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图 1：Warehouse Magazzini generali in Chiasso
(来源：ETH-Bibliothek Zurich, Image Archive/Robert
Maillart Archive) Chiasso 棚屋简介 1924 年年初，位于 Chiasso 的瑞士-意大利货物铁路交汇处，瑞士工程师罗伯特?马亚尔（Robert Maillart，1872-1940）与当地工程师和政要埃托里?布伦尼（Ettore Brenni，1884-1955）一起设计了一座仓库建筑 Magazzini generali，仓库至今还在使用。该建筑由三个连续的部分组成——从南到北分别为传统办公区、海关仓库以及一个三面开放的棚屋。在主体建筑设计六个月后马亚尔才构想出棚屋的设计方案1。 
图 2：Warehouse Magazzini generali in Chiasso 棚屋的施工照片
(来源：ETH-Bibliothek Zurich, Image Archive/Robert
Maillart Archive) 办公室和仓库是 25 米宽的混凝土框架结构，地下室上方有三层，一楼为铁路站台。仓库内，马亚尔充分使用了自己的专利技术——无梁楼盖与蘑菇头柱，楼板都为现浇，柱子从地下室到屋顶尺寸逐渐减小。 
图 3：Warehouse Magazzini generali in Chiasso 的部分图纸
(来源：ETH-Bibliothek Zurich, Image Archive/Robert
Maillart Archive) 该建筑最为有趣的部分是用作开放式储存的棚屋，其精心设计的桁架状屋顶成为了许多学者探讨的对象。棚屋的平面宽 33.4 米，长 50 米，整个结构为混凝土现浇而成，其微微弯曲的柱子位于平台边缘，桁架下弦向上弯曲，通过七根混凝土支柱连接至上弦且无对角支撑。整个结构违反直觉，以至于被评价为“扭捏的，不自然的”3。 罗伯特?马亚尔 
图 4：罗伯特?马亚尔照片
(来源：ETH-Bibliothek Zurich, Image Archive/Robert
Maillart Archive) 罗伯特?马亚尔（Robert Maillart，1872-1940）是现代混凝土结构设计的先驱之一，他的设计彻底改变了钢筋混凝土结构的使用，如用于桥梁的?三铰拱，以及用于工业建筑的无梁楼板和蘑菇柱等。 Warehouse Magazzini generali in Chiasso 设计于他职业生涯的第二阶段，这也是使他声名鹊起的一个阶段。在此阶段，他开始重新思考自己早期的设计，实现从一个建造者到一个设计者的转变2。 结构的猜想 马亚尔的许多桥梁设计图纸都留有存档，从图纸中可以清楚的看出马亚尔的设计过程。然而，Chiasso 棚屋的工作图纸已经丢失，因此，设计棚屋奇妙结构的过程成为了空白，引发了许多研究者的猜想。 许多研究者给出了自己的理由，有将其与自然形式类比的，有认为它是一种风格上的参考的3。而在结构设计的领域则出现了两种关键猜想——带悬臂的简支梁的弯矩图4以及 Vierendeel 桁架2。 
图 5：屋顶结构的弯矩分析
(来源：Stress Analysis of Historic Structures: Maillart's
Warehouse at Chiasso) 带悬臂的简支梁在均布荷载下的弯矩图为该结构提供了重要参考，在简支梁的设计中只需要将梁高调整至与弯矩图成正比即可实现高效结构。而对于屋顶而言，只需要将整个结构“弯折”即可实现设计。 
图 6：使用 Vierendeel 桁架的桥
(来源：The vierendeel truss: Past and present of an
innovative typology) Vierendeel 桁架是由鲁汶大学的一位教授 Vierendeel 提出的，它是一种无对角构件的桁架，所以为了保证桁架的稳定性，需要使用重型的支柱和大型的刚性节点来加强结构。马亚尔显然了解这种结构2。对于马亚尔来说，移除中间的对角构件能够显著减少混凝土构件浇筑的难度，保证混凝土构件的效果，但这让结构看起来不够稳定和安全。 然而，这两种想法都不能详细说明整个屋面形式是如何得来的。弯矩图无法确定最终的比例究竟是多少，也无法解释下部柱子的设计。而 Vierendeel 桁架则不能解释周围悬挑的三角区域。对此，鲁汶大学 Denis
Zastavni 教授提供了一种基于图解静力学的近乎完美的诠释3。 图解静力学 
图 7：图解静力学的形图解（左）和力图解 （右）
(来源：Form and Forces Designing Efficient, Expressive
Structures) 1864 年和 1866 年，德裔瑞士土木工程师，苏黎世瑞士联邦理工学院库尔曼教授（KarlCulmann ，1821-1881 ）出版 2 卷《图解静力学》（Die graphische Statik ），系统化的梳理和扩展了图解法，正式将其命名为图解静力学。图解静力学是一种完全依靠几何作图,不通过计算求解的力学分析方法，力图解中对应的线的长短表示形图解中对应构件的轴力大小。然而图解静力学有其局限性——仅计算平衡，无法保证稳定。 
