为什么形式要追随材料？

  今天的中国，建筑创作上有两股风：一股是追求标新立异的“奇观性建筑” 之风，一股是创造所谓“民族形式”的复古之风，或者抄袭欧洲的古代建筑的崇“洋、古”之风。这两股风，虽然看似完全针锋相对，但从“艺术创作原则”上来说，却是完全一致的：即建筑的形式是由人们的“喜好”来决定的，人们根据“建筑方案的彩色效果图”来选择方案，就是这种创作原则的反映。这种原则就是：“形式追随喜好”、“技术追随形式”。但这与现代建筑创作原则“形式追随功能”、“形式追随材料和技术”完全背道而驰。

  “形式追随功能” 对于中国建筑师来说，大家非常熟悉。但是对于“形式要追随结构材料的天性”，知道的人就少得多；因为20世纪50年代官方曾经批判过这个现代主义建筑的设计原则(梁思成先生还为此做过检讨)，从此以后中国建筑界无人再敢谈及这个原则了。改革开放后，打开国门，重新开始学习西方，不巧的是，这时又赶上了后现代主义思潮，它是又一次对现代主义的批判，所以现代主义在中国的命运实在坎坷之极，直到今天，许多人对它仍然并不了解，以为现代主义就是“平屋顶”、“带形窗”、“方盒子”、“国际式”。把现代主义仍看作是一种“形式”的主义。

  如果你和一些人讨论“形式追随什么？”，他们会说：“形式当然是追随‘喜好’的。”因为长期以来，我们国家一直把“喜闻乐见”作为建筑创作最重要的标准。但是什么是‘喜闻乐见’？谁也说不清。实际上，用‘喜好’来判断建筑的优劣，就会失去对建筑的客观评价标准，就无法解释建筑历史，也无法解释欧洲人为什么要拋弃他们曾经创造的、非常漂亮的各种历史建筑样式的原因。要知道，无论是“水晶宫”还是“埃菲尔铁塔”在当时的欧洲，都不为文化界的上层所‘喜好’。

  我每每想起现代建筑和现代建筑的设计原则在中国的遭遇，心中真是“酸、涩、苦、辣、咸”五味俱全，不知道该说些什么了。我有很多朋友是结构专家，他们都非常清楚建筑结构内在的自然规律以及这种规律对建筑的“本质形式”的作用。在结构工程界：“结构的形式应追随结构材料的力学性能”是结构设计的基本原则。“建筑的形式应符合结构的合理形式”是他们对建筑形式的基本看法。他们认为，如果建筑形式和结构的合理形式不能一致，将会浪费大量的材料。他们认为：“材料决定形式”是一个科学问题，是自然规律，不容置疑；但是这个原则对于中国建筑师来说，却是那样的陌生。我已经不止一次地听见，结构工程师对“一些建筑师不懂结构、不顾及建筑结构的合理性”的抱怨。但是近年来，许多结构工程师告诉我，他们已放弃了追求结构合理的理想，因为他们面对这个世界，没有别的选择。

  在对欧洲建筑史的学习中，我们可以清楚地看见欧洲建筑在其发展历程中，建筑形式随着结构进步而发展的历史。我们应该清楚地知道结构进步对建筑的意义。

  在对“鸟巢”设计的评价中，我们又遇见了上述情况，反对“鸟巢”设计的多数人都是有着社会责任感的结构专家。不少中国建筑师却认为“鸟巢”设计得很好，因为他们认为，这个设计是满足使用功能的，它的形象前所未有。他们认为：“鸟巢”很漂亮，大家喜欢；“鸟巢”采用了钢材，采用了新技术，难道不是现代的吗？即便是那些反对“鸟巢”者，往往也只是因为它的造价过高。但是也有人认为，奥运工程是“面子”，多花点钱，不是什么大问题。有人说：“贵是贵了点，但艺术性还是好的。”

  至于从建筑的“艺术性”上去批判“鸟巢”者，并不多。之所以会这样，我以为：这是因为几十年来，我们的建筑界从来不敢谈：“形式要追随材料的天性”是“建筑艺术”的一个重要原则，因为这个原则曾被我国建筑界所批判，但是这个原则与建筑的经济性密切相关，对国民经济的影响实在太大了。

