试论交通建筑的结构节点美学
胡映东 沈百琦 邱明兵
[摘要]交通建筑的结构节点是力汇集与消散的枢纽，在结构体系中至关重要。节点设计不单要解决工程问题，同时也是一种艺术创作，通过将节点形式与结构力流的传导规律进行比较印证，论述交通建筑节点设计是一种理性的艺术创作过程，能够将不同材料、构造形式与结构力学性能等特质转化为可感知的建筑美学，实现力与形的有效协同。
[关键词]交通建筑；结构节點；美学；材料；力
[Abstract]For traffic architecture， the structure joint is the hub for force to gather and disperse， which plays a crucial part in structure system. Joint design is an artistic creation that solves engineering problems. By comparing and verifying the joint forms and conduction rules of the struct-ure force flow， the article argues that traffic architecture's joints design is a rational artistic creation that transforms various materials， structure forms， structure mechanics and other characteristics into perceptible architecture aesthetics， and realizes the synergy of force and form.
[Key words]Traffic architecture； Structure joints；Aesthetics；Material；Force
[基金项目]本文系中国建筑学会学术研究课题“交通综合体过渡空间优化设计研究”（项目编号：asc-kt2014008）和教育部规划项目“应对气候环境变化影响下的城市住区低碳交通规划设计研究”（项目编号：15YJA760041）阶段性成果。
结构技术与建筑美学的研究由来已久。P.L.奈尔维在《建筑的艺术与技术》中将建筑定义为“技术与艺术的综合体，而非是技术加艺术” [1]。《Structure as Architecture：A Source Book for Architects and Structural Engineers》认为结构并非简单的技术构件，不同的结构形式能带来美感（Andrew Charleson，2014）[2]。结构设计不仅注重如何实现建筑物的坚固稳定，更关乎视觉效果和人文关怀；在让建筑更美观的同时，不应忽略结构与形式间的互馈。
作为引领技术与时代风格的一类大型公共建筑，现代交通建筑展现当下的建造技术和设计理念，其结构体系不仅要维持建筑物的安全与稳定，更应促进结构内在规律与可感知的外在形式之间的关联与融合；不仅要体现结构的建构原则与策略，也应反映理性和诗意并重的结构表现观。将结构和形式完美结合是设计者毕生的努力与追求。合理的结构形式兼具经济、稳定、耐久、节约资源等优势，美学则提升建筑的地域特点和审美价值，形与艺的结合才能创造诗意且合理的交通建筑。本文尝试将节点形式与结构力流的传导规律进行比较印证，论述交通建筑节点设计是一种理性的艺术创作过程，能够将不同材料、构造形式与力学性能等特质转化为可感知、充满诗意的“刚、柔、巧”之美。
一、节点重要性
建筑设计立足于美学，结构设计立足于力学，结构美学源于对力学原理和力流规律的创造性加工和诠释。力流（Flow of Forces）是指结构对荷载进行接收、传递并释放，并形成了完整的力的流程。力流可以分为客观的“力的作用”和主观的“力的感觉”两部分，后者也称为力量感。结构美学是通过结构体系的力学与力相抗衡的特性、材料的外在表现力等实现，并进行建筑形体的塑造，利用观者对力的感知、联想及情绪等主观感受来强化不同的视觉和心理体验[3]。
