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钢结构在历史建筑保护与再生中的应用

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钢结构在历史建筑保护与再生中的应用

钢结构在历史建筑保护与再生中的应用

历史建筑的保护与再生是当下城市更新的重要议题,但不同于新建建筑,对历史建筑进行改造有着许多限制条件,因此对适应性材料、技术的选择尤为重要。钢结构具有强度高、自重小、连接灵活等特点,其建造方式符合可逆性、可识别性等要求,同时,为了达成新旧对话的效果,常用来与玻璃结合,在如今的保护设计中广泛使用。本文简要阐述了历史建筑保护的原则以及钢结构早期的历史发展与沿革,并对钢结构与历史建筑相结合的一些实践做出分析。

历史建筑保护与再生的认识发展

● 概  述

历史建筑的保护与再生是当下越来越受公众关注的议题。城市在经历了“大拆大建”的飞速发展之后,建设的脚步逐渐缓慢了下来,人们开始把目光投向历史建筑的保护与更新上。盲目的拆除旧建筑使得越来越多个城市丧失了历史与文化的厚重感,在快速成型的钢筋水泥围就的都市中,人们难以找寻到归属感和认同感,这使得人们重新开始关注承载了历史与情感的历史建筑上。另一方面,盲目建设造成了一定的资源浪费,将即存建筑进行合理的适应性再生改造似乎变得尤为重要。但历史建筑的保护与再生与新建建筑完全不同,有着许许多多的限制,合理地选择建造材料在其中颇为重要,而钢结构在历史建筑的保护与再生领域蕴含了无限的发展空间。

在当代,历史建筑保护意识的形成,事实上也就是近两三百年的事情。在更早些时候,人们虽然有对历史建筑进行维护和保留的行为,但出发点及具体做法都与现在大相径庭——许是出于建筑实用性考量的维修,许是出于将建筑作为纪念性象征而留存。而现当下的保护态度是从建筑本身的文化价值和历史价值角度等出发,是出于更久地留存并延续这些价值的目的,因而存在着诸多的原则与限制。

● 最小干预、可逆性、可识别性

单单从保护的角度出发,一切的干预都应该以必要情况下尽可能不进行干预为基本原则。保护的目的是保留现有的、有价值的东西,因此不必要的增添都是一种对现有价值的伤害。尽管希望如此,许多历史建筑由于结构失修或出现各种破损而不得不接受干预,但干预应遵循最小原则。此外,考虑到现有的干预手段有可能不是最佳的,为了在未来拥有更好技术时可以拆除现有干预,需要选择对既存建筑影响小的建筑材料,而钢结构在这方面表现出了极强的适应性,这就属于可逆性范畴了。

另一方面,出于对真实性的保护,干预需要遵循可识别性原则。可识别有很多的手法,而在一些对整体文脉风格要求不高的项目中,纯现代的材料与传统建筑的结合是非常常见的一种手段。

● 康复性再生(Rehabilitation)

不同于最小干预的保护,康复性再生追求的是对历史建筑适应性的再利用。相比于需要博物馆式保护的许多文物建筑,更多历史建筑面临的是如何通过适应性改造,使其符合当下时代需求的问题。在很多时候再生与保护的原则是相冲突的,但毕竟更多的历史建筑需要的不是一点不动的保护,而是需要一种再创造,使其在当下焕发出新的活力。但再生同样需要尽可能留存历史建筑有价值的部分,因此更需要慎重地选择适应性技术手段及具体的再生改造方式。

钢结构早期发展概述

钢结构的原始材料与形态是钢铁。钢铁在建筑中被使用已有4,000多年的历史,但真正作为建筑材料使用却是在工业革命之后。工业革命带来了机械大制造和生产力飞速发展,需求与供给都在急剧膨胀着。炼钢技术的进步使得人们曾经难以掌控的钢材逐渐备受关注并因其性能优良被越来越多建筑师青睐。结构力学的发展使得各种大跨结构得以实现,水晶宫的出现带来了标准件预制装配式建造技术的革命,钢框架结构的出现推动了高层建筑的发展,钢材开始在建筑界崭露头角。