图 8：罗伯特?马亚尔设计的 Tavanasa 桥的图纸
(来源：ETH-Bibliothek Zurich, Image Archive/Robert
Maillart Archive) 罗伯特?马亚尔接受了图解静力学的教育，并在诸多项目中运用了图解静力学，在这些项目的设计图纸中留下了痕迹。比如在 Tavanasa 桥（1905-1906 建造）的设计图纸中，在桥的立面下，马亚尔绘制了一个力图解，用于求解桥拱的形态。因此不难推测，马亚尔在 Chiasso 棚子的设计也采用了图解静力学3。 结构塑造立面 
图 9：棚屋结构和主体建筑结构之间的对应关系
(来源：The Structural Design of Maillart’s Chiasso Shed (1924)) 作为整个建筑最精彩的部分，马亚尔并没有使其完全脱离于整个建筑的语境，即便它看起来是如此的“格格不入”。当我们将仓库和棚屋的剖面叠加，可以看到它的上下两端与主体结构完全对应（蓝色部分）3。同样，无梁楼盖的蘑菇柱头底部与棚屋支撑柱的转折以及基础的顶部也完全对应（红色）3。通过这样的方式，马亚尔在棚屋的形式与仓库的立面之间构造了联系。 那么结构构件的角度是如何构建的呢？图解静力学给出了答案。 
图 10：棚屋结构下弦曲线的调整 (来源：The Structural Design of Maillart’s Chiasso
Shed (1924)) 图中采用图解方式为Bow标记法（Bow's notation），它将均布荷载转换为等大的点荷载作用在预先绘制好的划分线上，并用字母和数字标定“区域”。同时，出于结构经济的考虑，上弦屋面的轴力被设定为等大，因此图中的2、4、6、8点在同一条竖直线上。通过调整 o-8 构件（靠中间左侧的第一根下弦杆）的角度，我们可以得出黄色和蓝色两种下弦杆形态。通过调整，虽然轴力变大了，但整个结构的高度得以控制。在这一步中，力图解是主导。 
图 11：棚屋结构两端支撑的调整
(来源：The Structural Design of Maillart’s Chiasso Shed (1924)) 然后是棚屋两端结构的设计，为了减少构件，马亚尔没有在BC间放置竖向支撑杆。在这里，可以构建第二个形图解，把BC间的点荷载分摊到两边，O区域被重新标注为P区域。在这一步中，因为柱子的位置是固定的，因此形图解成为主导。更新后的力图解可以求解出柱子给与的支撑力的方向（蓝色虚线）。可以看出，虚线超过了柱子的边界，而柱子主要受压，因此这是不可接受的，需要通过微调结构以满足要求。 
图 12：微调结构以控制力流
(来源：The Structural Design of Maillart’s Chiasso Shed (1924)) 于是，我们可以通过微调 1-p 杆件的位置，使得力流在柱子内部传递。在这一步，力图解又成为了主导。最终的地基也根据力流设计成了不对称的样式。 
图 13：地基的设计样式
(来源：The Structural Design of Maillart’s Chiasso Shed (1924)) 最终经过形图解与力图解之间数次微调，可以使得到的结构控制线与原有的结构最大仅相差1厘米3。这证明了图解静力学在马亚尔设计棚屋时的重要作用。 如何稳定？ 与Vierendeel 桁架不同，马亚尔在下弦配置的结构纤细而优雅，并且没有任何斜撑，使得结构看起来不稳定。图解静力学只解释了对称荷载下的行为，无法解释对非对称荷载下的结构行为，并且当时塑性极限分析下限法尚未提出，那么马亚尔是如何保证稳定性的呢? 
图 14：Valtschielbach 桥
(来源：www.flickr.com) 探讨马亚尔对于稳定性的考量，我们可以先看看他的 Valtschielbach 桥（1925）。可以看出，这座桥下部的拱形构件十分细长，显然无法承受巨大的弯矩, Max Bill 甚至将其描述为“显然太弱”6。然而，故意加厚的桥面以及厚实的护栏正是用来承受力矩的，它与下部细长的拱结构的结合体才是决定桥梁整体行为的关键5。 因此当我们回到 Chiasso 棚屋时，我们可以看到马亚尔做了类似的处理。上弦与屋面结合在一起，形成了T字形的结构，并且在转角处做了加强处理。通过这种方式，屋面结构的稳定性得以保证。 
图 15：棚屋梁截面
(来源：The Structural Design of Maillart’s Chiasso Shed (1924)) 结语 马亚尔的 Chiasso 棚屋是他从一个建造者向设计者转型的关键作品之一。在这里，他将结构和立面结合起来，创造了一个创新且优雅的结构，并提供了从设计到建造的整套解决方案。 马亚尔经常通过提供最经济便宜的解决方案来获得酬金，他通过使用具有结构效率的混凝土和对建造方法的合理考虑来实现这一点3。而在此过程中，虽然有一定局限性，但是图解静力学发挥了巨大作用。 |