  那么究竟什么是“形式追随结构材料的天性”呢？

  “形式追随材料”，是西方学者研究人类建筑的起源和演变所得出的科学成果。这里所说的形式是建筑的“本质形式”，即建构的形式。自古以来，人们先选择木材、石料、土坯，后来又用砖、瓦、天然混凝土和绳索、织物等材料来盖房子。世界各民族原生态建筑的形式，都是在当时的技术条件下，基于各民族对所采用材料的力学性能的认识水平，按照他们所想到的建构方式所创造的。这就是说，建筑的形式来源于建构的形式，而建构的形式应符合所选用的建筑材料的力学性能。例如：中国人选用木材作为建筑材料，于是创造了一个符合木材性能的营造方法(建构方式)，建筑的形式是由这个营造方法产生的建构形式所决定的。蒙古人选择了织物、绳索、细木材作为建筑材料，根据这些材料的力学性能，他们创造了蒙古包。蒙古包的建筑形式取决于织物、绳索、细木材的力学性能。欧洲人选择石材作为建筑材料，他们创造的各种建筑形式都必须符合石材的力学性能。欧洲人所创造的各种传统建筑形式，都是石材力学性能的合理表达。这就是所谓的“形式追随材料”的含意。

  而任何优秀的建筑形式，一定建立在一个优秀的建构方式的基础之上，而这种建构方式一定反映了那个时代人们对建筑材料的力学性能的认识水平。希腊、罗马、拜占庭、哥特、中国古代建筑等无一不是这样。

  那么也许有人要问：“既然形式追随结构材料，西方人采用同样的石材来盖房子，为什么形式会是多样的呢？”。那是因为形式除了追随材料的天性之外，同时还要追随建筑的功能和建筑的空间形态，以及适应各地区不同的地域条件，而建筑的“表现形式”还会受到不同的文化观念的影响等等。除此以外，还有一个重要的原因，是因为西方人具有对科学技术的研究传统。随着他们对所用材料的力学性能不断的深入理解，他们不断在创造更符合材料特性的新的建造方式，这就是建筑进步的原因，也是欧洲建筑丰富多彩的原因。历史上，从希腊建筑到罗马建筑的转变，从梁柱结构的表达转变为拱券技术的表达，就是缘于这个原因。哥特建筑的出现更是因为建造者找到了解决大跨度拱券结构屋盖推力的新的建构方式。至于现代建筑的出现的原因就更不用多说了。

  那么同样有人要问，既然“形式追随材料”，那么为什么欧洲古代的木构建筑与中国传统木构建筑的形式会不相同呢？那是因为虽然两者使用的材料相同，但两者的建构方式(木构件之间的联结方式)是不同的，建构方式决定了建筑的本质形式。

  历史的经验告诉我们：人们由于各种不同的原因，选择了不同的材料和不同的建构方式，从而创造了建筑的不同的本质形式，这就是各民族不同的“传统建筑形式”形成的基本原因。当然不同形式的产生还受到了气候、环境等地理条件和各民族不同的生活方式的影响。

  如果你认同西方史学界的上述结论，你就可以理解：为什么当钢铁、玻璃和钢筋混凝土出现之后，当人们发现这些材料与石材具有完全不同的力学性能时，西方学者坚决主张放弃传统形式(即放弃所谓的罗马样式、希腊样式、哥特样式)的原因了，因为这些样式都是石砌建筑的形式。西方学者要寻找符合新材料(钢铁、玻璃和钢筋混凝土)的新的表现形式，因为任何结构材料都是有着自身的合理形式的。只有在这种形式中，材料才有可能发挥出其力学性能，也只有找到了这种形式，我们才能做到以最少的材料获得“最大的承载力”和“覆盖最大的空间”，以达到节约资源的目的。

  勒。杜克所理想的十九世纪建筑应“具有哥特建筑的艺术原则”，就是“哥特建筑的结构性”和“形式追随材料天性”的原则。也就是说，勒。杜克希望像哥特建筑符合石材力学性能一样，创造新的建筑形式去符合新材料的力学特性。这就是欧洲人对传统的继承和创新的基本观点。他们要继承的是“建筑艺术原则”而不是表现形式(样式)。这是与中国的许多人，把继承中国传统建筑文化看作“继承中国传统建筑样式”的看法根本不同，或者说是完全相反的。

