“自然建筑”视域下的大跨度木构网壳结构——以曼海姆多功能厅为例

现代空间结构要求有最大的自由空间及最小的内支撑干扰，而网壳结构是能够很好满足上述要求的结构体系之一。聚焦这一结构，本文从木构网壳结构的应用实例曼海姆多功能厅出发，试图还原该网壳结构的前期设计、模型找形、实际搭建等建造环节，分析其实际生成过程，同时探讨“自然建筑”概念对于结构设计的支撑和推动作用。

● 概　述

长久以来，在人类社会的建造史上，大跨度空间结构经常是一大技术性难题，尽管经过了长期的工程实践后，人类终于探索出穹顶结构这一较为经济的结构形式，然而穹顶往往因跨度不够且所需材料较为笨重，同时需要耗费大量的材料制造模板，受到制约，直到网壳结构的出现彻底改变了当时的“困局”。

网壳结构是由诸多杆件组成的网状系统，其组成杆件的弯曲程度和杆件连接成的网格角度各不相同，从而实现系统的形变并最终组成复杂的拱状结构。其力学基本单位并非轻质建筑中常见的拉索，而是受压杆件，这一点也将它区别于与之形态类似的帐篷结构。

事实上，网壳结构具有深远的应用历史。其前身为中世纪的穹顶结构，其组成穹顶结构的材料也在不断地革新中:在19世纪早期，人们开始使用铆钉和轧钢来建立一个连贯的系统。到了19世纪80年代，随着技术的进步，钢穹顶开始被广泛地使用起来。20世纪初，德国工程师施威德勒首次提出了肋环斜杆网壳的设计，这种结构至今仍然被广泛应用。随着社会的进步，建筑构件的工业化为网壳结构的发展打下了坚实的基础，同时，电子科学技术的不断进步也进一步推动了网壳结构的广泛应用和发展。

而随着新型建筑材料的不断普及应用，网壳结构所使用的材料也从最初的钢筋混凝土延伸到了铁、木材、铝合金、玻璃钢等轻质高强材料。目前已建成的网壳结构主要根据所采用的材料类型分为四种，分别是木网壳结构、钢网壳结构、钢筋混凝土网壳结构以及由钢网壳与钢筋混凝土屋面板组合而成的网壳结构。

网壳结构作为一种较为理想的实现大跨度的结构类型，广泛受到建筑结构业界的关注。然而笔者浅显地了解了当今学界的研究重点，大多是基于该结构的发展历史以及具体节点的分析，鲜有涉及到具体案例的建造全程的，同时对于支撑结构生成的设计逻辑少有涉猎，故本文试图从具体案例出发，探讨“自然建筑”概念对于该结构设计的逻辑支撑和渗透作用。

下文将对“自然建筑”理念的提出者，德国建筑师弗雷·奥托的代表作——曼海姆多功能厅进行构造分析，通过对于这一应用木质网壳结构的代表性建筑的设计落地过程的全面聚焦来探讨结构设计背后蕴藏的深刻逻辑，同时进

一步探讨网壳结构构筑的细节，还原网壳结构的生成过程（从设计到落地）。

● 建造背景：“自然建筑”概念的提出

在现代建筑蓬勃发展的进程中，建筑师们曾经深陷“表现主义”的泥沼，他们着力想要表现的功能性往往沦为建筑的附属，而非重要构成部分。20世纪50年代后，德国建筑师弗雷·奥托提出“不要像以往的方式一样来建造我们的房屋。”通过表达其前卫的建筑理念，以其极富远见的思想，引领建筑朝着全新的方向发展。

弗雷·奥托提倡的“自然建筑”概念试图革新出一种遵循自然界规律的找形方式。他所采取的结构找形方法，偏重于从自然界中获取启发，即他所设计出的结构更像是自然而然“生长出来”的，就像他所言，他对单个的建筑形式并不感兴趣，而是更关注于自然的规律。

奥托创造性地提出利用测量、数据进行整合辅佐建筑设计。曾经占据西方主流数世纪的、以“建筑形式”为主导的设计方法，被他提出的以材料物理属性为驱动、自我“生成”的结构探索方法所取代。而这种创造性的结构探索方法推动了空间结构在形体上的计算性突破，使得兼具美感与受力完美的结构得以出现。

