结构大师系列—弗雷·奥托
我一直试图用自己肌肉的力量来飞翔，虽然根据精确的计算表明通过人类身体的力量只能‘飞翔’很短的距离——但是我仍会想象如果我的身体非常轻以至于没有哪怕一克的多余重量时的情景。虽然我从未取得成功，但是我没有停止飞行的梦想。
——弗雷·奥托
弗雷·奥托（Frei Otto，1925～2015）德国杰出建筑师、结构工程师、研究者和梦想家，并且是众多建筑师、工程师和生物学家的合作伙伴。2015年度普利兹克奖得主，代表作有蒙特利尔博览会西德馆，德国慕尼黑奥运会主要体育设施的屋顶。
弗雷·奥托一生致力于轻型建筑的研究，特别是如何利用最少的材料和能量来建造屋顶和覆盖结构。1964年，斯图加特大学为弗雷·奥托成立了“轻型建筑研究所”，该研究所被称为“建筑天空的起飞跑道”，备受世人瞩目。弗雷·奥托用建筑的形式，一生追寻着飞行的梦想。
轻型建筑
弗雷·奥托于1943年进入大学学习建筑学，但随即应征入伍，并受训成为一名飞行员。1945被俘，随后的两年他在法国沙特尔附近的战俘营度过。在那里，他曾但任战俘营的建筑师，并学会了用尽可能少的材料建造多种类型的建筑。
由于他在纳粹时期的经历和历史事件，使他追求建筑的轻质与可移动性，他一直反对笨重的建筑，同时反对任何具有权威或带有象征意义的建筑。
慕尼黑Hellabrunn动物园鸟舍
（Aviary in the Munich Zoo at Hellabrunn, 1979-1980, Germany ）
Hellabrunn动物园希望在自然景观的基础上建造一个鸟类的聚居地，要使得鸟类既能自由飞翔，又不能逃离这里，而且不能破坏公园内和谐的氛围。
▲轻到感受不到它的存在
为了使鸟舍看起来尽可能轻盈，奥托和他的合作伙伴决定采用索网结构，用悬挂模型来确定结构正确的外形以及支撑的位置；并用金属线代替索，按照60mmx60mm的网格编织成索网。
现代帐篷
帐篷是人类游牧时代的产物，奥托坚信只有预应力膜结构才是真正意义上的帐篷结构。从他1955年设计卡塞尔联邦花园展览音乐厅开始，奥托将这种古老的结构形式带进了现代人的视野。
卡塞尔联邦花园展览音乐厅
（ConcertHall at Kassel Federal Garden Exhibition ，Germany，1955）
典型四点支撑帐篷，奥托首次依靠边索给膜施加预应力使帐篷的外形呈现两头向上、两头向下的形状（马鞍形）。这个设计宣告了帐篷设计进入全新的时代。
科隆联邦庭院展览入口拱门
（Entranceat the Federal Garden Exhibition, Cologne, Germany/1957）
该入口拱门跨度34m，跨越整个售票大厅，为膜和钢结构拱的组合。钢结构拱为膜提供张拉支承条件，膜张紧后可以钢结构拱提供侧向支撑。
钢结构拱的截面非常小，直径仅为171mm、壁厚为14mm。如今，现场所呈现的仅仅是当年的复制品，与原作相比其跨度小而受压拱的截面却更大。
▲原安装时的照片：通过和人的对比可以看出拱有多细
限于篇幅，小i罗列几个有代表性的帐篷建筑
▲科隆联邦庭院展览舞场
▲汉堡国际花园展览会大厅
▲为平克·弗洛伊德美国音乐之旅建造的雨伞
▲利雅得外交俱乐部心形帐篷
索网屋面
从本质上讲，索网结构与膜结构具有相同的受力原理。然而，钢索的存在可以使索网比膜结构形成更大跨度的空间。
蒙特利尔博览会德国馆（German Pavilion at Expo 67,Montreal,Canda/1967）
1964年秋天，罗孚·古特布罗德和弗雷·奥托参与蒙特利尔博览会德国馆的方案竞标，并一举中标，而且被委托负责建造。
