今天不聊BIM，来聊一聊设计，弗雷·奥托，一生致力于轻型结构的研究，作为一名结构建筑师（我个人斗胆这么定义），从建筑史的发展角度来说，是永远值得被人铭记的一位大师！
弗雷·奥托（Frei Otto），1925年5月31日出生于德国，著名建筑师、工程师、研究员、发明家。他的成名作是1972年的慕尼黑奥林匹克体育场，该体育场开拓性的使用了轻型拉膜结构，而在此之前传统的体育场都是封闭式的严苛单一形象，弗雷·奥托的设计打破了这一传统，而他的设计也被认为象征着新兴、民主和乐观的德国。
2015年3月9日，弗雷·奥托去世，促使普利兹克奖委员会打破惯例提前宣布弗雷·奥托获得2015年普利兹克奖
进入正题，关于C型柱，由于工作原因，我曾对C型柱进行过比较多的研究，还曾经买过一本《轻型建筑与自然设计——弗雷奥托作品全集》，感叹其研究原型，很多都被现在的国际知名的建筑事务所拿去模仿。今天就把这些当年的研究经历拿出来分享一下，也算是一个快乐的回忆吧。
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▲通过肥皂膜进行力学找形实验
C型柱的原型，是弗雷奥托通过一次偶然的机会，使用肥皂膜实验，发现了一种新的受力形式，于是他很快便将自己的研究成果应用在实际工程中，成名项目就是1967年蒙特利尔世博会德国馆和1972年完工的慕尼黑奥林匹克体育公园主体育场。
▲1967年蒙特利尔世博会德国馆
▲1972年完工的慕尼黑奥林匹克体育公园主体育场
当然，最让人惊叹的还要属斯图加特21火车站项目。
斯图加特的老火车站，是1927年斯图加特学派的代表人物 Paul Bonatz 设计的立体主义杰作中央火车站。1997 年， 有约 400 位民众向德铁提出了 900 多条设想或者建议 （大家要记得当时互联网还没有十分发达，Google 公司还未成立，社交网站还没有出现。这个数字在那种条件下是很可观的, 体现了民众十分高涨的参与热情）。1997 年 11 月的方案决赛中，来自杜塞尔多夫的英恩霍芬建筑师事务所（Ingenhoven Architects) 的地下火车站方案获得评委团全票推选。
新的贯穿式火车站有八条铁轨，四个岛屿式月台。它的地下大厅全长 400 多米， 顶部有共计 27 个圆形天窗，称为光眼。 这些光眼以漏斗形的柱子支撑。其中的 23 个有眼睑状的拱顶。这些依据悬置皂膜结构力学设计的优美支柱在车站大厅内部营造出一个富有节奏韵律的空间。先看一下效果图或者模型照片：
▲S21 主火车站效果图
光眼与光眼之间的间距大约是直线 35.64 米， 对角线 34.95 米：
眼睑顶部高出地面 4.325 米。 每个光眼内部最长处 17.10 米， 最宽处 14.70 米，外部直径 20.60 米。 眼睑最薄处只有大约 40 厘米。 对于这样大直径的圆形，这个眼睑可说是十分轻巧：
整个光眼高出月台平面约 8 到 12 米：
这个地下车站没有用到大面积的玻璃棚顶采光，还出于节能环保的考量。大厅顶部覆盖的土层起到天然的隔温作用。 计算机空气热力学模拟表明， 这个大厅，夏天的温度在 10 到 20 度之间，光眼下方阳光直射的地方大约为 27 度。冬天则至少有 14 度。 所以，这个大厅不需要大功率的冷暖空调。白天有足够的自然光照明；夜晚， 大厅内壁也有足够多的反光面积，不必太多电灯就明亮舒适。
▲该方案设计师Christoph Ingenhoven