结构构件工作过程中始终伴随着外力与内力、作用与反作用力间的动态平衡。节点作为结构系统中重要的枢纽，承担三个作用：一是作为最佳传力途径上的关键点，节点须改变力传递方式与方向，有效地进行各项力的连接、转换，确保安全可靠地承担和传递荷载，达到力的汇集、分散及平衡。节点在结构体系中至关重要，节点的形式与材料选择是保证荷载有效传递的基础；其次，节点还关乎能否以合理的节点力矩形式以提高结构的安全、稳定和整体性，特别是抵抗突变应力的能力；第三，节点设计还反映连接材料、连接方法及施工安装等要素[4]。
二、节点与材料
材料是节点力学传递与转换性能的决定性因素，决定结构抵抗破坏与变形的能力。不同建筑材料的节点物理形态不尽相同，是因其强度与刚度、加工性与耐久性等不同方面的力学特性。另一方面，材料本无情感色彩，透过肌理、视觉、触感等传递信息，人在认识材料时的心理感受赋予材料以性情。设计者借助材料的力学特质和性情差异传达建筑性格与美学意境，使结构体系呈现厚重或轻巧、粗糙或细致、张弛或紧凑的视觉差异。
（一）混凝土
混凝土抗压、不易腐蚀、取材方便、价格低廉、耐久耐火性好、可塑性与整体性好、加工及施工工艺简单。与钢筋组合形成的钢筋混凝土，其整体性得到加强。混凝土的艺术表现形式多样：既可加工光滑平面以展现细腻之美；也可保留浇筑印痕以表达粗犷而质朴的一面；在节点上，常根据构件交接情况而随意变化，适应性强。
（二）砖、石
尽管因现代施工技术、环保及新材料而逐渐退出，但砖石材料与生俱来的乡土气息和亲和力仍无法替代，可以呈现出粗野冰冷或亲切温暖的艺术效果。砖石抗压性能强，但抗拉、抗剪切破坏能力极弱，因此在节点设计时应借助砖石块材间互相咬合以消解转化拉力和剪切力，形成变化有致的砖缝线条。
（三）金属
钢材等金属材料具有良好的刚度和强度、韧性和弹性、耐冲击、性能可靠、良好的焊接和铆接性能等特性，亦美观耐用，具有装饰效果。节点形态多样，易加工成型，可采用焊接、高强螺栓和混合等连接方式。钢材表现力丰富，可展现精致、隐约及轻盈的视觉效果。
三、节点的艺术性表现
节点的艺术性基于力学特性，并通过人们视觉和心理接收感知该节点不同受力之間传递、转换的力量；并被赋予不同寓意，以传递设计意图，展示不同地域文化符号。节点的艺术创作，其核心在于充满诗意且可感知的构造能力。
好的结构形式能保证最佳的力流传递路径，实现能量的有效转移；好的节点设计在于力流的合理组织，应遵循力流路线最短、力流转向平滑和力流均布等原则，充分利用材料性能，让各处截面的力流密度相对均匀，避免应力过分集中和梯段变化过大。力的传递轨迹形成力线，力线汇集形成力流，而力线的密集程度（即力流密度）则反映出力的大小。通过节点处的力流、力流密度与节点构件的几何形状进行比较，可以分析结构美学与力学受力的关联[5]。
（一）力量美
清晰的节点形式、合理的传力逻辑能激发视觉效应，让人直观地感受力在节点处的转换及流动，展示节点的力学性能和力量感，无论是体现雄健与粗狂的男性形体，或是展现女性婀娜线条与体态的节点细节。
华盛顿杜勒斯机场候机楼采用缆索和塔架相结合的悬索结构体系，高强度钢索的轴向拉伸来抵抗外荷载，实现了减轻大跨度结构自重的目标；塔架为钢筋混凝土结构，底部向外弯曲外翻，既是结构受力需求也是节点艺术性的表现。该处节点与地面相接呈一锐角，并做圆弧形倒角，线条富于力量、动感而不僵硬。倒角处理符合力流最短路径原则，即力流倾向于沿最短路径传递，最短路径附近力流密度集中，并具有下列作用：一是通过倒角增加了支座反力的力臂距离，抵抗基础内部因受力不均而沿建筑内部向上扭转受力，而增加的用于抵抗结构弯扭的基础外部内应力。倒角的作用也为结构底部支座增加了支撑链杆，使之不能作向上方的旋转或移动；第二是利用力流最短路径原则使得力流直接穿过柱脚外侧的三角区传导至地面；第三是避免力流方向急转而造成转角处应力过分集中[5]27；最后是增加了节点的艺术魅力，使节点兼具平衡感和力量感（图1、2）。 同样，在黑川纪章设计的吉隆坡国际机场航站楼中，柱子截面上小下大，逐步加大，利于向下传递过程的应力分散和钢结构稳定性，也增加了视觉稳定效果（图3、4）。
