结构工程师转建筑，做出来的桥是这样的
为了帮助设计狗们更直观的了解海外著名建筑院校，Archidogs特别推出《海外名校的设计之道》系列文章。文章作者全部为在读或刚刚毕业于这些学校的优秀学子，通过切身经历带来他们的学习感受。排名不分先后，根据收稿顺序发布。
Material and Structure Intelligence (MSI) 是一门选修课，秋季开课，建筑学生在任一学年都可以参加。这门课主要目的是从结构和材料的角度出发，采用物理模型和数字模型结合的方法探索新的建筑设计。课程分两个阶段，前一半时间主要是做大量的小规模的设计试验，后一半时间确定一个设计原型，并在一定范围内任选设计内容，做一个小规模的建筑设计。以我们这学期为例，设计内容有膜结构展亭，滨水人行道沿线的艺术装置，野外的人行栈道和新型结构的人行桥等。
这门课属于Seminar，学生一般在十人左右；任课老师分别是来自KPF的Mark Nicol和来自Shop Architects的Sameer Kumar，都是年轻有为的建筑师。课上我们会讨论Buckminster Fuller, Frei Otto, Robert Le Ricolais, Heinz Isler, Werner Sobek,Cecil Balmond 等大师的作品和方法。上课没有固定的形式，有时候两位老师坐在讲台地上，学生零散地找到自己喜欢的座位，先聊一个小时天（当然都是在谈设计），然后学生轮流带大家上楼参观自己（组）项目进展。这时两位老师会很有针对性地讲评，而且单独帮每个项目设想下一步的发展方向。在我看来，这门课如果你带着一定的目标和规划来选，可能会收获很大。
结构设计和建筑设计的结合是一个恒久的课题。上面列举的几位大师都在这个领域做出了卓越的贡献，但是作为初出茅庐的我们往往难以兼顾。我在来宾大之前学习过一些结构知识，也曾试想过在自己的作品中做一些探索。这门课无疑是一个好机会。 在开始介绍之前，默认读者知道上面提到的六个人物中的两三个，不然请Wiki一下，避免突兀。
二十四个物理研究模型（Study models）材料：各向同性的尼龙纱布，细长的通心粉（spaghetti），打印纸，棉线，图钉。规格：用1/2英寸厚黑色泡沫板做成1英尺立方的展示盒，可以利用盒子的若干个内面固定。目标：尽可能多地探索不同的设计方向，对于感兴趣的方向多做几个模型进行发展。
这个作业在第一节课布置下来，已经吓退了一半学生。事实上由于时间比较宽裕，并非不可完成。
虽然这是一个天马行空的阶段，我的这组模型中有两个方向已经初现端倪：布和通心粉形成的张拉整体（Tensegrity），纸和通心粉形成的可变结构。
▲ Sketch Models
▼ 草模的发展
Mark组织了一次Kangaroo软件的Workshop，开启了一扇物理模拟的门。紧接着我们就根据各自的兴趣和工作习惯，对草模进行发展。
我从第一轮的草模中提取了两个原型，试了几次，建出了两组初步模拟结构性能的数字模型。
第一组模型是模拟折纸形成的空间可变结构。在Kangaroo中，折痕采用铰来模拟，纸的记忆性采用节点之间的弹簧约束来模拟。由于受软件限制，建模的过程采取了很多简化，只有恰当地转化模型中的单元和约束条件才能达到理想的模拟效果。这个模型后来没有继续发展。
▲ Digital Paper-Folding Model Diagram
第二组模型是张拉整体结构。物理草模中主要采用布作为受拉构件，这组中的前一类模型分别有其对应的理想索-杆体系模型。
▲ Tensegrity Test Model 1
而后一个模型（拱）则充分利用了布的特性，受拉构件并不容易简化成索。
▲ Tensegrity Test Model 3
▲ Tensegrity Test Model 2 Simulation
▲ Tensegrity Test Model 3 Simulation▼ 最终项目
下半学期我们才分阶段得知期末作业的要求：