● 建造实例：寻常杆件创造出的丰富空间

曼海姆多功能厅（Mannheim Multihalle，图1）建于1975年，设计之初的目的是为当年的曼海姆园林博览会提供一个适用于多种场景的展厅。

图1 曼海姆多功能厅实景图

其设计者弗雷·奥托巧妙地运用了细长的木条创造了一个人们前所未见的“庞然大物”——整个网壳结构的尺寸达到了160m×115m（图2），结构的最高点距离地面20m。它的最大横跨距离为60m，最长的则达到了85m。由两个部分共同构成外部壳体结构，其中一部分采用四层的铁杉板条排列而成，交错形成网格……尽管曼海姆多功能厅建造于数字化建模尚不发达的“前计算机时代”，它仍然是目前世界上最大的木网壳结构，其具备的跨度大、用料节约、曲面简单的诸多特点也使它成为极能体现奥托建筑特点的作品之一。

图2 曼海姆多功能厅的双层网格结构

结构工程师Georg Lewenton曾经这样评价该建筑：“尽管曼海姆多功能厅使用的是建筑史上常见的5cm×5cm的木杆构件，但它却成为了当代建筑的典范……这种结构创造了一个无需柱支撑的60m×80m的广阔空间……”这亦体现出奥托的结构设计理念，即“以最少的材料创造出丰富且自然的空间”，极具结构的“纯净”性。这样富有实验性和创新性的建筑结构，是数学、模型测绘、统计学和对于材料特性的深刻认识等诸多意识相结合的产物。

下文就该木构网壳结构的设计生成、节点控制以及实际建造进行探讨，并进一步延伸至“自然建筑”的细节。

◆ 结构设计

网壳结构实际上由来已久，具有相当深厚的历史研究基础，其最早可以追溯到文艺复兴时期佛罗伦萨的诸多教堂所采用的拱形结构中。20世纪中叶，建筑师们通过深入研究混凝土壳体的受压情况，并且将悬链线原则结合其间，对混凝土网壳的力学性能进行了极大的改善。

尽管本文中所探讨的木杆件网壳的基本构件是线性的，而混凝土穹拱则是一个面状体系，二者的结构逻辑存在很大的差别，并且，就受力情况而言，力在木构网壳结构中的传导路径，严格地由线性网格限定——而穹顶则不存在这样的现象。然而在通过对于线性构件的节点设计后，节点将每个杆件连接成一个具有整体性的面状体系，这表明木构网壳与穹拱在结构上具有一定的同一性，因而当时的穹拱研究也从一定程度上支撑了木构网壳结构的技术革新。

◆ 模型找形--

在“前计算机时代”，缺少数字化建模工具的辅助，网壳结构的形状设计需要通过各种模型（实体模型与非实体模型）的模拟推敲以及人工找形方法而得出。在当时，并没有出现过类似的网壳结构实例，整个设计过程缺少一手的参考数据，因而奥托和他的团队使用悬链线模型先行、电脑辅助计算的策略，通过对模型的实际操作反复实践尝试得出合理的结构形式。

首先，建立悬链线模型对重力变形情况进行模拟，这种方式与高迪通过倒挂铁丝链寻找最佳的受力结构形态十分类似。通过将建立起的主要受力情况为受压的结构原型翻转，再观察其在自身重力作用下的变形情况，从而反向推导出受压结构的理想形态。在前期找形过程中，奥托及其合作者使用细丝制作了穹顶、门廊以及连接结构的模型，模拟方案规划，得出基本的曲面测量数据结果，为下一步悬挂模型的设计提供基础。

接着，在建立悬挂模型的过程中，将对外部荷载进行模拟，并根据结构角度进行模型的精准搭建。由第一步中细丝模型（图3）得到的数据，以1:500的比例制作出模型中所需的金属支撑构件及可编织成网状的细线。前者，作为悬挂模型中的重要支撑构件——一个金属杆和一个金属环，其精度对模型模拟的精度有着决定性作用。后者则将被悬挂起来，作为受拉结构的模拟（尽管它在实际的网格结构中其实代表着受压结构）。在悬挂模型的实验过程中，实验人员将对模型中构件的角度、节点的位置进行反复调整尝试，以探索悬挂模型的最佳受力形态（图4）。