这个方案的设计师 Christoph Ingenhoven 是德国当今建筑界的明星。他 1960 年生于杜塞尔多夫，父亲和哥哥也都是建筑师。节能环保可持续是他的招牌特色。他的名作包括卢森堡欧洲创新中心大楼，施华洛世奇苏黎世总部大楼，法兰克福汉莎航空公司总部大楼，新加坡 Marina One 等等。 这个斯图加特 21 的方案，是他在 1990 年代和 Otto Frei 合作设计的。
▲Otto Frei
而生于 1925 年的 Otto Frei 则是德国当代建筑界宗师级的人物。他一生致力于仿生学研究，师法自然界的优良力学结构以创造轻质而优美的建筑形态，某种程度上说，似乎可以称为当代的 Gaudi。Gaudi 创造了 “逆吊实验法”，利用悬链线设计了圣家族大教堂等建筑作品， Frei 将其发展，创造了反向悬挂结构，并在曼海姆多功能大厅、汉诺威世博会日本馆等建筑中大量运用。他在 1960 年代末设计的慕尼黑奥林匹克公园建筑群，是我见过的最最优美的德国当代建筑，尽管我自己其实是喜欢直线多一些。
斯图加特 21 光眼的悬置皂膜形态有极为鲜明的 Otto Frei 特征。尚未建成就被德国 Haeuser 杂志给予极高评价，称其为自慕尼黑奥林匹克公园以后德国最优美的建筑。但其实正如 Gaudi 的许多建筑，师法自然的外表之下， 是严谨的数学方法。 Otto Frei 在上大学之前是 trade school 里的一个学徒，认识了一个滑翔机制造师，跟从那位老师制造飞机模型。 从此他就跟轻质结构结下了不解之缘。 他在斯图加特大学开课教过学生， 创办了轻质学院。 在斯图加特期间也有重要作品问世。 2015 年 3 月 9 日， 89 岁的 Frei 因病去世。 次日普利茨奖公布， 得主是他。 他没有错过普利茨奖，却无缘亲见自己参与设计的斯图加特 21。
▲Werner Sobek
▲结构有限元分析
目前， 新火车站的总结构师是斯图加特人， 斯图加特大学建筑教授 Werner Sobek。 Sobek 是斯图加特大学建筑系培养的， Otto Frei 是他的老师之一。 Otto Frei 退休以后， 他接替 Frei 做了轻质学院的院长。 他的建筑理念也是强调轻质节能可持续，注重开发新结构和采用新材料。 斯图加特 21 工程的耐人寻味之处， 在于她优美的建筑形式之下也发生过戏剧般的人事纠纷。 Otto Frei 和 Werner Sobek 这对师徒在以后的篇目中还会有故事出现。
回到火车站的主设计师 Christoph Ingenhoven。新火车站建成以后， 现有地面上的铁轨是要全部拆除的。 拆除了以后， 在 100 多公顷的空地上建些什么，至今没有定论。 本地的政客们经历过围绕斯图加特 21 的无数风波以后，个个变得滑不留手，都喜欢说 “让市民发声！” 现在市里有各种听取建议的渠道。 这先按下不表。 紧挨着地下大厅北边的一块空地，市里也交给 Ingenhoven 负责设计。 这可能是出于统一建筑风格的考虑， 也可能夹带一些私心。 因为 Ingenhoven 这两年喜欢用 “超级绿 （super green）” 来标榜自己的建筑， 而斯图加特目前市里主政的是绿党。 绿党本色，讨个好彩。
上图中， 地下火车站大厅的左边有一幢矮矮胖胖的大楼， 就是上文提到的 Ingenhoven 楼。 德铁说要在地下室建 340 个停车位，地面上的七层里面做些什么，各方都表示待定， 但很有可能是像米兰霓虹那样的综合性商业用楼。 我觉得颇奇怪。 通常一幢建筑，是先有预设用途方才建造。 然而这幢楼，其用途至今未知。前市长说作音乐厅， 现市长说把城里的老牌世界民俗博物馆 Linden 博物馆搬进去。 但是，音乐厅或者博物馆对天天搭火车通勤的普通市民并无实际用处。 个人觉得，像汉诺威火车站内部的 Lidl， Rossmann 之类的平价超市是很好的潜在商家， 周日和节假日也开门营业， 这是切切实实的便民措施。而且保证开店以后生意兴旺。
