结构大师—菲利克斯·坎德拉

菲利克斯·坎德拉(Felix Candela、1910-1997),生于西班牙,拥有西班牙和墨西哥双重国籍,结构工程师、建筑师。混凝土薄壳大师,其设计的双曲抛物面屋顶灵活多变、轻盈飞舞。


早年经历

坎德拉生于马德里,17岁进入马德里建筑学院学习。1936年获得奖学金准备去德国留学,但就在这时爆发了西班牙内战(Spanish Civil War),他决定参军抵抗独裁者弗朗西斯科·弗朗哥。在军队中坎德拉担任工程兵职务,战败后翻越庇里牛斯山逃亡到法国圣西普里安(Saint-Cyprien)的难民集中营。在那里,他被告知墨西哥愿意接收他们这批难民。就这样,年近30岁的坎德拉踏上了逃亡墨西哥的路途。

坎德拉最著名的作品 墨西哥的霍奇米洛克餐厅

墨西哥(1939-1968)

坎德拉于1939年6月份踏上他完全陌生的墨西哥,此后近30年的时间,墨西哥是他工作和生活地方,他的主要作品也集中在墨西哥。一开始并不顺利,断断续续参与了一些项目的建设。直到1941年,他获得墨西哥国籍以后,才在一个西班牙人的施工公司中谋得一份稳定的工作。

1946年,坎德拉离开原来的施工公司,与合伙人一起创办了一家设计事务所,主要设计墨西哥城内的项目。在1950年他成立建设公司(Cubiertas Ala),承接设计到建造的全过程业务,推广标准化伞形混凝土屋面。期间还投资参与拍摄了两部电影,但均告失败,不然我们要称其为电影制片人坎德拉了。

坎德拉对曲面壳体理论的兴趣从学生时代起从未间断过,不断自学研究混凝土薄壳的理论。50年代初开始,他的作品中开始出现那些飞舞飘逸的混凝土薄壳。在他超过900个实施的项目中,飞舞的双曲抛物面(H.P.)薄壳屋面已成为他的标签。


序幕——宇宙射线亭(Pavilion of Cosmic Rays/1951)

宇宙射线亭

该展馆由墨西哥国立自治大学(National Autonomous University of Mexico)出资建造,专门用于宇宙射线的测量。该展馆包含两个实验室空间,每个实验室平面尺寸为35英尺(10m)x40英尺(12m),试验条件要求屋顶是非常薄的壳体, 这是宇宙射线穿透的条件。

结构主要的框架是三榀混凝土双层拱,混凝土屋面覆盖在二层的混凝土拱上。壳体采用双曲抛物面(H.P.)薄壳,跨度10m,在其最厚点的顶部也只有5/8英寸(1.5cm)。整个结构轻盈优雅。

这个项目以后,坎德拉开始崭露头角,拉开了他对双曲抛物面薄壳诗意挥洒的序幕。


单个双曲抛物面——帕尔米拉教堂(Palmira Chapel/1958)

帕尔米拉教堂

1958年,在库埃纳瓦卡(Cuernavaca)南部一个可以俯瞰整个城市的山丘上,坎德拉和两位墨西哥建筑师在山顶建造了一个简单的开放式小教堂。教堂的主结构只有一个双曲抛物面壳,靠近道路的一侧被切割成弧线,另一侧则被用直角切割,优美的弧线划过空旷的山顶,令人赞叹不止。

在这里有必要先介绍一下双曲抛物面(H.P.):它是一抛物线(母线)沿另一凸向与之相反的抛物线(导线)平移所形成的面,是可以用数学公式完全表达的。其样子如下图所示,由于形似马鞍,又称马鞍面。

双曲抛物面有一个重要特征——它是直纹曲面,它可以看成由两族直线构成。双曲抛物面上任意一点,都有面上的两根直线经过这个点。这个特征尤为重要,这使得建造HP壳体时可以利用竖直的木材搭建模板。由下图中木构架的布置可以看出,帕尔米拉教堂的的模板就是利用了双曲抛物面的直纹性,大大减少了施工的代价。

帕尔米拉教堂施工时的场景

三个双曲抛物面——圣维特生·得·保罗教堂(San Vicente de Paul Chapel/1959)

圣维特生·得·保罗教堂外景
圣维特生·得·保罗教堂内景
圣维特生·得·保罗教堂立面图和剖面图

三块双曲抛物面壳靠在一起,就像是悬浮在绿色森林中的一顶白色帽子。三片壳体之间通过钢桁架相连,形成透明的光带,营造出神圣的感觉。


四个双曲抛物面——霍奇米洛克餐厅(Los Manantiales Restaurant/1958)

霍奇米洛克餐厅

霍奇米洛克餐厅应该算是坎德拉最著名的作品,餐厅位于墨西哥城南23km,索奇米尔科(Xochimilco)花圃的水边。远远望去好似一朵盛开在水边的花朵。

你可能要问,明明是有8个曲面,为什么标题中说是4个双曲抛物面呢?请看下面这张图片,每个"花瓣"与其12点钟方向的花瓣位于同一个双曲抛物面上,四个双曲抛物面相互交叉连接在一起,并且用圆柱体将轮廓修剪,最终形成了优美的花瓣形状。