图 3 细丝模型

图 4 网状受力模型

接下来的步骤是通过建立模型来模拟结构安装，该悬挂模型（图5）的精确度达到1:98.5，能够较为准确地预演实际建筑过程。每4根金属线相交形成的结构都通过一个金属环进行连接，该节点能够实现对于每条杆件之间的连接情况进行微调，而连接每个节点的细线长度各不相同，以便对不同高度的节点进行模拟。在悬挂模型的网格边缘上采用金属弹簧，以实现在调整过程中网格边缘能够自由形变，也使得边缘形态更为自然和合理。同时，弹簧的变形程度也更为直观地展示出不同结构的受力差异。在经过对节点高低、网格受力和边缘细节的调整后，模型被附上薄胶以完成空间形态构形。形态整合完成后，设计者们根据模型进行静态分析并进行负载测试。这种模型被称为“支撑面”，它通过倒置悬挂模型，使整个结构在外力的作用下更容易发生形变，利用模型的自重和施加的外力对结构的受力情况进行测算（如图6所示）。

图 5 悬挂模型

图 6 悬挂模型演示图

最后，研究人员借助照相测量仪对固定后的模型进行测量，以精准地获取每一个节点的x、y、z轴值。由此得到的节点空间坐标是后续进行结构计算的重要数据。同时根据整个场地的流线和该建筑体内部的功能布局来定义找形模型的边界。

◆ 节点搭建

上文中提到，网壳结构是由许多线性受力杆件组成的系统，通过杆件的弯曲和网格角度的变化来实现形变，最终形成一个稳定而复杂的拱形结构。因此，杆件之间的连接方式也是构建该结构的一个关键点。

当杆件之间以铰接方式连接时，结构只能对平行于杆件的侧向力进行传递，当外力发生变化引起结构部分形变时，这种形变会传递到所有的杆件上，当外力变化达到一定程度时，部分结构可能发生局部凹陷，由于结构的特殊性，微小的局部凹陷被传递扩展至整个结构，造成整体的严重形变，这可能会导致原本稳定的结构崩溃。因此，在进行结构设计时，必须充分考虑到节点的微小形变可能会导致整体结构发生巨大的变化。当一个节点发生变形时，原本规则的平行四边形网格形状将会完全被打散，可能对结构的安全性带来严重的影响。因此，在设计初期就需要对节点进行精确的计算和模型模拟验证，并全面考虑自然界中风力和雪荷载的变化。此外，对于结构的连接节点也可以适当地进行加固，以增强结构的承载能力。

在本文所讨论的曼海姆多功能厅中，其网格壳由连接在一起的木板条所形成的格子构成，这些木板条在两个方向上通过螺栓均匀间距连接，从而赋予了整个结构双曲面的形状和刚度。如果这是一个由刚性构件组成的结构，当两两平行的板条发生运动时，整个框架将以相似的方式运动，那么整个框架将局限于二维的平面内，仅仅是木条组合而成的正方形变为平行四边形的平面变化，而无法带来空间形态上的变化。曼海姆多功能厅内部实景如图7所示。

图7 内部实景图

因此我们可以发现，在曼海姆多功能厅的螺栓节点设计中，采取的并非是一种固定且死板的方式组装节点，而是对找形过程中的较为灵活松动且更为开放的状态进行延续。如上文所言，其节点设计兼具开放性和稳定性，且有一定的自由度。在结构的空间转变过程中，原本二维平面上的木条之间的角度可以自由变化，其两两组合而成的结构单体具有一定的空间自由度从而实现二维向三维的变形，使曲面的形成成为可能。而当木条网格转变成壳体形状达到稳定后，结构的螺栓节点锁紧从而使得壳体形态得以保持。