因此，采用上细下粗、端头曲线型等过渡形状处理的节点设计，能避免力流方向急剧转折造成的应力集中，同时有变化、曲线细节也增强了建筑形体的力量感和爆发力。
（二）稳重美
规则方正的经典结构布局和受力传递方式，给人舒适的心理安全感。与弯剪结构相比，拱结构具有跨度大、承载力高、截面尺寸小、变形小的优点。拱脚产生水平推力，并将竖向荷载产生的弯矩大部分转化为轴向压力，使得拱节点的连接方式较为简单。拱截面上的应力分布较均匀，适合抗压较强而抗拉性能较差的砖石、混凝土等材料，也利于强化节点的稳重感。
交通建筑也常用的梁式结构体系，受力简单但需注意梁与柱的搭接长度不应小于柱宽的1/4，过短会使柱承受轴侧弯矩而降低承载能力。如阿姆斯特丹地铁站外侧柱均承托三个方向的梁，柱头节点向外扩大形成牛腿，增大柱与梁的接触面积，使对向梁荷载沿柱中心向下传递。既符合结构的受力特性，视觉也更显稳重。（图5、6）
（三）轻盈美
模仿自然界树木生长形态的树形柱，其杆间连接方式给人以轻盈感，与之相似的还例如Y字形和多枝型的双向或多向汇聚结构形态。树形柱的结构计算以轴线传力为主，但为了应对刚度突变时的应力集中现象，交接节点处宜以微曲线过渡，必要时通过增加肋板以加强某一方向上的刚度，实现应力分布较均匀，使得构件间连接成连续曲线以利于内力传递，因此在造型上也呈现出流线美（图7、8）。该节点特性包括：（1）力传递路径简洁明了；（2）多向汇聚的结构方式提供了更多的传力路径，适合屋面不同方向和部位的不均匀荷载通过树形柱有组织地分配，实现了整体平衡[4]47-48；（3）支撑范围大，能降低结构高度，满足交通建筑大跨、大出挑的空间网格屋架结构形式；（4）Y型或交叉型产生的图形感、序列感赋予空间以韵律并帮助限定空间，形象突出适合公共建筑使用（图11、12）；（5）将柱与屋面柔和过渡并融为一体，柱子在大空间内不显突兀；（6）如哥特束柱般将视线吸引向上，通过竖向线条和空间划分创造升腾的视觉体验，增加细部感染力。例如斯图加特机场T3航站楼结构采用大型的树状支撑结构体系，通过三级分叉使得横向分支出挑深远，支撑交通建筑的大跨空间。节点巧妙地将斜竖杆件用曲线进行再次连接，既加大了节点的稳定性，也节省了建材。整体流线自如，飘渺轻盈，宛如置身一片钢铁森林之中[4]（图13、14）。
结语
好的结构设计能引发人们无尽的感知与联想。当与力抗衡的特性被用于空间和结构塑形时，观者感受也被激发创造不同的空间体验。在结构美学的四个构成要素：力与力量感、材料选择、构件节点、组合构型之中，材料与构件节点的选用将影响结构体系的完整性与结构美学。好的节点抛弃了繁芜的形态，简洁而直接，是对结构最忠实的表达。力流分析为节点设计与结构美学认知提供了直观而准确的理论依据和实证参考，并籍此优化节点。总之，节点构造不但解决了工程问题，也成为一种艺术性的建筑表现手段。设计者在掌握不同节点的材料选择、节点受力的基础上，结合力所带来的力量感、材料的特性、多形式运用，实现理性系统向诗意建筑的转变。
随着建筑参数化技术与结构有限元分析技术的深入研究，基于复杂形态与力学机制的统一性研究必将有助于力与形关系的重新参数化定义、建构和动态协同[6]。
致谢：康杰参与绘制本文部分配图，在此表示衷心感谢！
参考文献
[1]P.L.奈尔维.建筑的艺术与技术[M].黄运昇，译.北京：中国建筑工业出版社，1986：2-21.
[2]海诺·恩格尔.结构体系与建筑造型[M].林昌明，罗时玮，译.天津：天津大学出版社，2002：12-17.
[3]张敏龙，吴斌.节点——建筑中的亮点[J].华中建筑，2004，24 （6）：50-51.
[4]姜妍.点的建构与技术表现[D].南京：东南大学，2008：47-51.
[5]程建伟.合理力流原理在轴类零件结构设计中的应用[J].煤，2004，13（2）：27-28.
[6]苏朝浩，林康强，冒亚龙.力与形的数字建构与调度——基于海帕壳体结构力学机制与建筑参数化设计之协同[J].新建筑，2016，34（4）：100-102.
