【翻译】工程本质论

坚持实干、坚持一线、坚持积累、坚持思考,坚持创新。


写在前面:

有幸邀请到小伙伴 yuchouwang ( Email: 1352939537@qq.com在 公众号:结构之旅 进行分享。深感结构工程师应该多了解建筑方面的知识,扩宽一下视野和角度,不仅要知道具体的结构设计,也要多些尝试去理解背后的建筑设计哲学。从这些学习中,技术也好,概念也好,抽象和提炼出一些东西,并学会表达自己。欢迎大家关注公众号:结构之旅

本文作者:

 yuchouwang ( Email: 1352939537@qq.com)。


导言


Laurent Ney,爱尔兰工程师。早年在Bureau Greisch工作,1996年开始独立工作,1998年成立Ney & Partners事务所。代表作有Knokke-Heist人行桥,荷兰水运博物馆天窗等等。尽管作品中多数用到了数值优化以及数字生产等方式,对于Ney来说,数字化更多是实践手段,梳理事物的关系以及拓扑则触及到了更深的设计哲学。我不知道将Ney的实践归到德勒兹或者德兰达的新唯物主义下是否正确,这点交由读者判断,以个人感受来说,Ney的思维方式确实如同一台抽象机器(abstract machine),通过深层的操作颠覆了结构的常态。这篇文章选自《Shaping Force:Laurent Ney》,是Ney的作品集,崔博结构之旅约稿。

正文


现代工程作为19世纪的产物,最早可以追溯到工业革命。这个行业自兴起之初就开发了数量可观的工具:解析结构,划分为独立问题。每个问题所对应的解决方案都是基于一定的结构类型(Typology),并以此确定大概的几何形式。过去的两个世纪里,这条公式在桥梁、机器还有楼房方面十分灵验。另外,工程学在自身发展过程中,也不断发现新的元素来补充这条基本公式:更强的材料,更好的施工方法,以及更复杂的计算模型。工程学对于世界的影响是巨大的:我们现在接触到的每个项目中,由工程师指导所采用的解析方法,材料的经济性以及技术方法都印证了这点。反言之,在社会中该原则若普遍常见,便意味着工程方法常遭盲目滥用。西班牙工程师爱德华·托罗哈(Edwardo Torroja)在其著作《建筑工程论》中得到相同结论:“常见的错误是,把分析计算一条梁放第一位,殊不知这条梁是不是必须的。”

Ney & Parteners的作品都基于一个观点,即在设计建筑或者结构时,任何东西都应被质疑。不仅仅是所选的限制条件,还有工程上的工具等等。层级,类型以及几何往往在工业时代初期就已经被定下了。在如今的后工业时代,后数字时代,土木工程师不再处于社会发展的先锋位置。过去几十年里,IT,汽车以及航天航空工业形成了无数新观点还有工具,而建筑行业对此却不知情,更遑论使用了。自从公司成立以来,正如过往结构工程师那样,我们一直在尝试扩展视野,把这些领域中的新工具利用起来。这让我们的基本方法论发生了巨大转变:脱离传统,并赋予新内容。正是这些依据特殊项目的特殊需求而做出的选择,形成了当代工程师的视野及实践方式——以形塑力(shaping forces)。Ney & Parteners的所有项目中都能看到这点。这正是我们作品本质所在,它包括文脉(context),物性(materiality),节点,几何,层级,设计策略以及形式七个方面。

文脉与物性

文脉是最基础的,无论作为设计的出发点还是所有反思的基础。文脉不仅指空间环境、场所精神(genius loci),也指技术、经济、历史以及社会条件。所以文脉不仅指空间,还指时间。现在的项目不同于20年前的。在欧洲的也不同于在亚洲的。哪怕所需要解决的问题是一样的,设计反馈也会不同。我们无意比肩中国建设的激情,我们需要意识到自身的特质。我们所接触的欧罗巴文化强调传统以及建筑遗产,有着2000多年的建筑遗产能辅助设计。

