏移x。我們發現，2號積木的位置相當於上圖中1號積木的位置，那它的穩定條件是x不大於L/2。
而1號積木由於上面加了2號積木，其兩者合起來的重心發生了變化。還是以0號積木的左端為參考系（藍色三角），假設1號、2號積木的重心距離藍色三角距離為W1。可以推導1號及其上部積木的穩定條件如下圖所示。
再放上3號積木，其相對於2號積木向右同樣偏移x。最終控制是否倒塌的還是1號及其上部積木。所以，我們推導得出1號及其上部積木的穩定條件如下。
假設，我們放上了第n號積木，每一塊積木相對其下邊的積木均向右偏移x。我們可以得到整個體系的穩定條件如下。
由上圖可知，積木越多，能挑出去的長度越大；但是，懸挑的長度有一個極限，即最多也只能挑出去一塊積木的長度。不信，大家可以嘗試一下
。
如果有建築師想像搭積木一樣，只是靠重力搭一些臨時結構或裝置出來，小i可以一起出謀劃策。
歷年蛇形畫廊簡介
從2000年開始至今，共有19位建築師設計了蛇形畫廊。除了上文提到的，限於篇幅，其他年度的蛇形畫廊羅列如下：
▲2000: 扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）
▲2004: MVRDV (未建)
▲2005: 阿爾瓦羅·西扎（Alvaro Siza）和索托·德·莫拉（Eduardo Souto de Moura）
▲2007: Olaffur Eliasson 和 Kjetil Thorsen
▲2010: 讓·努維爾（Jean Nouvel）
▲2011: 彼得·卒姆託（Peter Zumthor）
▲2012: 艾未未（Ai WeiWei）和赫爾佐格&德梅隆（Herzog & De Meuron）
▲2013: 藤本壯介（Sou Fujimoto）
▲2017:弗朗西斯·凱瑞（Francis Kéré）
▲2018:Frida Escobedo
2018的蛇形畫廊是由墨西哥建築師 FridaEscobedo 主創設計，是2000以來操刀蛇形畫廊的最年輕建築師。展庭以水泥瓦建造牆體，通過運用光與水的元素，使用英國本地的建材營造出墨西哥民居的感覺，
▲2018北京：劉家琨
同時，蛇形畫廊2018年委託劉家琨設計在北京設計了一個展廳。建築師以「弓」為意向，利用鋼和拉索營造了一組極簡的力學裝置。
如果有正好在倫敦和北京的夥伴可以去參觀感受一下~
小結
像蛇形畫廊這樣的臨時建築與永久性建築有較大的不同，本身結構的難度不會很大。對於結構工程師來說，可能跟建築師一起靈感碰撞做一些好玩的東西出來，纔是真正的使命吧。
參考資料
1）http://www.serpentinegalleries.org/
2) https://www.archdaily.cn/cn/790533/adzong-jie-li-nian-she-xing-zhan-guan
3) 蛇形美術館北京展亭 | Serpentine Pavilion Beijing 劉家琨
4）本文圖片均來源於網路，版權屬於原作者或網站
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