实际上，我们可以说这个网壳结构中的节点“生成”了这个结构，这表明出节点不仅是构件之间的连接点，同时兼有限定性与开放性。开放性体现在找形和搭建过程中体现出的多样性和可能性，为丰富的空间形态创造机遇，而限定性则是体现在该结构的稳定和最优性，是由自然的规律决定下的最优解，在保持开放性的同时拥有良好的组织逻辑，营造出结构与空间的秩序。

◆ 实际施工

在曼海姆多功能厅的实际建设过程中，木杆元件被编织成一个整体的网状结构，最初是以二维的形式放置在地面上。此时，横向和纵向的杆件形成了互相垂直的交叉，节点之间还没有被固定。当网壳从底部被支撑起来时，杆件之间的角度随之改变，其杆件交叉形成大小形状各不相同的单位四边形，从而实现结构的可变性和复杂性（图8）。

图8 施工细部图

奥托的曼海姆多功能厅，建造过程更多的是“材料在现场表演”，整个结构的“自主性”特征非常突出。在进行基本的结构找形后，剩余的结构完成就留给材料自身“自然”生成。在建造者弯曲木条的过程中，由于木材本身的材料特性，它们将会自然而然地弯曲成形状美观的拱形，这也与计算机模拟出的模型相符合。因此，可以说整个结构的生成的最终部分是在现场进行的搭建过程，而前期的模型找形和计算模拟只是生成结构的最初“准备”。类似于先确定好结构的起点和终点，将过程放开，利用材料特性让设计“自然”地演变至最终形态。

曼海姆多功能厅的木网壳结构是对木材的特性的精准把握后的应用实践：木材受力具有异向性，其沿着木材纤维方向的抗压能力较好，而在垂直方向上的抗弯能力较好。因而，不同方向的力会使得网壳结构中的木条在不同方向呈现出不同程度的弯曲，进而使得木结构生成更为灵活多变也更为自由的曲面形状。我们可以认为，曼海姆多功能厅复杂的曲面形体是水平方向的、从功能性出发的边界定义和垂直方向的、从材料特性出发的重力找形二者相互协调的结果。

综上所述，这种结构生成的方法摒弃了原有的固有思维对于结构计算的刻板方式，而是通过结合手工性材料和数字化的设计方式，顺应材料本身的特性而成形。而通过较为精确的对于材料特性的把控，可以通过设计不同截面尺寸的木条来实现不同的局部弯曲状态，在连接后由“重力”自然创造出形态更为复杂且贴近建造需求的曲面结构。

● 当代意义：自然驱动的结构设计

在自然界中，很多事物的构成往往是由一个基本的结构单元根据某种连接逻辑组合而成的，形成整体的复杂形态。而所谓的“自然建筑”概念，也正是根据自然界中的物质形态受到启发而提出的。上文中所着重分析的大跨木质网壳也是由一个个基本的结构单元——线性杆件连接而形成一个整体的，这也正是对于“自然生形”的一种建筑实践。同时，“自然建筑”的生成不同于传统的数据建构，我们需要用全面的、自由的、整体的思维模式来看待建筑，根据材料的特性和实际的建造状态灵活调整，且更加看重自然因素（重力、风荷载等）对于空间形态的塑造，而不是仅仅基于单一的、死板的、割裂的观念。

同时，在“自然建筑”理念驱动下对于建筑结构的设计探索对如今也有很强的借鉴意义。在“前计算机时代”，往往对于这种并非框架结构的结构设计缺乏相关的数据支撑，因而建筑师采用物理实验的方法进行构形及数据研究，结合“仿生学”理念对于大量的自然形态进行整理和分类研究，最终找出合适的建筑形态。

这样的模型实验方法在项目前期发挥着巨大作用，尽管随着科学技术的不断革新，社会主流计算机建模和参数化结构计算技术日益进步，与之相比，模型实验的方法虽然显得有些原始，但其具象化、便于推论、灵活性的特点，也使得这类方法有着独特的使用意义。

● 结　语

本文以曼海姆多功能厅为例，探讨了“自然建筑”视域下的大跨度木构网壳结构。在笔者看来，或许在这些建筑设计理念的基础上，运用新的建造技术和计算手法、现代的建筑材料，将会促进对空间结构的全新探索，从而革新出顺应新时代、新技术的建筑实验方法。