我相信，要創造出劃時代的建築空間，對“結構設計”進行研究是不可缺少的。這個觀點成立的理由和如何實踐的方法論，將作爲這篇短文的目的在以下一一論述。
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“結構設計”的含義
18世紀英國開始的產業革命時代，和後來20世紀後半葉電腦革命時代，這些都是根本性的技術革新時代。然而在時間的永不停滯的流逝中，當時的人們是不可能清晰地認識到那些是社會，經濟，政治，軍事，宗教，文化，傳統等方面革命性的的變革。不管喜歡與否，在人類被機械文明的洪流推動的過程中，大家是否有種要被這個時代完全吞沒的奇怪預感呢。
技術革新與政治革命，軍事革命，思想革命等不同，後幾者隨著時間的流逝，只能捕捉到當時的現象。然而，技術革新會對社會各個方面，體系，人類生活都產生所謂革命性，決定性且不可逆轉的影響，這就是“革命”的確切含義。
由於技術革新，建築業也不可能免於“革命”。17世紀以前，除富有和權勢的人之外，普遍採用就地出產的木材，石，土，瓦，布等材料來建造自己的住宅。比如，加拿大愛斯基摩人冬天住的房屋“Igloo”，就是用雪塊作為建築材料，一個男子幾小時就能蓋好整個家族住的小雪屋。由於採光的需要必須要有天窗，一般在冬天剛開始時切好半透明薄冰作為天窗。到了春天，雪屋一開始融化，就捨棄它，轉而搬到皮質的帳篷中去。像這樣因地域，氣候，傳統不同而形式變化的建築，世界上還存在很多。建築材料與日常生活的關係越密切，那樣的建築材料和建築空間之間，就越能顯示出幾乎完全的必然性和洗煉的精神來。
然而，由於產業革命，當近代工業生產出的“鐵，混凝土和玻璃”這三種材料開始成為主要建築材料時，情況發生了變化。工業生產基本上是以多品種大量生產為前提發展，以廣泛普及為目的，佔用巨大的能源，並在全世界擴張。
作為其結果，出現了國際化的建築形式，並擴展和普及到了世界各個角落。倫敦，巴黎，北京，紐約，東京，湯加王國，全世界各個都市里都排列著使用完全相同的技術建造，形態樣式相同的建築物。真是可怕的現象！
如果建築是一個供人居住其中的容器，那麼應該有必要採用某些技術，來實現能將地域特性，傳統，習慣等都逐一明確的建築空間。宏觀地來看，地球確實是一個整體。但是，普通人的觀點，通常是霧裏看花般的著眼於微觀事物。微觀上，沒有地域性的著眼點，建築也就不能成立。這就是為何現在最追求的建築創意的基礎，是去尋找宏觀觀點和微觀立足點二者的結合點。
在這裏，我們要注意一個重要的現象。近代以前，建築技術根源於地域性，因而地域特徵基本上能夠以物質的手段表現出來，而建築創意是以建築樣式為媒介被抽象化出來的。值得注意的是，到了近代以後，那樣的關係完全相反了。現在，沒有了地域性，傳統這些具體的形態，轉而追求一種虛無的精神繼承，有種宏觀的觀點認為，建築空間的構成應該從屬於國際化的先進技術。
因此，我們把基於以上事實的建築空間設計方法稱為“結構設計”。
這種方法並不是到現在才產生的。從本質上來看，我認為，正是各種各樣的科學技術，工程學動態的結合，才構成了“結構學”這門獨立的學科。
如果概括“結構學”的基本理念，就是對自然科學體系以及社會體系的各種構成因素的分析和統一的學問，關於各種因素之間的關係，是靜態的存在動態的把握的。這種含義下的“結構”概念在各種地方都在使用。社會結構，產業結構，經濟結構，結構性改革，頭腦結構，結構性貪污，經濟摩擦結構，結構性語言學。。等等不勝枚舉，許多用語中“結構”的概念是作為相通的詞語來使用的，並且含義相同。將社會體系中多種構成要素，用獨立的變數進行分解，然後對其相互關係進行定性化和定量化分析，此時的要素和要素之間的關係保持相對恒定的場合，那樣的系統，稱為“結構”。
最早稱得上“結構學”之父的，是畫家，雕刻家，建築師，同時又是軍事技術專家，土木技術專家，物理學家，生物學家，眾多方面的天才人物萊奧納多•達芬奇（1452-1519）。
在達芬奇的筆記中，詳細記錄了30歲前開始到晚年，他所關心的各種各樣的事物，和讀書，觀察，試驗，研究等的所得。在筆記內容中，美術的各種分類理論和實踐自不用說，還涉及了圖形學，數學，物理學，力學，天文學，光學，地質學，水利學等所有自然科學的研究，包括飛機在內的各種機械類的研究，軍事，土木，築城，航海等軍事方面研究，運河，水利的規劃，城市規劃，橋樑設計等也涵括在內。
由於達芬奇的筆記中，是用無次序，隨意的方式記錄，而且以達芬奇特有的反轉文字（就像抄寫鏡子中的文字）記錄，同時也有不少標點和語法的錯誤，造成瞭解讀的困難性，直到19世紀以後，才能逐漸清晰地呈現筆記的全部內容。達芬奇的自然科學分類中，首次提出以廣泛的技術領域的結合為著眼點，稱其為“結構學”之父也是當之無愧的。