先不管周围的建筑最终会是怎样的面容， 看着火车站大厅的效果图我不禁想像，建成以后，车站大厅内部光影效果将随着阳光的位置和强度产生丰富变化，配合天空中移动变化的云彩，星月或者光眼之外的景观，将会是一个诗意空间。斯图加特内城没有潋滟水波是个遗憾，但是不久的将来，这个山谷深处将会有盈盈流转的眼波静静观照这个城市的律动与悲欢。让我们共同期待。
▲截止2022年8月的施工照片
后无来者
在斯图加特21火车站项目之后，很多建筑设计师都喜欢拿C型柱的原型去应用到自己的方案中，其中最为著名的就是扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）建筑师事务所参与设计的北京大兴机场工程，但是不管怎样，都有一点，弗雷.奥托的设计应用，建筑和结构，都是一种材料，比如前面说到的蒙特利尔世博会德国馆项目和慕尼黑奥运会的主体育场，看着像一个帐篷，而像斯图加特21火车站的站台雨棚柱，更是将力与形完美的融合到了一个构件上，这在后来的所有模仿者中，都没有很好的做到这一点，基本都是骨肉分离的做法。
▲蛇形画廊
▲北京大兴机场
▲莫斯科地铁大环线-“枫叶大道2号”地铁站入口
▲2015年世博会德国馆
▲首尔河浮动渡轮码头概念方案
竭尽全力，追求最佳
我在2019年-2021年间，在同济大学建筑设计院工作期间，曾有幸作为负责人之一，深度参与了重庆东站站房及综合交通枢纽这个超级巨无霸工程的全过程设计工作，总建筑面积超过了120万㎡。正立面造型以“山水千里、黄桷参天”为设计立意，采用的六颗C型柱犹如重庆市很有代表性的黄桷树，两边的商业综合开发，以退台手法处理，很有重庆云景十八梯的味道，整体给人感觉一气呵成，稳重大方。
▲重庆东站正立面效果图
而正立面的六颗C型柱的建造完成度，就成了整个项目的重点工作之一，2013年投入使用的杭州东站，设计的效果图很漂亮，但是正立面的斜柱，建成效果却惨不忍睹。
▲杭州东站效果图
▲建成后的杭州东站正立面斜柱，只能远观，不能细看
对于这六颗C型柱，首先我们研究的是结构体系选型，当时针对钢桁架柱+外包金属板、钢格构柱+钢板表皮、清水混凝土这三种结构体系进行了综合比选，综合考虑了整体建成效果、造价、施工难度等等各方面原因，最后选定了比较常用的钢桁架柱+外包金属板这套传统的结构体系。钢格构柱+钢板表皮会导致用钢量巨大，会是第一种的三倍，清水混凝土虽然可以达到斯图加特21火车站项目的完美程度，但是由于和整体建筑材料氛围不搭，而且和钢结构屋面的交接比较难处理。
▲在SAP2000中进行混凝土方案的计算分析
结构体系敲定后，接下来就是幕墙表皮网格划分，如果采用传统的幕墙网格划分思维，会发现怎么划分都无法还原方案阶段的纯粹效果。后来我们引入了雕像大佛的工艺，与南京筑新技术集团合作，技术方案最后基本敲定。
▲海南观音大佛
我们将BIM模型传递给南京筑新之后，他们在此基础上进行深化设计，采用Catia软件，进行深化建模、有限元分析的工作，并完成了一个1:10的样板
▲Abaqus有限元分析
▲工厂1:10样板
目前重庆东站项目正在施工中，预计2025年完工，建成后，将会成为重庆市高铁网络中四大主要客站之一（重庆北站、重庆西站、重庆东站、重庆站）。希望这座独一无二的高铁站，能给整个东站片区甚至整个城市的发展，带来强劲的驱动力！