● 钢铁结构与石制建筑的结合

钢铁作为工业革命时期新兴起来的材料,由于并不适应于古典美学体系的审美标准,在许多实践中,虽然作为结构却被隐藏了起来,外面包裹上厚重的石材假装成传统石制建筑。外滩万国建筑群中有许多建筑采用了钢结构,但从外观上看却是纯粹折衷主义风格,带有浓厚的古典主义气息。但建筑师们同样也做了很多保留真实结构的尝试,比如拉布鲁斯特设计的位于巴黎的国家图书馆(图1),采用了细长的铸铁柱作为结构构件,使得内部空间开敞、通透,延续上部铆固连接金属穹顶,结合大面积的玻璃带来了丰富的采光。在当时属于新材料的铁与玻璃材料的融合同样营造出了人们所追求的古典风格,而又注入了工业革命的某些气息。除了直接采用钢铁体系之外,还有很多工厂、车站等采用了以厚重石墙作为承重结构的体系,但屋顶仍采用钢铁桁架结构以获得大的跨度和屋顶的轻盈感。这种组合方式也为现在的一些历史建筑的保护提供了可行思路,钢材既可以是现代感十足的,也可以是复古的、延续历史性的,且与石制建筑有着很好的兼容性。同时,钢结构拥有良好的结构性能,在结构加固时可以分担掉原来支撑构件的负荷,起到实际的支撑作用,而基于其轻盈特性,如有必要也完全可以在外部裹上传统材料以维持建筑物整体的美感和历史感。

图1  巴黎的国家图书馆内部空间

● 钢铁结构与木制建筑的结合

除了与西方传统石制建筑的结合,在19世纪中国的传统建筑中钢铁同样有和其他材料结合的实例。铸铁材料在中国建筑中的应用已有很长的历史,但是主要用于节点连接、装饰等非结构部位。但19世纪以来材料技术的进步也一定程度上影响了传统木构建筑的建造。图2所示是宁海县下浦村的一处乡村古戏台,始建于康熙八年,经当地人介绍发现,戏台前面两根明显比较细的柱是铸铁柱,据说是为了减小前柱柱径以获得更好的观看体验而专门从日本进口的。铸铁柱本身的强度在一般情况下是安全的,需注意的是铁与木材这两种强度差别很大的材料进行连接时节点的稳定性,尤其戏台的立柱需要承载沉重的藻井。但简单观察下来,历经百年,这座古戏台仍然展现出了稳固之感。钢铁结构与传统木结构有着很多相似之处,都是杆件为主的传力、节点铰接、建造灵活且快速,钢结构与木结构也展现出了很好的兼容性,因此钢结构目前也被用于木结构建筑的修复与改造之中。

图2  下浦村魏氏宗祠古戏台

钢结构在历史建筑保护与再生中的实践

● 钢结构用于结构加固

由于钢结构具有高强度、轻质、建造简便灵活的特点,非常适用于对历史建筑原有结构进行加固或替换。常见的局部加固手段有外包钢加固、预应力加固等。而有时因为结构整体存在较大安全隐患,需考虑对整体结构传力体系进行改变。应县佛宫寺释迦塔(图3)是现存最古老、体量最大、高度最高的木构楼阁式建筑,但出于木材本身强度不足的问题,整个塔现正面临极大的隐患。对此,中国城市规划设计研究院城市规划与历史研究所提出了一种介入式的维护方式:在塔身内部设置独立刚架代替原来的支撑体系,支承各层荷载,使得损坏最为严重的柱圈从重载下解放出来。这一方案虽然至目前尚未被采纳,应县木塔目前仍旧维持着保守的维护方式,但这一方案从原真性、可逆性、可识别性的角度看都不失为一个值得深入考虑的方案。该方案充分发挥了钢结构的优势,通过在历史建筑内部置入一个完整的结构体系代替原有不堪重负的木柱,解决了木塔面临的结构难题。钢结构本身轻盈、纤细,但强度高,搭接也十分灵活,在木塔内部施工具有可行性,且对历史建筑本身的接触面不大,尽可能保存了原有构件,即使后期拆除也不会对木塔造成大的伤害。钢结构体系与中国传统木构体系存在着许多相似之处,正如前文古戏台的实例所示,这样的结合有一定的可行性。当然,如此大型的整体性介入依然存在诸多问题,一方面难以保证在施工过程中不对主体结构造成破坏,一方面置入这样大的结构体系难免引起既有建筑的损坏。应县木塔本身具有很高的保护价值,原样保护当然是最好的,只是如果出于迫不得已要保命、续命的目的,也许刚架置入不失为一种好的方式。   

