結構大師系列--富勒

We are all astronauts.

Do not fight forces,use them.

Do the most with the least.

Think global, act local.

Architecture, out of laboratory.

 

Richard Buckminster Fuller 富勒(1895-1983)，美國富有遠見的發明家，同時也是一位沒有執照的建築師。他留傳在世的建築作品很少，但關於建築、人類、地球、宇宙的思想超越時代、影響深遠。他發明或著發展的Dymaxion思想、短線程穹頂、張拉整體概念、索穹頂至今仍是結構工程研究的前沿。

Richard Buckminster Fuller富勒 (1895-1983)

富勒和他的發明

 

Dymaxion思想

富勒崇尚科學技術，他對自己的描述是：「一個徹底的，未來思想、科學設計的探險者。」 21歲時，富勒加入美國海軍、海軍士兵學校學習。對海洋、艦艇、技術的熱愛促成了他最主要的思想Dymaxion，「用少的材料創造最多」的終極理想(像在海洋中的艦艇一樣質輕、高效)。

Dymaxion是由Dynamic，Maximum，ion派生而來，意思是最大限度地利用能源，以最少的材料提供最大的創造力。

富勒讀了勒·柯布西耶的《邁向新建築》（Vers une architecture, 1923）後深受啟發，將Dymaxion思想與建築設計融合，畫出了一系列稚嫩的草圖。這種建築集燈塔、電力塔、飛艇塔和高桅帆船桅樓的特點於一身。

富勒設計的塔(1928年)   

Copyright: Kyle Vanhemert為富勒繪製的插畫

1929年，富勒設計了相對成熟的Dymaxion房屋模型。六邊形的樓板，通過張拉索懸掛在中央動力支承柱上。包圍房屋主體是張力更大的張拉索網格，網格表面覆蓋絕緣的雙層透明材料。浴室、廚房、通訊設備所需能量都將通過標準插口由中央動力柱接入。[拉力與壓力分離也是張拉整體結構思想的萌芽]

Dymaxion房屋模型，1929年

Dymaxion汽車，1934年

Copyright: Corbis

在1927年左右，富勒發明了以矢量平衡體為基礎的綜合能量幾何學(Energetic Synergetic Geometry)。他研究正八面體和正二十面體幾何，開發了一種對球面三角測量和投影製圖的新策略，也被人稱為Dymaxion地圖，方法是把球面地勢轉換成一系列平面三角形和正方形的幾何。

 富勒與Dymaxion地圖(1945年) 

 Copyright: Kyle Vanhemert為富勒繪製的插畫

「通過有效地控制了投影繪製時產生的扭曲，使地圖上陸地的大小能夠與現實保持較為準確的比例。因為這些幾何元素可以重新排列，我們也就能用無數種不同方式「剝開」地球。」 [Dymaxion地圖是短程線穹頂的萌芽]

富勒理論中最清楚易懂、受人歡迎的部分是在1969年出版的《地球號太空船操作手冊》（Operating Manual for Spaceship Earth）。書中富勒將地球比喻是一艘太空船行駛在宇宙中、資源有限，人類是地球太空船的太空人，必須停止過度使用資源，正確運行地球才能倖免於難。

無論當時還是現在，都有人說富勒是環境與可持續發展理論方面的先驅者。富勒畢生都在討論人類的未來、地球環境與宇宙的秩序。他想「改變建築(architecture)的名稱，改稱為環境設計(environmentaldesigning)，就是想以這種思想來定義環境與宇宙。」

 

 短線程穹頂

富勒並不是傳統意義上的建築師，他將Dymaxion地圖想法和能量幾何學結合，發明了短程線穹頂。短程線(Geodesic Line)是連接曲面上兩點、線長度最短的線條。「可以將二十面體描繪成由31個大圓交錯排列形成的球面三角形網絡，而二十面體可以分解為八面體並進而分解為四面體。富勒由此找到了三角形與球體之間的聯繫，並意識到可以用這一方法做成一個半球形結構或圓屋頂，球體上的三角形表面是四面體露在外的一面，這些四面體均指向球心並且牢固不可分離。」

正二十面和正十二面球體的設計專利 

Copyright: cinventors.about.com

上圖左下方的分別是正二十面（三角形）和正十二面（五邊形）構成球體的基本單元。他認為「自然界存在著能以最少結構提供最大強度的向量系統，如有機物或金屬中由四面體晶格，基本單元四角錐體與八面體聚合後便成為最經濟的覆蓋空間的結構」。

1949年,富勒將這一完美的幾何體應用於建築設計領域，製作了直徑4米的短程線穹頂，並成功進行了載荷試驗。新的穹頂結構形式十分輕便、牢固。之後在希爾頓飯店音樂廳(1959年，直徑44m鋁製凱澤kaiser穹頂)、聖路易斯的生物化學館(1960年)、北極圈雷達站穹頂相繼成功應用。

北極圈的雷達站穹頂

北極圈雷達站的建造過程

1967年蒙特婁國際博覽會上，富勒和Shoji Sadao設計了一座直徑為76m的3/4球形建築---美國館，外表面覆蓋著透明的亞克力板。這座展館成為美國先進科技的象徵，引得世人矚目。

富勒和蒙特婁世博會美國館(1967年)