我们从不发明任何东西,我们只是转化既有的设计。放在历史的维度上,当今的工程师不过组成了极小一部分。这让我们既谦虚又有雄心。换言之,在欧洲建造东西,都得考虑时间维度。我们建造不是为了十年的使用期,而是永恒。为永恒而建是典型的欧罗巴式的。事物是怎样老去的?设计的细部如何历久弥新?建造意味着社会责任,因此也意味着得经住时间考验。这里,一个项目是历史的一部分,是充分考虑材料使用的建造史。

不过,材料的运用不仅得考虑建造传统,还得考虑场地的特殊性。在城市尺度,被建造的对象不仅取决于自身的形式,还要考虑材料的使用。物性给与一座城市协调一致性。如果观察欧洲的铺地,你很快就知道你在那儿。知道自己在哪儿很重要。Knokke-Heist桥的关键部位在于其镶嵌有鹅卵石骨料的桥墩。水磨石常见于海边,是模拟加速自然风化冲刷后的结果。桥墩把桥嵌固于地面。尽管如此,物性还意味着纹理,触感,以及碰撞现实。在另一个尺度上,使用者是通过材料碰触到结构的。我们对材料的触感非常感兴趣。在人的尺度上,材料通过触感展露自己。它联系了观念世界还有现实世界。

节点

结构中,工程师语汇的关键在于将不同元素*组织在一起的方式。基本构件好比字母之于单词,而一个完整的结构就像一篇文章。一个工程师的基本交流方式在于对文本**的把控,不同元素彼此联系的方式上的考量,它们之间的节点以及组装方式。结构节点设计最关键在于如何让结构落地。这是我们从一个世界进入另一个世界,从一个尺度转入另一个尺度的临界点。与地面的连接节点,是一件结构基建艺术品的高潮。如何落地就像是一座房屋的门槛,或者进入客体的入口。在这儿你能碰触到结构,在这儿庞大的建造过程落实到了人的尺度,在这儿你能进入并体验结构。

节点设计值得花心思,而建造传统则为其提供了很好的启发。过去的匠人在贵重金属的节点设计上花了毕生心血,我们对此做研究并作进一步的阐发。当结构中的两条线互相交叉,应是怎样的精度?是穿过对方,还是互相排斥?是该重叠,还是说打断一条线让另一条通过?节点设计对结构有着某种影响,整体结构是能够通过细部阅读的。不过设计节点也有非常匠气的一面。节点赋予结构人的尺度。节点中能看到材料对结构理念的表达,以及材料对设计意图的体现。

*此处element译为元素,狭义来说,好比是有限元的单元,广义来说,就是元素,构成,偏形而上。

**原文为text

几何

建筑和工程离不开几何。自古以来,我们的结构反映出几何以及数学的规律。比如众所周知的柏拉图几何体,包括球,正方形,立方体,箱体等。除此以外,还有模数以及网格的应用。为了一个可被辨识,“前后一致”的规范用语,得要问几何与建筑孰先孰后。应该把几何当作一种启迪,还是仅作为描述理念的辅助工具?这显然没有现成的答案。不过在我们看来,古典几何的重要性被夸大了。以为建筑不过是被建造出的精细几何体的想法太天真了。传统的工程几何学是描述性的,根据已知的公式来布置特定的形式。除了描述性几何,我们还要研究几何的生成价值(generative value)。这意味着平面以及立体(二维或三维)必须在更宏观的上下文中,即我们所谓的潜在体系中去理解。这个观点并非来自道德或者理论,而是直接从我们身处的世界中总结得到的。

直到六七十年代,建筑和工程仍在使用古典几何。正是在那时自由形式涌现,古典几何很快就被遗忘。所以绝对自由的几何出现后古典几何还有什么存在价值?几何帮助我们组织形式的各个维度,并且帮助发现新形式。这让我们得以掌控复杂问题并展开工作。参数设计的基础是几何,即便是一个简单的几何也能进行无数调整。一个更好的适用方案的前提条件在于几何研究,即便采用不同优化方法,一个潜在系统仍旧能够脱颖而出。这样看来,即便在复杂且难以捉摸的形式中,也潜藏着简洁的形式,比如DNA螺旋。不过几何不仅仅产生新形式,它也能够根据美学布置图案。通过复杂的图案,几何作为一种表现手法被整合入设计中。作为表现形式,几何引入并更新了已在某些建筑语汇中遭到遗弃的装饰手法。毕竟图案是新的装饰形式*。