  现在我们回到“鸟巢”艺术性问题的讨论上来。艾未未是艺术家，所以他知道建筑艺术的理性原则。所以他称赞“鸟巢”的艺术性在于：“‘鸟巢’从理性到感性是一体化的，它的外观就是它的结构本身”。他说，“鸟巢实际上是理性分析的结果，之后被误解为描绘鸟巢的形状”。艾未未也非常清楚：把奥体主场馆称为“鸟巢”是无稽之谈。艾未未非常害怕把“鸟巢”的设计当作是一个形式主义的作品。但是，艾未未毕竟不是建筑师，这是一个他所“不熟悉”的领域，所以他的言论就不足为信了。“鸟巢”艺术性存在的问题，实际上就是因为它的设计没有遵循“形式追随材料天性”的原则。

  那么钢材的天性是什么呢？钢材是一种受拉性能特别好的材料；其受压性能由于受到“稳定性”的制约，并不很好，只能在一定的限制条件下被使用；而其“受弯性能”也是不很好的，在钢梁的断面中，只有一部分材料可以完全发挥出材料的价值，所以适用于钢梁的跨度是有限的。但是，在“鸟巢”的设计中，设计者采用了“刚性框架群”来建造，就是采用箱形断面的“交叉梁系”，来建造如此大跨度的屋盖系统，显然犯了严重的错误。这种错误反映的是设计者在运用结构材料“技艺”上的拙劣水平，这种水平本来就是建筑艺术性的反映；因为历史上的所有优秀建筑都应该是巧妙运用材料的典范。

  川口卫先生在批评“鸟巢”的文章中，他所提出的“空间轴力杆件系统”的结构方案，正是大跨度钢结构应该采用的合理形式之一。在这个形式中，钢材只用其受拉或者受压的性能，材料特性可以得到尽可能充分地发挥，因此可以节约大量的钢材。而弗兰姆普敦对“鸟巢”的批评也是针对其在使用钢材上的“肆无忌惮”的态度。因为弗兰姆普敦非常理解什么是建筑艺术的创作原则。

  “鸟巢”是一个非常典型的案例，它为我们上了一堂生动的关于“什么是建筑艺术原则”的课。借此案例，我们清楚地看见，如果形式不去追随建筑材料的天性，那么就会浪费大量的物质财富，这就是“形式为什么要追随材料”的社会意义。

  关于“形式与材料”的关系问题，西方建筑界有很多研究，图1、图2和图3就是用来说明这种关系的图示。在图1中，从左至右绘制了四种柱子，依次为：砖柱、混凝土柱、钢柱和用超高强度钢材制作的柱子。我们从图中可以清楚地看见，当承受同样的荷载时，随着材料的抗压强度的提高，柱子的断面依次变小。但是，在钢材的强度达到超高强度时，柱子的断面已经不再会因钢材的强度提高而相应减小了，其断面大小是由柱子的“长细比”决定的。换言之，在用超高强度钢材制作的柱子中，材料的性能有所浪费。

  在图2中，从左至右绘制了用四种不同材料制作的拉杆，依次为：木材、3号钢、5号钢及超高强度钢材。我们从图中也可以清楚地看见，随着材料的抗拉强度的提高，拉杆的断面依次变细。钢材的强度在拉杆中可以得到充分的发挥。

  图3绘制的是：对应于两类不同力学性能的结构材料，所采用的两类不同的建筑形式。上图绘制的是传统的石构建筑的表现形式，在这里石材是受压材料。下图绘制的是现代建筑的新的形式，在这里钢材作为受拉材料出现在建筑中。这种新的建筑形式是将受拉的钢材与受压的混凝土，按其各自不同的力学性能，合理地使用，以达到最为经济的效果。图3告诉我们的是“建筑形式与材料的关系”。这就是现代主义的建筑理论“形式追随材料的天性。”的根据。

  下面我们再来看一下西方工程界对屋盖形式的研究成果。图4所绘制的各种屋面形式都是双曲抛物面的。在这种形式中，材料用量最省，最能充分发挥材料的力学性能。各种壳体和悬索屋面都采用这样的形式。从上个世纪三、四十年代起，西方就这样来设计工程了。但是在中国的今天，这套理论却不行了。