成果形式：体现结构性能的物理模型，图纸，效果图，分析图等。 初看前半段和后半段似乎是脱节的，但是这也体现了宾大很多设计课的共性，从原型入手，设计推进中难免跳跃。 根据功能要求，我们很快确定了“桥梁”这个传统的建筑形式。在结合二人的研究基础上选择了一个新的Tensegrity结构原型。通常意义上的Tensegrity受压构件是一根杆，但是这个原型受压单元是一个具有四个节点的刚体。这四个节点在空间中占据一个四面体的四个顶点；每个单元和相邻的两个单元的四面体的空间位置有交叠，从而保证与节点相连的两组索分别起到收束和扩张的作用，进而相互平衡。我们发现这个结构在网上可见木杆和小球的物理模型，但是缺少造型的探讨，也没有用之做建筑结构的例子。
这个结构看起来难以成立，为了直观地验证它可行并且初步讨论功能和构造，我们做了两轮物理模型进行试验，并且在保持结构性质的基础上多次比较和修改结构造型，甚至尝试过管道形式的截面。
▲ Bridge Unit Tests
刚体部分是3D打印的，拉索先是采用了松紧带，之后改为松紧带和尼龙线两种弹性不同的材料。在第二个模型中我还对节点做了改良以适合模型材料。这样做的好处是用手侧向拉进卡槽就可以把松紧带固定住，不需打结，随时可调。
▲ Bridge Main Structure Test Model 1
同期我们也在进行桥梁截面通行空间的试验，思考场地的选择和设计以适应这种新的桥型。这部分就好比实际设计时有了好的点子，但并不一定适合当前的设计条件，只有天时地利才能让好的设计发光。幸运的是，我们并不需要等待时机，而可以找到合适的场地。
按照课程安排，场地最好在学校附近，便于勘察。我们通过数字模型测试了跨越道路的人行天桥和连接两座楼的空中走廊。老师们看过之后跟我们确认了桥梁截面确保通行的最小尺寸，说场地都太小了，应该选择更大的跨径（这也成为提升项目质量的关键评语）。于是我们重新根据理想的跨径，选择了与巴黎境内塞纳河某段相近的场地，并进行了简化，桥的跨径设置在140米左右，并可以在一定范围内变化。值得一提的是，我们选择的场地河岸有两层平台，下层为滨水人行道，上层为防波堤顶上的人行道；我们注意到桥的结构在截面上呈十字形，自然地将人行空间分割为两块（见截面图）如果把桥沿轴线扭转，就有可能交叉连接对岸的两层平台。
▲ Structure And Function Diagram
由于桥型复杂，场地做了一定的抽象，为了做出有实用性的设计，我们最好把桥梁模型建成可变的，从而适应接下来结构的调整和（实际项目中）场地的具体化。
为了使设计具有一般性，桥梁的场地采用了均一的河道断面，为了给结构和人行道留出空间，桥墩处的场地需要做一些改变。我把桥头连接处设计得尽量简洁好用，并与桥的几何协调。通过模型制作过程或许可以看出这个局部所包含的一点匠心。
设计的挑战和创意点不一而足，请看最终的图纸、效果图和模型照片（模型只展现结构，没有做出桥面）。
▲ Plan and Elevation
▲ Cross Section At The Middle And One End Of The Bridge
▲ View At One End Of The Bridge (Rendering With Site)
▲ View At The Middle Point Of The Bridge
▲ View At Bridge Pier
▲ Aerial View
▲ Physical Model View 1
▲ Physical Model View 2
感谢Archidogs提供这个平台使我得以和大家分享一些心得。感谢两位老师的悉心辅导。下半学期尤其是物理模型制作是二人合作完成的，感谢我的队友马原。如果大家对这门课程或者作品感兴趣欢迎和我联系:
pengwang.summer@gmail.com
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