同時，公認的近代哲學之父，解析幾何學的創始人笛卡爾（1596-1650），其哲學思想，對於現在這個建立在以高度發達的科學技術基礎上的社會，也可稱之為思想起源。笛卡爾在他所處的學術啟蒙狀態的中世紀，可能就已經朦朧地預見到所有知識都是在推廣數學的準確性這個原理，進而創造出了“普遍學”這一學說 。當時的學術研究各個領域，被很多客觀障礙諸如光，太陽，星星，彩虹，磁鐵，生物等所分隔，因此，笛卡爾在他的學說中，試圖根據空間和運動，來解釋所有的問題。
所謂運動，本質上是空間的問題，應該能用數學描述。笛卡爾的物理學，以空間為媒介，得到了“無非是幾何學”的結論。宇宙的全體都能用同一種物質來描述，天文學，物理學還是生物學都是由同一個法則支配。。這樣就把所有的科學都統一起來。為了發現那些法則，需要必要的方法，於是有名的“方法概論”就此展開。當然一方面，笛卡爾的形而上學的出發點是值得懷疑的。懷疑，思考，創造，神助，是神在保佑整個認識過程吧。。正是在這樣的過程中，完成了“有破才有立”的認識。我想，笛卡爾的這種思考過程和方法論，經過了350年直到現在還具有生命力吧。對於現代的技術和工程學，如何懷疑和思考，整體與部分的分析與結合，正是“結構學”的立足點。
本文將在這樣的“結構學”在建築的實踐方面，展開“結構設計”這一主題。
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“結構設計”的構成因素
如果从“结构学”的角度来说，所谓“结构设计”，就是将各种技术工程学的成果，在某一建筑上很好的平衡和运用。一方面，現代社會價值觀日漸多樣化，要設定一個創造性的目標並不難。對於我們來說，建築必須能豐富和健全地表現空間，如果考慮建築必須作為社會資產的累積，在其上附加高度的耐久性的要求也是必需的吧。為了在長年累月中，使建築物保持物理上的耐久性和發揮能跨越時代的美學性，必須保證其耐久性。
空間的“跳躍感”，“緊湊感”，“動態”，“變化”等，這些全都是建築空間需要體現和暗示的目標，同時也成為“結構設計”的目標。以實現以上空間創造為目標，“結構設計”的構成因素如圖1中所示，由理論知識和技術工程學構成
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空间的“跳跃感”，“紧凑感”，“动态”，“变化”等，这些全都是建筑空间需要体现和暗示的目标，同时也成为“结构设计”的目标。以实现以上空间创造为目标，“结构设计”的構成因素如图1中所示，由理论知识和技术工程学構成。
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┌荷載理論 ─────────┐
├物理學 │
┌力學┼解析學 ├科學與技術工程學
│ ├幾何學 │
│ └安全率理論 ─────────┘
│ ┌材料學 ┐┌規格化 標準化┐
“結構設計” ┼材料┼經濟學 ┤├流通性 可變性│
│ └流通理論 ┼┼加工性 互換性├近代化與工業化
│ ┌施工理論 ┤├機 械 搬 運│
├施工┼系統工程 ┤├組 合 分 解│
│ └生產理論 ┘└耐久性 經濟性┘
│ ┌感性・美學 ─────────┐
└空間┼空間論 Ｘ Ｙ Ｚ ├思考與個性
└時間軸 Ｔ ─────────┘
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图1 “結構設計”的構成因素
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從大的分類來說，可以分為“力學”，“材料”，“施工”，“空間”四部分。
首先，“力學”方面以荷載為出發點討論，對自重，風，地震，溫度，衝擊，水壓，土壓，積雪等各種外力性質理解後，進行將荷載定量化的工作。由於許多荷載不是靜態的，而是動態的隨時間變化的，其本質比較複雜。當然，其中也有地域性的原因，因此一概而論是比較危險的做法。
如果能設定好荷載，那麼結構體所發生的應力和變形，就能通過物理學和解析學來求出。最近，由於電腦的發達與普及，儘管也造成了一些錯誤，但還是能夠正確的描述整個力場的流動。
但是，力是看不見摸不著的。視覺上能直接看到的那些力只是幾何學。根據幾何學，能夠實現在立體空間內，將看不見的力的流動表現出來。這種方法正是從形態論展開，在建築界應用。