[摘要]交通建筑的结构节点是力汇集与消散的枢纽，在结构体系中至关重要。节点设计不单要解决工程问题，同时也是一种艺术创作，通过将节点形式与结构力流的传导规律进行比较印证，论述交通建筑节点设计是一种理性的艺术创作过程，能够将不同材料、构造形式与结构力学性能等特质转化为可感知的建筑美学，实现力与形的有效协同。
[关键词]交通建筑；结构节點；美学；材料；力
[Abstract]For traffic architecture， the structure joint is the hub for force to gather and disperse， which plays a crucial part in structure system. Joint design is an artistic creation that solves engineering problems. By comparing and verifying the joint forms and conduction rules of the struct-ure force flow， the article argues that traffic architecture's joints design is a rational artistic creation that transforms various materials， structure forms， structure mechanics and other characteristics into perceptible architecture aesthetics， and realizes the synergy of force and form.
[Key words]Traffic architecture； Structure joints；Aesthetics；Material；Force
[基金项目]本文系中国建筑学会学术研究课题“交通综合体过渡空间优化设计研究”（项目编号：asc-kt2014008）和教育部规划项目“应对气候环境变化影响下的城市住区低碳交通规划设计研究”（项目编号：15YJA760041）阶段性成果。
结构技术与建筑美学的研究由来已久。P.L.奈尔维在《建筑的艺术与技术》中将建筑定义为“技术与艺术的综合体，而非是技术加艺术” [1]。《Structure as Architecture：A Source Book for Architects and Structural Engineers》认为结构并非简单的技术构件，不同的结构形式能带来美感（Andrew Charleson，2014）[2]。结构设计不仅注重如何实现建筑物的坚固稳定，更关乎视觉效果和人文关怀；在让建筑更美观的同时，不应忽略结构与形式间的互馈。
作为引领技术与时代风格的一类大型公共建筑，现代交通建筑展现当下的建造技术和设计理念，其结构体系不仅要维持建筑物的安全与稳定，更应促进结构内在规律与可感知的外在形式之间的关联与融合；不仅要体现结构的建构原则与策略，也应反映理性和诗意并重的结构表现观。将结构和形式完美结合是设计者毕生的努力与追求。合理的结构形式兼具经济、稳定、耐久、节约资源等优势，美学则提升建筑的地域特点和审美价值，形与艺的结合才能创造诗意且合理的交通建筑。本文尝试将节点形式与结构力流的传导规律进行比较印证，论述交通建筑节点设计是一种理性的艺术创作过程，能够将不同材料、构造形式与力学性能等特质转化为可感知、充满诗意的“刚、柔、巧”之美。
一、节点重要性
建筑设计立足于美学，结构设计立足于力学，结构美学源于对力学原理和力流规律的创造性加工和诠释。力流（Flow of Forces）是指结构对荷载进行接收、传递并释放，并形成了完整的力的流程。力流可以分为客观的“力的作用”和主观的“力的感觉”两部分，后者也称为力量感。结构美学是通过结构体系的力学与力相抗衡的特性、材料的外在表现力等实现，并进行建筑形体的塑造，利用观者对力的感知、联想及情绪等主观感受来强化不同的视觉和心理体验[3]。
