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“建筑师的职责是让每一块砖头回归到它自己的位置,建筑师不是在圆自己的梦,而是在帮助砖头完成它们的梦想。” ——路易斯·康

你认识和你不认识的砖第1张图片

Bernardo礼拜堂(阿根廷)

砖块是以粘土,页岩,煤纤石等为原料,粉碎后以人工或机械压制成型,经干燥后在900摄氏左右的温度下以氧化焰烧制而成。随着窑炉温度的不同,煅烧出的砖块也会呈现出不同的色彩,作为一种简单、耐用和廉价的建材在世界范围内被广泛采用。尺寸标准使其具有极好的灵活性,不论大小建筑都可以表现良好的质感,几乎贯穿了人类的整个建筑史。

你认识和你不认识的砖第2张图片

cuckoo house(越南)

砖的基本力学特征是抗压强度高,抗拉强度低(约为抗压强度的10%),不适合用于抗拉和抗弯构件中,因此影响了其在各种结构体系中的广泛应用。但混凝土的抗拉强度也很低,为什么混凝土会成为现在建筑材料的一哥呢?这主要是由于工程师找到了混凝土和钢筋这对黄金组合,混凝土和钢筋有相似的线膨胀系数,温度变化时可以协调变形不会产生应力,混凝土对钢筋也有很好的握裹力保证了粘结强度,而且混凝土的布筋位置也比较自由,钢筋弥补了混凝土抗拉的不足。

而砌体和钢筋之间的配合就没有那么完美,且砌体只能够在砌体中心空洞处和外抹混凝土中布置纵向钢筋和在水平灰缝中布置横向钢筋网片。

你认识和你不认识的砖第3张图片

红砖花卉园(北京)

砖的历史

“你对砖说:‘砖,你想成为什么?’ 砖对你说:‘我爱拱券’。你对砖说:‘你看,我也想要拱券,但是拱很贵,我可以在洞口的上面做一个混凝土过梁。’ 然后你接着说:‘砖,你觉得怎么样?’砖说:‘我爱拱券’。” ——路易斯·康

基于尊重材料特性的建筑逻辑,砖一直被应用于受压为主的结构体系。正如路易斯.康上面那段关于砖经典的对话,砖的历史可以说就是拱券的历史。这里小i稍跑一下题,简短介绍一下拱券的历史。

拱券,拱和券的合称,是块状料(砖、石、土坯)利用块料之间的侧压力砌成的跨空砌体。这种结构在古罗马手中发扬光大,创造了古罗马独特的建筑形式,深深地影响了整个欧洲,乃至整个世界。

最开始古罗马人从依达拉利亚人那里学习到叠涩拱的技术,通过对砖石的层层出挑向中心靠拢,来分散上部荷载,这是一种比较简单的拱券结构。

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在叠涩假券的基础上,公元前2世纪罗马人进一步发明了真正的拱券。券可以理解为拱的基本元,像墙壁上拱形门窗这样的单层拱结构就是券。

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筒拱,是券的延伸,在发明混凝土之前,筒拱是由多道券并排组成。

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穹顶是由拱结构发展的一种结构,可以不需借助内部结构支撑而达到较大的空间跨度,可以看作一个拱沿中心环绕一周的结构体。古罗马时期的穹顶由混凝土整体浇灌,坐落在连续的承重墙,代表作品就是哈德良时期的万神庙。

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四瓣拱是罗马人从筒拱结构中创造出来的结构,是筒拱的异化形式。首先假设有一个平面为正方形的筒拱,我们对它进行十字切割,得到一个基本单元,而后复制成四份平面刚好可以围合成一个方形。而后在墙上开个门,最后形成了四瓣拱。由于是由四瓣相同的结构拼合而成,可以分段施工,在工程上促进了建筑模数化的发展。

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和四瓣拱一样,同样是在方形的筒拱上进行十字切割,由四份相同的部分组成,但顶部相比四瓣拱形成了更鲜明的十字形,所以罗马人称其为十字拱。十字拱的发明使拱券结构开始突破承重墙的限制,只需要四根支柱就可以支撑起一个拱顶,为建筑内部的变化提供了更多的可能性。

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十字拱虽然摆脱了承重墙,但无法像四瓣拱和筒拱一样依靠自身结构平衡侧推力,于是罗马人将十字拱按纵向排列,相邻的部分互相平衡纵向的侧推力。

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肋架拱出现在罗马帝国晚期,相比十字拱,肋架拱区分出了承重部分和围合部分,主要负荷集中在拱券上,其余部分用轻石板围合,既节约了材料也减轻了拱顶的重量。

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言归正传,让我们再回到本期的主角——砖。


砖的尺寸

不知各位有没有和小i一样的疑惑,为什么砖是现在我们看到的这个大小,并且世界各地的砖都差不多大?