*通过增材打印或者新兴的建筑建造手法,一些Nervi式的结构得到进一步发展,例如ZHA,BRG等人的作品。

层级(Heirarchy)

我们在形式以及概念设计中,层级以及层级的简化是重要议题。在我们所有项目中,无论是土木还是建筑,我们都在追求结构的高度统一。建造的层级问题一直伴随着行业本身。把复杂问题化约为一系列简单问题的策略是众所周知的,并且随处可见。土木工程的领域中,这个策略可以追述到19世纪的理工学校。随着工业发展,按这个策略衍生了诸多大胆的设计。一个贴切的例子是19世纪的桁架桥:每一个构件,每一条梁都是对特定方向特定受力的特定回答。如今这个策略仍旧被引用于建筑工业,包括建筑以及土木。而高技术性行业以及设计却鲜有使用。除此以外,高技术性行业更多是采用整合以及优化的策略,也只有这样才能生产性能更好的产品。日常中我们能看到的优化整合后的产品或机械有:汽车,飞机以及电脑等。它们都是复合性产品,即结构之间的层级,次要元素或者包装难以被察觉。

所以为什么现在的建筑行业为什么还要用19世纪的加法(additive)策略?从第一个设计开始,我们就尝试拜托这个策略;我们第一次成熟地实现整合的策略是在Antwerp的Tachkemoni学校的两个雨棚设计中。我们不想要两个雨棚是小部件的堆砌,无论是水平的还是竖向的。设计过程正是对一个充满结构统一性客体的探索。关键问题是如何限制构件数量。除非一个构件能够实现多个功能。然后我们放弃了次梁,主梁以及柱的概念。强迫自己对形式还有材料进行全面反思。不限于局部,而在于问题的整体。雨棚的设计中,我们需要一个面元素来同时提供以及结构功能。我们得出的结论是使用张拉膜结构。我们不刻意研究膜结构构造,一张张拉的薄膜在当时看来是得到理想结果的最佳方式。采用中心化,整合的方法减少构件的数量,得到了一个高度内在化的复杂解。结构按一定程度上的极简主义设计,却仍旧能兼顾多个维度的意义。在Tachkemoni学校的雨棚设计中,设计策略从加法逻辑过渡到减法逻辑,并且在Knokke-Heist桥中进一步升华。

设计策略

设计过程的第一步是重新阐释并定义问题。答案不重要,而在于抛出问题。答案永远是独一无二的,妙手偶得之,而问题则是普遍的,因此适用范围更宽泛。一旦提出正确问题,设计作为综合完整的答案便成形了。例如Knokke-Heist人行桥的设计,就是基于一系列的城市规划、建筑、历史、当地文脉、结构及稳定性研究。精确形式的设计正是以这些限制为起点的。以这种方式,我们先采取调谐原则,两边立柱来吊挂钢结构。这个方案让桥梁能够通过一张钢板,来吸收局部还有整体的荷载。接着便是优化结构模型,切掉多余材料。利用计算机建模,我们求得了在悬挂的平面内最优的材料分布,以及在支座处最优的开洞尺寸。在这个过程中,材料用量大幅减少,而基本的几何形态也通过最高效地拟合力流得到改进。在这个案例中,结构原则不再是做加法,而是做减法。建造过程不再是将众多棱角分明的构件拼凑在一起,而是优化或者按照单一性原则对单个对象的转化。Knokke-Heist桥是把一张钢板弯曲,然后进行多余材料的剔除,没有梁、悬索或者拉索。