结构构件工作过程中始终伴随着外力与内力、作用与反作用力间的动态平衡。节点作为结构系统中重要的枢纽，承担三个作用：一是作为最佳传力途径上的关键点，节点须改变力传递方式与方向，有效地进行各项力的连接、转换，确保安全可靠地承担和传递荷载，达到力的汇集、分散及平衡。节点在结构体系中至关重要，节点的形式与材料选择是保证荷载有效传递的基础；其次，节点还关乎能否以合理的节点力矩形式以提高结构的安全、稳定和整体性，特别是抵抗突变应力的能力；第三，节点设计还反映连接材料、连接方法及施工安装等要素[4]。
二、节点与材料
材料是节点力学传递与转换性能的决定性因素，决定结构抵抗破坏与变形的能力。不同建筑材料的节点物理形态不尽相同，是因其强度与刚度、加工性与耐久性等不同方面的力学特性。另一方面，材料本无情感色彩，透过肌理、视觉、触感等传递信息，人在认识材料时的心理感受赋予材料以性情。设计者借助材料的力学特质和性情差异传达建筑性格与美学意境，使结构体系呈现厚重或轻巧、粗糙或细致、张弛或紧凑的视觉差异。
（一）混凝土
混凝土抗压、不易腐蚀、取材方便、价格低廉、耐久耐火性好、可塑性与整体性好、加工及施工工艺简单。与钢筋组合形成的钢筋混凝土，其整体性得到加强。混凝土的艺术表现形式多样：既可加工光滑平面以展现细腻之美；也可保留浇筑印痕以表达粗犷而质朴的一面；在节点上，常根据构件交接情况而随意变化，适应性强。
（二）砖、石
尽管因现代施工技术、环保及新材料而逐渐退出，但砖石材料与生俱来的乡土气息和亲和力仍无法替代，可以呈现出粗野冰冷或亲切温暖的艺术效果。砖石抗压性能强，但抗拉、抗剪切破坏能力极弱，因此在节点设计时应借助砖石块材间互相咬合以消解转化拉力和剪切力，形成变化有致的砖缝线条。
（三）金属
钢材等金属材料具有良好的刚度和强度、韧性和弹性、耐冲击、性能可靠、良好的焊接和铆接性能等特性，亦美观耐用，具有装饰效果。节点形态多样，易加工成型，可采用焊接、高强螺栓和混合等连接方式。钢材表现力丰富，可展现精致、隐约及轻盈的视觉效果。
三、节点的艺术性表现
节点的艺术性基于力学特性，并通过人们视觉和心理接收感知该节点不同受力之間传递、转换的力量；并被赋予不同寓意，以传递设计意图，展示不同地域文化符号。节点的艺术创作，其核心在于充满诗意且可感知的构造能力。
好的结构形式能保证最佳的力流传递路径，实现能量的有效转移；好的节点设计在于力流的合理组织，应遵循力流路线最短、力流转向平滑和力流均布等原则，充分利用材料性能，让各处截面的力流密度相对均匀，避免应力过分集中和梯段变化过大。力的传递轨迹形成力线，力线汇集形成力流，而力线的密集程度（即力流密度）则反映出力的大小。通过节点处的力流、力流密度与节点构件的几何形状进行比较，可以分析结构美学与力学受力的关联[5]。
（一）力量美
清晰的节点形式、合理的传力逻辑能激发视觉效应，让人直观地感受力在节点处的转换及流动，展示节点的力学性能和力量感，无论是体现雄健与粗狂的男性形体，或是展现女性婀娜线条与体态的节点细节。
华盛顿杜勒斯机场候机楼采用缆索和塔架相结合的悬索结构体系，高强度钢索的轴向拉伸来抵抗外荷载，实现了减轻大跨度结构自重的目标；塔架为钢筋混凝土结构，底部向外弯曲外翻，既是结构受力需求也是节点艺术性的表现。该处节点与地面相接呈一锐角，并做圆弧形倒角，线条富于力量、动感而不僵硬。倒角处理符合力流最短路径原则，即力流倾向于沿最短路径传递，最短路径附近力流密度集中，并具有下列作用：一是通过倒角增加了支座反力的力臂距离，抵抗基础内部因受力不均而沿建筑内部向上扭转受力，而增加的用于抵抗结构弯扭的基础外部内应力。倒角的作用也为结构底部支座增加了支撑链杆，使之不能作向上方的旋转或移动；第二是利用力流最短路径原则使得力流直接穿过柱脚外侧的三角区传导至地面；第三是避免力流方向急转而造成转角处应力过分集中[5]27；最后是增加了节点的艺术魅力，使节点兼具平衡感和力量感（图1、2）。 同样，在黑川纪章设计的吉隆坡国际机场航站楼中，柱子截面上小下大，逐步加大，利于向下传递过程的应力分散和钢结构稳定性，也增加了视觉稳定效果（图3、4）。