  我遇见的许多建筑师，他们甚至连上述“常识”都毫无所知，就去创新；他们自以为是“艺术家”，在设计大跨度屋盖时，他们的工作方法往往是：凭他的所谓“感觉”，用电脑去描绘他“自以为美”的屋面的空间曲面，对待资源的浪费采取了“肆无忌惮”的态度；而我们的一些结构专家也已经完全商业化，只要有钱挣，什么都愿干。更有甚者，某些设计人还故意要提高工程造价，以谋取更高的设计费。近年来在政府工程中，此类现象层出不穷，每平方米用钢量超过200公斤的建筑已不在少数。

  那么他们这样设计出来的建筑真的很美吗？虚假的视觉冲击有艺术性吗？在我看来，这些建筑不仅不美，而且很丑，因为形式背后是拙劣的虚假技巧。而那些业外人士往往被建筑的虚张声势所欺骗。

  为了进一步说明上述问题，我们再来看一下桥梁工程。大家知道：当桥梁采用石料时，如果桥孔的跨度很小，桥可以设计成梁式桥，苏州园林中就有很多这样的石板桥。但当桥孔跨度变大时，可以设计成石拱桥，赵州桥就是石拱桥。当桥梁采用钢材来建造时，桥墩之间的距离可以变得很大，以适应航运的要求。为了达到桥孔的特大跨度，则应该采用斜拉桥；若跨度还要加大，则必须采用悬索桥。桥梁的形式决定于“桥梁的功能和桥梁所选用的材料”。

  20世纪以来，现代主义的建筑师们与结构工程师们共同努力，创造了无数的这样的优秀工程。下面这个漂亮的公路桥(图5)，就是一个说明什么是“技术美”、什么是“形式追随材料”、“形式追随功能”的绝好的例子。

  这个桥是由美籍华裔工程师林同炎先生所设计的Ruck桥。该桥曾在1979年参加美国的“进步建筑艺术奖”(Progressive Architecture)评比，获得首奖。林先生为此十分自豪，他说：“在美国，建筑师的地位极高，我作为工程师设计的桥梁的艺术性能战胜当年所有建筑师的作品，是一件非常不容易的事。”

  Ruck桥，位于美国加州10英里的奥本坝水库上，跨越美利坚河。该桥两端连接着高速公路，为了让车辆在行进中不减速，桥的平面设计成曲线，曲率半径为457.2米。桥位于两座高山的峡谷之间，桥长1330英尺(405.38米)，中间没有一个桥墩(峡谷太深，无法建桥墩)。这是一座斜拉桥。众多的钢索形成双曲面。我曾经听过林先生介绍这个桥的设计。他说：“一个斜拉曲线桥的设计是一个十分复杂的问题。为了简化设计，也是为了节省材料，我在布置斜拉钢索时，使得桥的任何一个横截面上受到的钢索拉力的合力方向，就是该截面的法线方向。”“这样一来，这个曲线桥的设计就和直线桥的设计一样简单了。”

  呵！这是一个多么美妙的构思啊！该桥的一切，包括桥型到每一根钢索的定位，全是由汽车车速以及钢索的力学性能所决定的。而正因为这一切都是来自客观，所以这个桥的形式完全是科学推导的结果。因为科学的规律就是自然规律，所以这座桥就像上帝所造。宛如天作，美丽之极。

  这个桥后来因种种原因未被建造，但该桥一直是被公认为力学与美学结合的典范作品，被称为“最著名的未建成的桥梁”。1986年，里根总统将美国国家最高科学奖-“国家科学奖”颁发给林同炎先生。奖状的赞词写道：“他是工程师，教师和作家。他的科学分析、技术创新和富于想象力的设计、不仅跨越了科学与艺术的壕沟，还打破了技术与社会的隔阂。”

  今天我把这个桥的设计推荐给中国的建筑师，也是为了说明现代设计的原理：“形式追随功能”、“形式追随材料”。

  柯布西埃在“走向新建筑”一书中，曾有一节“向工程师学习”。不知大家读后有何想法？我以为，在当今中国建筑追逐标新立异之际，最为重要的事，是应回归建筑的本质。在这里我们应该向工程师学习，只有这样，我们才能跨越技术与艺术的壕沟，创造中国的现代建筑。