当削减达到极致的简洁后,这座桥便只有自身的内在逻辑性。尽管基本研究依旧是靠静力分析,但最终它们全被归纳为高度整合的结构形式。其他方面的考量在结构客体上互相交织,为其增加了更多的内涵。在一个暧昧不明的结构体系上提炼意义,最终赋予了结构客体一丝诗意。基于结构、经济、文化还有技术逻辑的结构设计,确实同传统结构设计方法大相径庭。我们的目的在于跨越这些殊异。过去按结构类型设计的形式,同基于个人研究得到的形式之间到底有多大差别?最大的差别在于结构概念还有建造之间的协调一致性,以及随之而来的材料用量的经济性。按照这种标准设计的结构,与人为设计主导的结构的相反, 名副其实地可以称之为受力塑造的结构,即以力塑形。正是由于几何、结构还有建筑在深层次上的结合,Knokke-Heist桥成为了我们的建造宣言。在方法背后的意图得到揭示:这座桥让我们相信还有一个形式的王国尚待发现。

形式和拓扑

从传统角度看,工程师并不是非常积极地在处理几何。我们确实善于确定尺寸以及验证复杂的构造,但无缘这些结构的概念设计。多数关于结构尺寸的研究,规范以及文献都仅局限于验证。计算告诉你“多少”(how much),而不能让你知晓“如何做”(how)。工程师并不介入方案设计,一般直到方案稳定后才参与。传统结构设计都从一些结构类型开始,即一些特定的结构语汇。而且往往是从过去两个世纪的诸多语汇中进行选择的:空腹梁(Vierendeel girder),拱桥,钢柱等等。每个类型都有个名字*,以及有关它们的形式、各个单元之间的关系的描述。这么做的好处在于讨论结构会很轻松,坏处在于结构的外观在以开始就被框定了。就像是传统对结构层级的阐释,偏于保守:结构语汇限制了结构客体,而被限制的结构客体也因此有了一种不容置喙的合法性。为了获得新形式还有概念,我们就得要摆脱这些预设的结构类型。

我们不再把形式还有类型作为结构设计起点,而是首先定义结构拓扑,即结构的组织还有不同元素之间的内在关系。形式本身就是这种内在拓扑关系相互平衡后的结果。只要确定了拓扑,就有可能通过改变结构的组织来改变它的形式。同一个结构也具有无数同最佳力流不匹配的形式。一些工程师只能设计后者。我们的操作区间在第一类。作为设计师,我们的自由不局限于建筑形式,而在于系统参数定义的领域中。在这些参数限定的范围内,我们需找到满足诸多条件的交叉点。尽管这不一定是最佳的设计,却是满足所有限制条件的方案。

使用前沿设计方法的经验让我们知道,在结构形式研究的领域中,有着无数的适用方案,也有着真正的创作自由。不过,这份自由没能被投入在抽象形式研究上,导致设计师往往只能在传统的或者不恰当、不适合的形式中进行抉择。这种自由在于从基本的结构原则中寻找到一个优化的结构系统,一个潜在的系统。它不同于现在建筑以及结构主流趋势,一个任何东西都变得可能,都能被计算的世界,却导致许多充满生机的项目仅被当成工程图纸而非结构本身。不过另一方面,也要考虑社会责任。资源少的情况下,结构应理性且高效。操作领域的边界、拓扑,对我们来说至关重要。

所以,结论是我们不再绘制形式,而是定义事物间的关系。然后把事物间的关系投入到带有特定约束条件下的优化过程中。形式是优化的结果,不过我们不怎么在乎最终结果。我们更在乎事物的关系,还有解决问题所采用的策略。比如Oosterweel桥,不是画图那样画出来的,而是通过将不同元素进行布置(arrangement)谋划得到的。你可以根据自己所想要添加进施工图中的内容来改变桥的形态。如果你想优化体量、尺度或者高度,你可以操作形式。不变的是桥的拓扑。定义拓扑能更好地理解结构。

拓扑能让人洞察结构类型,并且有可能得到一个介于诸多已知的结构类型的综合性解决方案。你能够质疑事物,将不同的点以不同方式连接起来并观察会发生什么。而且你永远不会知道,形式的探索会在那儿结束。不可思议的事情是可能的,疯狂如大自然,万事万物始终受到拓扑的制约。看看飞机,鸟,昆虫……它们都会飞。

*就像Michell Truss,Vierendeel girder等等

文中提到的项目

Canopy Tachkemoni school building

Knokke Footbridg

Bridge and viaduc – Oosterweel Connection (Ring Antwerp)

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