因此，采用上细下粗、端头曲线型等过渡形状处理的节点设计，能避免力流方向急剧转折造成的应力集中，同时有变化、曲线细节也增强了建筑形体的力量感和爆发力。
（二）稳重美
规则方正的经典结构布局和受力传递方式，给人舒适的心理安全感。与弯剪结构相比，拱结构具有跨度大、承载力高、截面尺寸小、变形小的优点。拱脚产生水平推力，并将竖向荷载产生的弯矩大部分转化为轴向压力，使得拱节点的连接方式较为简单。拱截面上的应力分布较均匀，适合抗压较强而抗拉性能较差的砖石、混凝土等材料，也利于强化节点的稳重感。
交通建筑也常用的梁式结构体系，受力简单但需注意梁与柱的搭接长度不应小于柱宽的1/4，过短会使柱承受轴侧弯矩而降低承载能力。如阿姆斯特丹地铁站外侧柱均承托三个方向的梁，柱头节点向外扩大形成牛腿，增大柱与梁的接触面积，使对向梁荷载沿柱中心向下传递。既符合结构的受力特性，视觉也更显稳重。（图5、6）
（三）轻盈美
模仿自然界树木生长形态的树形柱，其杆间连接方式给人以轻盈感，与之相似的还例如Y字形和多枝型的双向或多向汇聚结构形态。树形柱的结构计算以轴线传力为主，但为了应对刚度突变时的应力集中现象，交接节点处宜以微曲线过渡，必要时通过增加肋板以加强某一方向上的刚度，实现应力分布较均匀，使得构件间连接成连续曲线以利于内力传递，因此在造型上也呈现出流线美（图7、8）。该节点特性包括：（1）力传递路径简洁明了；（2）多向汇聚的结构方式提供了更多的传力路径，适合屋面不同方向和部位的不均匀荷载通过树形柱有组织地分配，实现了整体平衡[4]47-48；（3）支撑范围大，能降低结构高度，满足交通建筑大跨、大出挑的空间网格屋架结构形式；（4）Y型或交叉型产生的图形感、序列感赋予空间以韵律并帮助限定空间，形象突出适合公共建筑使用（图11、12）；（5）将柱与屋面柔和过渡并融为一体，柱子在大空间内不显突兀；（6）如哥特束柱般将视线吸引向上，通过竖向线条和空间划分创造升腾的视觉体验，增加细部感染力。例如斯图加特机场T3航站楼结构采用大型的树状支撑结构体系，通过三级分叉使得横向分支出挑深远，支撑交通建筑的大跨空间。节点巧妙地将斜竖杆件用曲线进行再次连接，既加大了节点的稳定性，也节省了建材。整体流线自如，飘渺轻盈，宛如置身一片钢铁森林之中[4]（图13、14）。
结语
好的结构设计能引发人们无尽的感知与联想。当与力抗衡的特性被用于空间和结构塑形时，观者感受也被激发创造不同的空间体验。在结构美学的四个构成要素：力与力量感、材料选择、构件节点、组合构型之中，材料与构件节点的选用将影响结构体系的完整性与结构美学。好的节点抛弃了繁芜的形态，简洁而直接，是对结构最忠实的表达。力流分析为节点设计与结构美学认知提供了直观而准确的理论依据和实证参考，并籍此优化节点。总之，节点构造不但解决了工程问题，也成为一种艺术性的建筑表现手段。设计者在掌握不同节点的材料选择、节点受力的基础上，结合力所带来的力量感、材料的特性、多形式运用，实现理性系统向诗意建筑的转变。
随着建筑参数化技术与结构有限元分析技术的深入研究，基于复杂形态与力学机制的统一性研究必将有助于力与形关系的重新参数化定义、建构和动态协同[6]。
致谢：康杰参与绘制本文部分配图，在此表示衷心感谢！
参考文献
[1]P.L.奈尔维.建筑的艺术与技术[M].黄运昇，译.北京：中国建筑工业出版社，1986：2-21.
[2]海诺·恩格尔.结构体系与建筑造型[M].林昌明，罗时玮，译.天津：天津大学出版社，2002：12-17.
[3]张敏龙，吴斌.节点——建筑中的亮点[J].华中建筑，2004，24 （6）：50-51.
[4]姜妍.点的建构与技术表现[D].南京：东南大学，2008：47-51.
[5]程建伟.合理力流原理在轴类零件结构设计中的应用[J].煤，2004，13（2）：27-28.
[6]苏朝浩，林康强，冒亚龙.力与形的数字建构与调度——基于海帕壳体结构力学机制与建筑参数化设计之协同[J].新建筑，2016，34（4）：100-102.