但是，由於那些被實體化的形態，是從最初設定的荷載出發的，那麼安全率的概念該從整個過程的哪里導入呢？對於結構工程師自身，對荷載取值有信心，安全率就設定得較小，如果對大部分荷載中的不確定因素沒有把握，則增大安全率，一般這樣來確立結構體的“安全性”。安全率不是針對結構體全體一概而論的，由於對應不同性質的荷載時，對結構體中某些細小卻關鍵的部位進行關注非常重要，因此，安全率必須根據不同場合到不同結構形式，結構體反饋的內容而決定。
所以，我不贊成以下這種普遍存在的考慮方法，即擴大安全率就會使結構造價不經濟。具體的安全率理論是在不忽視經濟性的情況下，結構物以“安全”為唯一指導準則。因此，“力學”的入口是荷載理論，而出口是安全率理論。
第二種構成因素“材料”，對結構設計而言，也是不可缺少的著眼點之一。既然近代建築，建立在鐵，混凝土，玻璃這三種工業產品的基礎上，那麼作為設計者必定對這些材料有各自獨到的理解。而且，這些材料技術的飛速發展，使我們身邊不斷出現各類相關材料。
就鐵來說，從最近壓軋鋼的普及，高張力鋼的實現，一直到鑄鋼，煆鋼等鋼材自由造型，耐候鋼板，耐火鋼，耐熱鋼等太多各種不同材料和製造法的實現，使正確把握所有這些鋼材性能的基礎上的“鋼結構設計”成為可能。高張力鋼的利用，成為實現緊湊感十足的空間的原動力，而鑄鋼，煆鋼則出現在需要表現厚重的結構空間中。
玻璃和混凝土也是類似情況。連瓦，石材，木材等傳統建築材料，也在近代建築中作為現代技術的背景被靈活的運用。另外，木材的集成技術也變得發達。
在“結構設計”中希望靈活運用這些建築材料時，每個材料的力學性質當然很重要，不過，對相關場地周邊的經濟性，實際流通狀態的認識也同樣重要。那是因為建築材料是與地域性密切相關的事物。近代工業的基礎鐵，玻璃和混凝土，長期以來被當作國際性的建築材料。但實際上國際性的材料到哪都是沒有的，我們都知道材料都是和地域密切相關這個事實。東京，巴黎，倫敦，上海，紐約，儘管都是混凝土，每個城市的混凝土還是不同的。所謂工程學的意義，就是提供給全世界同樣的東西，不過，實際上提供的東西還是被經濟和流通支配。由於我們在這裏所討論的“結構設計”重視問題的實質，因而必須基於地域性對建築材料進行討論。
然後第三個因素，是“施工”的問題。沒有對結構體整個建造施工過程的認識，“結構設計”也是不能實現的。對於現代建設相關的機械工具，裝置情況一無所知的話，結構設計根本無從談起。“結構設計”往往從新工具的考察認識開始。譬如，法國的Fure•Shine(1879-1970)作為預應力混凝土的發明者，根據他在混凝土方面的相關研究，乾燥收縮和徐變問題，張拉材料的開發等技術工程學上的這些研究成果，發明了預應力這一技術體系，但僅僅如此還不能實用。為了實現預應力的構造方法，Fure•Shine發現千斤頂必不可少。設計出預應力導入時方便實用的千斤頂，是預應力之父Fure•Shine決定性的發明。
施工的中心不外乎工法（施工方法）。現存多種工法，不論是對所有這些工法綜合運用還是設計新工法，都是使“結構設計”成為具體可能的途徑，反過來說，“結構設計”的設計內容也被工法所左右，或者受到很大影響。
宏觀的看，工法是以高效率的建設為目的而採用的方法論。為了達到高效的目的，是否系統化的組織和實施施工過程成為影響一個建築成立的條件。系統工程與施工方法有著緊密的聯繫。
同時，時代，社會的生產系統和工法都是關聯的。如果在“結構設計”這根柱子上放置“近代化”，圖1中表的右側寫的諸要素都要系統性的規格化和標準化。反過來，也表明了融通性，可變性，然後，直到加工，運輸，組合等工業方法的開發，更進一步可能是支持耐久性，經濟性等成為重要因素吧。“結構設計”無非是將這些個技術工程學濃縮到一個建築中的工作。
這些“力學”，“材料”，“施工”相關的技術工程學進步的成果，歸納起來，其必要條件即是滿足“結構設計”的要求。
然後 ，完成“結構設計”的充分條件是第四個構成因素“空間認識”。這個因素中，有結構工程師們獨有的見地，思考，感性，從而創造出初始的固定空間。為了將多種技術分析和統一，沒有貫穿始終的理念和哲學，是不可能完成這一工作的。不管定量還是定性的來認識各種問題的根源，問題經常需要被直接放在立體空間中來考慮，探索如何“豐富”與“完整”建築空間，結構工程師個人的行為，成為了“結構設計”中最重要的構成因素。
儘管對圖1的構成因素進行分析和綜合，使“結構設計”成為可能，不過，還有其他相關的領域。在別的領域也有專家。因此，我們結構工程師，如何致力於與別的領域專家們密切配合，完成一個建築所需要的所有專業能力的綜合，是非常有必要努力的，那樣的努力通過“結構設計”來實踐。 |
