体验与结构：日本结构基础教学方法

摘要：现代结构技术的微分化、黑箱化，使抽象的结构原理和以具象形态为基础的建筑设计流程逐渐脱节。为增强建筑学学生对结构技术的认知，日本建筑学会对结构基础教学进行改革，通过一系列生动的对照实验和模型制作，使学生在对结构模型的实操中由浅入深地理解结构形态与力之间的相互作用

转自：AT建筑技艺

【AT导读】现代结构技术的微分化、黑箱化，使抽象的结构原理和以具象形态为基础的建筑设计流程逐渐脱节。为增强建筑学学生对结构技术的认知，日本建筑学会对结构基础教学进行改革，通过一系列生动的对照实验和模型制作，使学生在对结构模型的实操中由浅入深地理解结构形态与力之间的相互作用关系，在具体力学概念与计算方法的学习之前，基于具象的结构形态和形变方式，建立对力的认知。在日本建筑-结构融合发展的理论背景下，介绍结构基础教学方法，有利于学生建立起结构概念与知识体系的关联，为结构的创新创造理论基础。

引用本文：[1] 高晏如，郭屹民. 体验与结构：日本结构基础教学方法[J]. 建筑技艺（中英文），2024，30（9）：48-50.

体验与结构：日本结构基础教学方法

文 / 高晏如郭屹民

具象的形态是建筑师工作的基础。在对形态的思考和操作中，建筑师对建筑的功能、流线、空间体验、结构强度等繁多的要素进行平衡与协调，最终得到满足各方要求的可落地方案。这种相对宏观、多线程、从模糊到清晰的思考方式有利于处理多要素之间的关系，但往往与结构力学中以微分为核心的精确计算背道而驰。这也是建筑专业中结构教学展开的难点——课程中教授的结构计算方法与设计过程脱节，导致结构知识难以与图形化的设计方法进行关联记忆和理解。

日本建筑学会也发现了这个问题，科学技术的黑箱化使年轻的建筑师丧失了对技术探求的热情，繁复的计算难于理解。为了促进结构技术与建筑设计的结合，激发年轻建筑师对结构技术的兴趣，结构专家对结构基础教学做出了改革，希望建筑学学生能够在简单的模型制作和实验中，通过抽象的力与具象的实体模型之间的互动，体验到结构的有趣之处，在结构学习的伊始建立起对力的直觉①。本文将介绍日本建筑教育的结构基础教学如何通过模型、实验和图形化的具象思考方式降低结构力学的理解难度，建立更适合建筑学学生的教学模式。

NO.1

承重的逻辑：揭示形态与承载力的关系

在建筑图纸与建成建筑中，结构部分通常与饰面一同呈现为涂黑的实体，根据空间的不同需求以完成面的形态出现。随着建筑设备、构造的复杂化，建筑学学生在日常生活与建筑案例中可能观察到的建筑实体形态与承载力之间的关系逐渐隐藏在固化的结构类型和通用的构件尺寸之下，无法在潜移默化中形成对于结构形态规律的基本认知。材料是如何通过形态获得强度的？日本结构基础教学希望学生能在结构计算的学习之前，首先建立对形态与承载力关系的印象性认知。

教学在引入部分选取折纸向学生展示形态与结构强度之间的关系。绘图纸是生活中常见的、几乎没有任何强度的材料，但在不同方向上稍加弯折就能使其获得原本没有的结构强度。例如，平整的纸张无法保持平衡的站立状态，但弯曲后即可在桌上站立（图1）。在“支撑”概念的教学中，学生被要求自由地弯折、组合软质绘图纸形成不同的筒体，调整截面的形状与开放、闭合状态，并在不同的折叠、组合方式中观察软质绘图纸从仅能完成直立状态下的自身平衡到可以支撑起几本书重量的强度变化②（图2）。

▲ 图1 B4软画纸的站立实验

©《结构入门教材：力与形》

▲ 图2 纸筒的支撑实验

©《结构入门教材：力与形》

除了“支撑”，折叠后的纸张也可以实现一定跨度。在折板结构的学习中，学生用软质绘图纸制作的三角构型折面纸拱不仅能通过折面的“山”和“谷”之间产生的高差维持稳定的形态，还具有大约两到三本较厚书籍的承重能力。根据实验中提供的不同纸拱折叠方式（图3），在几组纸拱的对比实验中，学生可以发现折面高差更大的纸拱能支撑起更多书籍，理解折板结构中折叠产生的几何厚度与荷载之间的相关性③（图4）。

▲ 图3 不同的纸拱折叠方法和示例

©《结构入门教材：力与形》

▲ 图4 纸拱承重的对照实验

©《结构入门教材：力与形》

在后续更多结构类型的教学中，课程也依照相似的思路展开。依托模型制作与实验，以直观的形态特征优先回答结构的强度逻辑、形态变化对承载力的影响，在这之后再引入对其进行解释的相关物理量和表达关系的公式作为对基础概念的进一步强化，逐步建立完整的结构知识体系。此外，实验倾向于选用绘图纸、橡胶垫、软泡沫板这类更日常、易处理的模型制作材料，增加实验的可操作性，使学生能在与结构形态的互动中，对形态变化带来的强度有更身体化的体验，为日常生活中的结构现象与严谨的结构知识体系建立互通的可能。