球頂內部

1976年，球頂在改造過程中遭受火災，外裝飾被燒毀，外露的結構清晰。

Copyright: wikipedia.org

富勒設計建造了3座Fly's EyeDome(1965)

Copyright:waaaat.welovead.com

 

有趣的是，1985年H.W. Kroto和R.E.Smalley發現了繼金剛石和石墨之後碳元素的第三種晶體形態--碳原子簇結構分子C60，並猜想它具有類似球形的結構，便命名為「富勒烯」（Fullerenes）。後來證明，C60的分子結構的確為球形32面體，碳原子以20個六元環和12個五元環連接而成，具有極強的分子穩定性。

富勒烯

Copyright:wikipedia.org

 【注】實際上，富勒並不是第一個建造網格球頂的人——早在1923年，德國工程師Walther Bauersfeld就為蔡司公司在德國修建了一座同樣結構的天文館。

 

張拉整體結構

 

「Small islands of compression in a sea of tension」 (壓杆的孤島存在於拉杆的海洋之中)。富勒比喻宇宙中的天體就像是漂浮在張力的海洋之中、受壓的孤島，萬有引力是一個平衡的張力網，而各個星球是這個網中相互獨立的受壓體，大自然符合「間斷壓連續拉」的規律。富勒創造了一個新詞「tensegrity」(張拉整體)來描述這種平衡，由「tensional」和「integrity」兩個詞的縮寫組合而成。張拉整體結構是一種穩定的自平衡結構體系。

 張拉整體結構的最早的記錄可追溯到1921年，當時雕刻家K.詹森在莫斯科的建築模型展覽會上展出了一個平衡結構，它由三根杆和七根索組成，並由第八根非應力索控制。三桿八索的模型並不具有剛度，任一根索的收縮都會使模型產生機構性位移。這個模型與後來經典的三桿九索自平衡體已經非常接近。

 

K.詹森 三桿八索模型張拉整體

三桿九索的張拉整體結構

二十世紀50年代，K.斯內爾遜的極具藝術性的雕塑給了人們靈感。之後富勒、P.G.Emmerich、瓦爾耐O.Vilnay、莫特羅R.Motro、漢納A.Hanaor等基於數學和圖形理論研究，創造了多種張拉整體結構體系。

K.斯內爾遜設計建造的針塔needle tower，30米高

富勒  基於短程線穹頂構造的20面體張拉結構（Icosahedron）

遺憾的是，這些張拉整體結構或用於雕塑作品，或僅停留在模型層面，沒有在建築空間上應用的案例。

 

索穹頂

1960年富勒構想出超大尺度的保護罩覆蓋整體曼哈頓城區，是一種技術烏託邦式的假想，可能是未來建築結構的極限。

富勒的曼哈頓大穹頂概念(1960年)

1964年，富勒在張拉整體結構、短線程穹頂思想的基礎上發明了Aspension Dome。Aspension是根據ascending suspension structure(向上升的懸吊式穹頂)創造出的新詞。Aspension Dome是一種全新的結構形式，利用環向和徑向拉索將立柱層層向上抬起排列，形成穹頂形態。由此開啟了大跨空間結構的新篇章。

富勒設計的懸吊穹頂Aspension Dome，1964年

可惜富勒沒能親眼見到這個偉大發明成為現實建築的那一天。在他去世以後的1986年，蓋格爾（D.H.Geiger）在富勒創造的張拉整體穹頂的基礎上，發明了支承於周邊受壓環梁上的一種索杆預應力張拉整體穹頂體系，即索穹頂。索穹頂是Aspension Dome張拉整體結構的進化,但它還沒有嚴格實現結構自支承、自應力的原則。蓋格爾將索穹頂結構體系成功應用於漢城奧運會的體操館（D=119.8m）、擊劍館(D=89.9m)、美國的紅鳥體育館(橢圓91.4m×76.8m)和太陽海岸穹頂(D=210m)。

1992年M.萊維(Levy)設計了一種穩定性更好的三角形網格穹頂，作為亞特蘭大奧運會的主體育館---喬治亞穹頂(Georgia Dome)平面呈橢圓形(193m×240m)，雙曲拋物面型張拉整體索穹頂的用鋼量僅30kg/㎡。

M.萊維(Levy)設計的喬治亞穹頂(1992年)

富勒的著作有：《Nine·Chains·to·the·Moon》、《思想與整合》（Ideas·and·Integrities）、《地球號太空船操作手冊》、《烏託邦或湮滅》、《直覺》、《巨人之現金搶劫》，以及與E·J·愛普爾懷特合著的《協同：幾何思維探索》等。

富勒不是一位傳統意見的建築師，他甚至沒有執照；也不是一位傳統意見的結構工程師，他的設計大多從幾何、圖解的角度出發。但他的思想、發明、設計，對現代、未來建築結構的發展影響極其深遠。

2004年發行的富勒紀念郵票，畫面上有很多他的發明和構想

 

 本文由iStructuer根據富勒生平資料編輯整理。

參考資料：

1.  全球前景：理察·巴克明斯特·富勒留下來的財富.

2.  Dymaxion_富勒生態設計思想的啟示, 倪麗君,呂愛民.

3.  www.wikipedia.org

4. 《Buckminster Fuller: Poet of Geometry》，KyleVanhemert.

5.  本文圖片均來源於網絡，版權屬於原作者或網站。

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