该结构是世界上当时最大的均匀网格索网结构，索网的覆盖面积达到8000m2，共4.2kM的钢索用交口夹连接起来。
德国馆的屋面属于尖顶帐篷，即“膜”平面内仅仅由一根桅杆支撑，由于膜材不能单点受力(单点受力的膜材局部拉应力过大，可能会撕裂)，为了将膜材的内力传递到帐篷的高、低点上，通常需设置脊索、谷索、索圈（即“索眼”）来实现。在该项目中，这样的“索眼”一共有8个，“索眼”内部被细小的网格填满。
模型试验是该工程设计的重要手段。但设计除了包括找形、模型试验、膜布剪裁技术，还需包括结构的深化以及施工方案的确定。对于这些问题，奥托认为最直观的解决方式是在设计计算的同时建造一个试验结构。于是在斯图加特大学一座测试用的结构被建造了起来，后被永久保留成为“轻型建筑研究所”的办公场所。
▲测试结构，后被用于“轻型建筑研究所”办公场所
索网按照9.5m宽的网在德国预制，卷起来运输到蒙特利尔。在工地，首先在地面上将网片拼接成一张大型连贯的网，然后通过整体提升将网挂到8个高度不同的桅杆上。在提升之前，外围的钢索及内部低点的负载索被固定在地下混凝土锚碇中；桅杆依靠水压力顶升，顶升的同时，需对约20%的外围索夹具进行微调，以使整个结构进入设计的预应力状态。在整个索网的安装过程中没有设置脚手架，且仅耗时6个星期。
▲索网的施工过程
慕尼黑奥运会主场馆的屋顶（Roofing for main sports facilities in the Munich Olympic Park, Munich, Germany/ 1968–1972 ）
轻质的、透明的、开放的屋顶，在自然优美的奥林匹克公园内连绵起伏。在它的庇护下，1972年第20届奥运会在这里举行。74000m2的帐篷屋顶将奥林匹克运动场、奥林匹克体育馆和游泳馆联结在一起。
▲慕尼黑奥林匹克场馆屋顶的结构讨论会。从左到右分别为：史努特·加布里尔(Kunt Gabriel)，鲁道夫·贝格曼（Rudolf Bergermann）,弗利兹·莱昂哈特（Fritz Leonhardt），约格·施莱希（Jorg Schlaich）,弗雷·奥托（Frei Otto），弗里茨·奥尔（Fritz Auer），海因茨·伊斯勒（Heinz Isler）
由于项目十分重大，参与的人员也非常多。从小i看到的资料显示，体育馆竞标由贝尼斯合伙人事务所和瑞士工程师海因茨·伊斯勒共同赢得，结构设计师是莱昂哈特+安德烈合伙人公司和施莱希，弗雷·奥托和爱德华·巴布纳是咨询工程师，同时研究采用模型试验的方法进行结构找形工作。
由于慕尼黑奥运会场馆屋顶的规模是蒙特利尔德国馆10倍，为了证明该结构形式能够实现，奥托和他的同事们制作了高精度的模型。这些模型建立在高精度拉力测量技术以及两次曝光设计技术之上，以此来准确确定结构在荷载下的变形情况。
▲慕尼黑奥运场馆屋顶模型的测量
屋顶区被分割成几个巨大的马鞍形索网，均采用模块化设计原则。边缘索、脊索和谷索均采用80mm直径的索，根据需要配置一根、两根或多根联接。缆索总长达到436kM。
屋面采用一种透明的丙烯酸玻璃作为遮盖物，玻璃先被切割成缆索网格的形状，然后通过橡胶垫固定在网格的交叉节点上，并连接在一起达到防水的效果。
最终形成屋顶独特的视觉效果：远观是透明的结构，但是靠近后，这种透明被精致的索网结构所取代。
模型与试验
“如果采用数学的方法对奥托的作品进行解释存在很大的难度，而且需要消耗大量的时间，除此之外还只能得到近似解。因此，他所有的工程和现实的结构都是通过制作模型的方法来进行设计的。”（1965年，康拉德·罗兰对奥托作品的评论）
从奥托在20世纪50年代设计第一座帐篷结构开始，他就一直采用模型的设计方法，在此期间他的模型数量超过了100件。