图3 应县木塔介入式钢架示意图

● 钢结构用于空间再生

为了使历史建筑在现代也能焕发出生机与活力,对其进行适应性改造是必要的。改造可能会带来对现存部分的破坏,但是由于很多历史建筑的价值还不足以原封不动地进行维护,通过适当改造发挥其价值,更加有利于建筑价值的展示,其创造的价值能吸引更多的投资者重视历史建筑的保护与再生,这正是康复性再生的概念与意义所在。这样的改造一般有两种主要方向:一种是采用传统建造材料,如砖石、木材,以维持整体的历史氛围;一种是采用现代感十足的材料,如钢与玻璃,通过构建一种新旧之间反差强烈的对话,在对比中强化历史沉淀感,同时注入新的元素。现在已经有了许多这样的尝试,贝聿铭改建的卢浮宫扩建项目能算得上其中的翘楚。刚架与玻璃形成的巨大金字塔采用了古埃及的经典母体,其简洁的几何形体嵌入到卢浮宫古典主义的建筑氛围中,以现代语言与古典美学产生了激烈碰撞(图4、图5)。

图4 金字塔与卢浮宫的新旧对比

图5 金字塔节点细部

尽管单从遗产保护角度来说,金字塔的建造似乎是对卢浮宫地域性、整体性的巨大破坏,但是从再生的角度看,实在是一个十分精妙的设计。历史建筑不可避免地与当下的审美以及需求相脱节,而需要现代手法的改造使其适应时代的潮流。在卢浮宫金字塔的建造中,玻璃是最为显著的元素,高透明的玻璃降低了自身的存在感并在光滑面上映透出历史建筑的形象。这个建筑的完形离不开其背后的刚架。整个金字塔采用了整体索网体系,以索网上引出的十字形爪件固定玻璃的角部。为了追求一种极致的通透,设计师特意找了制作帆船比赛用艇的工厂制作钢索,为了使得拉索可以尽可能的纤细、轻盈。钢材的高强度、延展性良好等使得只有这种材料才可以营造如此轻盈的结构支撑体系,使得最终建成的整个金字塔巨大而不沉重,能像钻石般熠熠生辉。

钢结构的另一大优点在于连接灵活,因此具有很好的可逆性,对历史建筑主体的破坏也较小。荷兰阿姆斯特丹证券交易所的大厅中间曾经加建了一座刚架与玻璃材料相结合的音乐厅,玻璃的通透与刚架的轻盈使得加建的音乐厅与古典大厅相互兼容。而在之后的改造当中决定了拆除这座音乐厅。现证券交易所是作为会议、展览、宴席等功能使用的,见图6~8。由于钢结构易拆除、易改造,有许多改造项目都采用了钢结构来进行“临时加建”,钢结构与原有结构多采用螺栓连接且接触面小,使得对原有历史建筑的破坏可降到最低。另一方面,作为可回收材料,钢结构也展现出良好的生态价值,拆除而可回收在一定程度上也避免了资源浪费。相比之下,在新建建筑中同样被大量使用的钢筋混凝土材料因为本身十分沉重,加上难以拆除、一旦成形无法修改、拆除之后难以回收,因此在历史建筑再生领域的发展远不如钢结构。

图6  阿姆斯特丹证券交易所大厅内部加建的玻璃音乐厅

图8  音乐厅拆除之后的内部空间

● 钢结构的其他应用

除了整体加固或是空间改造,钢结构也在许多细部发挥着作用。同样因为自重轻,连接节点安装、拆卸灵活,对原有建筑破坏小,在许多局部加建的楼梯、连廊、屋顶中广泛使用了钢结构。此外,在改造项目中被广泛使用的玻璃也离不开钢结构的支撑。玻璃因为通透、能反射的特点,常被使用在新旧对比的改建中,而钢结构就是极好的支撑材料。钢结构金属本身也具有光泽,有反射的特点,随着现代技术的发展其表面有了多样的表现形式,其丰富的材质质感赋予了多样化的建筑表情,不管是作为立面装饰还是支撑体系都非常灵活多变。

作为在当下新建建筑建造中被广泛使用的材料,钢结构在历史建筑的保护与再生中同样发挥了巨大优势,其强度高、自重轻、连接灵活、可回收、具可逆性、表现效果丰富等特质,使得钢结构尤为适合与历史建筑结合,不管是在单纯维护式的为历史建筑保驾护航,还是在建筑价值再创造的再生中,都有着广泛的应用前景。钢结构曾经因为防火、防腐等问题而饱受争议,但技术的不断进步使得钢结构的应用变得越来越普及。随着现今各种材料的出现和制造技术的进步,加上计算机技术的飞速发展,与数字化设计适配的钢结构还有着许多潜力有待发掘。在限制诸多的历史建筑保护与再生领域,相信钢结构定能发展出更多种多样的结合形式,以新技术、新材料的植入激发出历史建筑新的活力,使得历史与文化也能以多样的方式继续延续下去。

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