NO.2

结构的模拟：模型中的简化设计

结构的形态逻辑提供了整体性理解结构和荷载关系的思路，而构件的传力和形变机制则是在从内部解析结构的工作法则。研究尺度的缩小带来更精确的构造需求。课程延续制作和实验的具象化优势，对模型的构件和节点构造做了精细的设计，以满足制作的可行性、形变的可视化和模拟的准确性。

结构的构造方式影响构件的形变方式，例如节点类型的差异会导致构件应力集中点位的变化。在拱体受压的形变实验中，需要通过对不同铰支座的模拟，对比拱的形变和位移特征。节点一直是模型制作的难点，由于其需要承担多方向的力，必须仔细考虑不同方向上位移的固定方式。其中，铰支座是一种仅约束垂直位移，允许构件在面内自由转动的节点类型。实验将泡沫棒固定在拱脚底面作为铰支座，并以是否将其固定在底板上作为滑动铰支座和固定铰支座的区分（图5）。拱体对其施加的单纯向下的压力固定了支座在垂直方向上的位移，而棒状的形态使拱体可以在面内自由转动④。在为两组模型施加相同的荷载时，使用滑动铰支座的一组产生侧向位移，拱体在受压时整体向侧下方偏移，而使用固定铰支座的一组不产生侧向位移，在拱体的两侧产生较大形变（图6）。

▲ 图5 拱的受压实验中铰支座的制作示意图

©《结构入门教材：力与形》

▲ 图6 不同支座类型的构件形变方式

©《结构入门教材：力与形》

对于更成熟的结构体系或典型的受力方式，实验则更强调构件形变机制的展示，对不同类型的形变采取差异化的模型设计，通过材料的选择强化形变的效果。例如，桁架结构中杆件会在受拉与受压的过程中产生轴向的伸缩，在用受力分析进行复杂的拉压关系推导前，为了让学生对桁架的拉压体系产生更直观的记忆，教学中设计了杆件可伸缩的桁架模型，使结构的形变可视化。模型中的杆件采用可以产生微小位移的粗细杆嵌套构造，并在杆件上固定橡皮绳，使杆件的受拉、受压情况能清晰地反映在橡皮绳的起翘状态上（图7）。当学生从不同方向拉动端点时，这个模型能自由、可重复地展示力的方向与杆件受拉、受压之间的关系⑤（图8）。

▲ 图7 桁架的伸缩杆件制作示意图

©《结构入门教材：力与形》

▲ 图8 桁架中受力方向与杆件伸缩的受力分析

©《结构入门教材：力与形》

筒体在受到一对垂直于轴线的相反的力时则会发生扭转，使构件表面产生水平位移，在筒体的扭转变形实验中，模型采用了形变部分和受力部分的分节设计，其中形变部分是以软泡沫板为材料制作的圆筒，而受力部分则使用实心的泡沫块，用双面胶与支座固定（图9,10）。分段式设计在放大扭转幅度的同时，保证了节点强度和筒体上表面受力的均匀度⑥。

▲ 图9 扭转实验模型制作与实验方法示意图

©《结构入门教材：力与形》

▲ 图10 筒体扭转实验现场照片

©《结构入门教材：力与形》

模型制作中对形变和构造的准确描述对于结构形态的理解至关重要，它使学生能更清晰、直观、准确地观察到形态对力的应变方式；同时，在对复杂的实际结构构造提炼和抽象的过程中，学生也能深入“涂黑”的结构实体，理解构造和形态对应的传力原则。这样的设计更有利于学生脱离僵化的结构知识和形态理解，获得对复杂结构体系进行抽象、简化思考的能力，能够在设计中超越繁琐的计算过程，对构件形态作出直觉性的判断。

NO.3

形态的感知：基础结构教学与设计方法

建筑师对结构与建造的理解和构思能力是建筑整体式设计（Holistic Design）的重要部分。在技术与建筑学学科共同发展经验和理论的积累下，日本不少结构学家都参与过结构建筑学领域的著作编写，一部分著作从结构学的视角介绍结构原理的应用逻辑和发展历史，如坪井善胜有关壳体结构的研究，以及木村俊彦对结构解析方法的应用归纳；另一部分则更偏向建筑领域，阐述结构与建筑的统合性设计思路，如川口卫、斋藤公男等结构学家基于建筑实践的设计哲学类著作。作为基础教育的一环，本文介绍的结构基础教学方法在日本“建筑-结构”融合发展的理论背景下，聚焦于结构形态本身对力的回应方式与制作训练，旨在通过实体模型的制作和对照实验，培养对形态和材料力学性质的敏感度和对基础结构体系的常识性认知。

这种对于形态力学性质的敏感度虽然不涉及更复杂的空间规划问题，但往往在设计的结构选型中能提供最直接的灵感。例如，石上纯也的名作“餐厅的桌子”和神奈川大学KAIT工房中精彩的结构设计都来源于日常生活中可感知的结构现象：“餐厅的桌子”使用预应力技术完成2m跨度的超薄桌面，让大跨度与轻薄的钢板之间形成超现实的视觉对比，其灵感就来源于卷起的纸张摊平后其自重重量和弯曲反力的平衡关系；而KAIT工房中用不同方向的扁柱满足侧向刚度的需求（图11），其结构概念则是来源于钢尺不同方向极大的刚度差异（图12）。基于结构形态的力学认知，建筑师可以不必完全依赖经验性的构件尺寸和形态认知，更灵活地平衡结构与身体感受之间的关系，而教学中所提倡的制作方法、结构现象和力学体系的整合能帮助建筑师更系统、更科学地将模糊的概念转化为可深化的方案，为结构的创新建立知识基础。