悬挂与反悬挂
曼海姆多功能大厅屋顶（Roof for the Multihalle (multi-purpose hall) ， Mannheim, Germany/1970–1975）
曼海姆多功能厅是奥托设计的规模最大的受压结构，经常被人们戏称为“曼海姆鲸鱼”。提到曼海姆多功能厅，最著名的图片应该是下图那张悬挂模型的照片了。将水平网格进行悬挂，通过调整悬挂模型的边缘支撑以及改变悬链的长度即可得到理想的曲面形状。
合适的结构形态找出来后，就需要考虑结构的稳定性。该木制网格结构的最大跨度约为60mx80m。如果将结构中木材的总量平摊到壳体的面积上，其高度不超过4cm。按照跨度等比例缩放的话，该厚度比鸡蛋壳还要薄。
结构安装也采用了非常创新的方式，首先将木条铺设成水平正方形网格，网格节点处通过可调节孔用销钉不紧密地连接，以确保木条之间能发生转动。然后将网格的若干点向上顶升直到呈现出设计的形状。
最终形态与初始形态相比，原来的正方形网格转变为菱形。同时，单根5cmx5cm木条刚度很小，允许发生足够大的弯曲变形。在达到设计形状后，需要修整外壳的边缘；并且在菱形网格中增设交叉拉索，使柔软的网格成为坚固的结构。
由于屋面不上人，只有日常维护时才会有人在上面走动，因此，风和积雪成为最需要考虑的问题。当地雪荷载是0.75kN/m2，这几乎是恒载的4倍。经过仔细计算，设计团队最终另辟蹊径，在屋顶上安装了0.15kN/m2的加热装置，使屋顶上的积雪可以快速融化。
2000年，奥托和与坂茂合作了汉诺威世博会日本馆，采用了与曼海姆大厅类似的网壳结构，只是屋面网格的木材换成了纸卷。
奥拓与轻型建筑研究所
弗雷·奥托研究的领域非常广泛，涉及建筑、结构、生物、社会学等领域。而他领导的“轻型建筑研究所”成为轻型建筑领域的旗手。
轻型建筑研究所的办公室值得一提，它是一个面积为650m2的索网结构，索网下挂膜布，整个索网由一个顶部设有“索眼”的12m高的钢桅杆所支撑。本来是蒙特利尔德国馆的试验结构，后被永久保留下来作为轻型建筑研究所的办公场所。
▲轻型建筑研究所内景
轻型建筑研究室成立后，许多著名的工程师和建筑师前来讲座和交流。
▲富勒在轻型建筑研究所
为更美好的人类社会工作
弗雷·奥托对为个别人设计建筑并没有太大的兴趣，他认为建筑应该是为了提高所有人的生活条件而设计建造的。
“北极之城”研究课题
弗雷·奥托与丹下健三合作完成了”北极之城”的研究课题，一个跨度2000m、最高点高度240m的扁平圆顶，可以覆盖15000间房子和4万个居民。圆顶内压高于外压，就像一个气球一样。
结语
摘录一段普利兹克建筑奖评审团主席彼得·帕伦博勋爵的评语作为本文结尾：
弗雷是自由的代表，像飞行的鸟儿一样自由和解放，时而俯冲，时而翱翔，划出一条条优雅而快乐的弧线，不受既往教条的约束，令人惊叹的对线条的经济化和以无穷想象力超越了工程技术上的局限，让形式与功能的联姻变得像我们呼吸的空气那样不露痕迹，像我们眼见的自然那样美丽。
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▲Frei Otto—Spanning the future
延伸阅读：
参考资料：
1.轻型建筑与自然设计——弗雷·奥托作品全集
2.http://www.pritzkerprize.com/2015/tributes-frei-otto
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Frei_Otto
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