小i查了各种资料,比较能说服我的答案是这主要是为了搬运和铺设的便利,砖块必须足够小和轻便,以便用一只手就可以捡拾起。对于世界上大多数的人来说,拇指和其他手指间适合抓握的距离大约是4英寸(约100mm),由此定下砖的宽度。以此为长,砖就太小不效率;以此为高,砖就太大很重。再由于成倍数会有利于堆砌,所以长宽高往往成4:2:1的倍数关系。所以世界各地标准砖的具体尺寸会有差异,但是形式和尺寸基本相同。我国的标准砖和德国的DF砖尺寸一致,均为240x115x52mm。

你认识和你不认识的砖第12张图片


砖的颜色

小i还有个疑问,为什么“秦砖汉瓦”多为青砖,而我们现在看到的砖多为红砖?

砖是黏土用火烧出来的。黏土中含有铁,一般黏土是红褐色的。铁元素在1000度高温,并且有充分氧气的条件下是会氧化成三氧化二铁,三氧化二铁是暗红色。所以一般在开口窑(没有顶的窑)烧出来的砖是红砖。这种窑结构简单砖的产量大,但是红砖比较脆。

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同样是铁元素,在缺氧的情况下铁元素会成为四氧化三铁,四氧化三铁是黑色的,所以一般密闭窑(有顶的窑)里氧气少,烧出来的砖就是青砖。青砖相比于红砖产量要低很多,因为青砖的窑都是有顶的,而这种穹顶是不能建造的很大的。所以青砖比红砖产量低成本也高,但是青砖比红砖更结实密度更大。基于建筑质量古人选择了青砖。

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砖的砌筑方法

砖作为离散性的建筑材料,要建造就少不了砌筑。虽然小i自己没砌过墙,但砖的砌筑方法在砌体规范中已有过详细介绍。这里也就不再详述,仅将经典的几种砌筑方法为大家列一下。

你认识和你不认识的砖第15张图片


19到20世纪钢筋混凝土、钢材、玻璃等现代建筑材料相继出现,并得到广泛的应用,砖的使用越来越少。直到20世纪50年代,密斯式的玻璃盒子开始在全球范围内得到普遍认可,当代建筑的审美越来越倾向于通透和轻盈,此时砖块的厚重使得其退出了主流建筑材料的行列。但砖并没有销声匿迹,在一些设计师和工匠手中仍焕发着生命力。


承重结构

十字拱和肋架拱等经典的结构形式,由于其结构受力合理,象征意义明显的特点,在当代诸多教堂建筑中仍然被采用。

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Lglesia Episcopal ChristChurch(墨西哥)

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古巴国家艺术馆(古巴)


乌拉圭设计师迪埃斯特(Eladio Dieste)通过自承重壳筒和高斯拱两种巧妙的结构形式,营造出了“让砖块漂浮”的视觉冲击。在小i往期大师系列文章中有详细的介绍,有兴趣的朋友不妨翻来看看。

你认识和你不认识的砖第18张图片

海鸥“Seagull”(乌拉圭)

自平衡壳筒是一组并排排列的筒壳,壳体的横剖面的形状是受力最为合理的悬链线,保证筒壳内在重力荷载下只存在压力。在中间跨,左右两侧的拱脚推力可相互抵消;在边跨,设置一道水平边梁,由刚度很大的边梁汇集水平推力,并将其传递给与边柱结合的斜撑。壳体的纵向剖面相当于一根梁,将会产生弯曲拉应力和压应力。在柱顶支座部分,拉力出现在壳体的顶部,因此在砖砌体上面混凝土薄层中布置钢筋;如支点在壳筒两端,在跨中部分,拉力出现在壳体较低部位,因此会在波谷位置埋设钢拉杆。

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SaltoBus Terminal(乌拉圭)

你认识和你不认识的砖第20张图片

ChurchOf Christ The Worker(乌拉圭)


高斯拱沿跨度方向截面是一条悬链线。当剖切面垂直于跨度方向移动时,悬链线的矢高随之变化,呈斜放“S”形。它起伏的波峰出现在最容易发生失稳的跨中,中点的波浪形加强了壳体刚度,避免结构的失稳。而在跨度的两端,曲面完全变平,与两侧的墙体容易衔接。一组壳体单元收尾相连,相邻“S”形的高低端之间,形成建筑横向狭长的月牙状空隙布置通长的玻璃天窗,对屋面起到了画龙点睛的效果。

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Don Bosco School Gymnasium(乌拉圭)

如今自由曲面大行其道,也有设计师试着将砖与自由曲面结合。

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Maya Somaiya Library(印度)

借助现代的计算技术,我们可以通过各种找形算法得出合理的自由曲面形态,使曲面内以压应力为主。这样就可以充分发挥砖块的材料特性,达到形态和材料的内在统一。同时也可以让设计师在设计自由曲面时,除了常用混凝土壳和钢结构网格外,多了另一种材料选择。

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Maya Somaiya Library(印度)

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contemporary crafts in EME3 Festival(西班牙)


由福斯特(Norman Foster)设计的无人机机场,机场被用于向非洲提供医疗用品,以改善非洲及其他地区的健康和经济状况。设计师希望采用更加廉价且易于获得的建筑材料和牢固且易于施工的结构形式,因而最终选择了砖壳。

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无人机机场(卢旺达)

在巴拉圭儿童康复中心项目中,设计师用砖来实现钢结构常用的网壳结构,建筑效果让人眼前一亮,但仔细一想网壳结构中的节点均为刚接节点,而砖的连接并不适合传递弯矩。因此小i觉得其结构体系与结构材料的选择并不匹配,欢迎大家讨论。

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儿童康复中心(巴拉圭)

表皮结构

正如开篇提到的,砖作为建筑材料有明显的短板即不适合抗拉与抗弯。如仅在竖向荷载作用下,设计师可以利用合理的结构形式规避砖的短板。但当代结构设计中抗震设计已成为不可或缺的一环,因而在砖的应用中会有诸多的限制,如在我国抗震设计规范中就规定砌体结构高度不可高于21米。因此当代设计师更倾向将砖用在维护和表皮结构,在特定的建筑中表现砖所特有的材料肌理。

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Gallery of Cloaked(伊朗)

砖墙的编织肌理在几千年的建造过程中,形成了丰富多彩难以计量的种类,当代建筑师在实践过程中,也开始尝试新的砌筑形式,如像素化砌筑。正如我们小时候玩的红白机,游戏场景和人物都是由一个个像素点组成的,通过像素点的变化就可以形成千变万化的画面。这里像素点像极了砖块,设计师同样可以在砌筑砖块时通过镂空、凹凸等手法,实现千变万化的建筑效果。

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设计师还试图利用参数化工具给砖块赋予更多变化。表皮设计时应用Grasshopper等参数化工具,通过改变外墙砌块的堆叠方位及角度将表皮随风波动的造型表达出来。此时砖所表达出的质感,是常用的玻璃和铝板所无法比拟的。

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结语

入职八年来小i从没设计过砖房子,砌体规范也只有在考注册考试时才翻过。大概在两年前小i写了一篇关于结构大师迪埃斯特的推文,第一次被砖这种传统的结构材料所震撼,原来砖不止可以建造我儿时记忆中的砖住宅楼。

两年过去了再写关于砖的推文,回想当时自己当时的震撼可能主要是由于对于砖的不了解,在潜意识中认为砖是比较弱的材料。两年中对各种结构材料有了更深的了解,现在再回头看以上的各种案例,就会更多的去分析材料与体系是否契合。这也许就像是人生,没有最好的,只有最适合的。

还有一些案例由于篇幅所限没法一一详述,以下就与大家一起欣赏。

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参考资料

1 知乎:精罗落泪,古罗马光辉的拱券技术!——鱼雨玉

2 知乎:为什么砌体结构工程不能够达到钢筋混凝土结构工程的高度?——张昕宇

3 知乎:标准砖的尺寸(240/115/53mm)是怎么确定的?为什么是这样的?——Archdevil

4 青砖的历史——掌柜说历史

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