霍奇米洛克餐厅几何构成分析

餐厅平面轮廓最大外径为42m,由中心至挑出端21m。结构的主要荷载由4组跨度为32m的交叉拱(4个双曲抛物面相交形成)承受,其汇交于中心顶点。"花瓣"将力传递给交叉拱,得益于对称性,相邻"花瓣"之间水平推力相互平衡。

为了避免破坏屋面的连续性,交叉拱设置成V形截面,越靠近中心,V形截面的开口越大。而"花瓣"在重力荷载下是纯压的薄壳,仅为抵抗温度作用和混凝土徐变配置少量钢筋。"花瓣"不设置边梁,顶端最薄处混凝土壳体才4cm厚,V形交叉拱最厚处也仅为12cm厚。

霍奇米洛克餐厅结构图纸
霍奇米洛克餐厅内景(交叉拱清晰可见)
霍奇米洛克餐厅施工过程

现在的霍奇米洛克餐厅历经几次修补和未经太多考虑的室内改造,已失去了原有的优美形象,略感凄凉。


多个双曲抛物面——米拉格罗萨教堂(Our Lady of the Miraculous Medal Church/1953)


米拉格罗萨教堂鸟瞰

1955年完工的米拉格罗萨教堂是坎德拉的代表作之一。教堂坐落在墨西哥城内的一片住宅区的转角处,占地31m×53米。

当时的教会希望建成一座哥特式的教堂,坎德拉从一把不对称的伞出发,将伞的短边倾斜到地面上,再将短边的中点抬高形成一个三角形窗洞,共8组这样的单元形成了教堂的主要空间。为了论证结构的有效性,坎德拉和同事先后制作过21个比较模型。

在室内的处理上,双曲抛物面强调重量感的同时,保证各种向上的线条仍能营造出一种升腾感。

米拉格罗萨教堂内景
米拉格罗萨教堂图纸

Bacardí 瓶装厂(The Bacardí bottling plant/1959)

圣莫妮卡教堂(Santa Monica Church /1963)


双曲抛物面屋面板——墨西哥体育场(Sports Palace in Mexico /1968)

墨西哥体育场

在设计1968年墨西哥奥运会的体育场馆时,坎德拉提出了钢结构立体钢桁架与双曲抛物面屋面板组合的方案,赢得了设计竞标的胜利。在夕阳下,屋面闪耀着金色的光芒,是墨西哥城的标志性建筑之一。


建造者(builder)坎德拉

坎德拉不仅是结构工程师、建筑师,同时他还是一名建造者。在他所生活的年代,很多工程师喜爱双曲抛物面类的非穹顶曲面,但很少见到他们的作品。究其原因,双曲抛物面受力很合理,但施工很困难。

直线形的木材,通过特定的铺设方式,搭建起双曲抛物面形状。铺设钢筋,浇筑薄薄的一层混凝土,这需要大量有经验的工人。很多这个年代的薄壳大师都有建造公司,这可能跟薄壳的施工难度较大有关。在1950年,坎德拉成立建筑公司Cubiertas Ala,意为Wings Roof,飞舞的屋面。公司设计了1500多个项目,超过半数落地。后来由于劳务费用的增加、墨西哥经济的衰退等因素,公司于1976年关闭。

坎德拉在墨西哥大力推广可复制的伞形屋面系统,屋面由四块双曲抛物面壳组成,在中心立有一根柱子。他认为这是覆盖屋面最经济的建筑形式,而且便于组合。墨西哥有很多厂房、仓库都是这种伞形的屋面形式。

为推广伞形屋面做的加载实验
伞形屋面组成的厂房

晚年的归宿

1961年,坎德拉被授予阿格斯托·贝利奖(the Auguste Perret),蜚声世界。1971年他接受伊利诺伊大学(the University of Illinois)给他提供的终生教职,前往美国。于1997年于北卡罗来纳州去世。

坎德拉是一个坚定的反独裁者,直到弗拉西斯科执政后期,他才于1969年接受特罗哈基金会邀请,前往西班牙出席关于壳体结构的国际会议。这是他被迫离开30年后,第一次回到了西班牙。

之后在20世纪90年代中期,他接受卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)的邀请,参与西班牙艺术科学城(the City of Arts and Sciences)海洋公园的设计。

坎德拉与卡拉特拉瓦

大师们

小i在查阅资料的过程中,潜意识中觉得大师们都在相互影响和传承着。在欣赏坎德拉的作品时,可以明显感受到他受到同为西班牙建筑师的高迪(Antonio Gaudi、1852-1926)、特罗哈(Eduardo Torroja、1899-1961)的影响。而看后辈建筑师卡拉特拉瓦的建筑时,也能感受到坎德拉的影子。与他同时代的日本结构工程师坪井善胜(yoshikatsu tsuboi、1907-1990)也有东京圣玛利大教堂(由8块双曲抛物面壳组成)这样的作品,很难说是谁影响了谁。

坎德拉的作品主要集中在墨西哥,一个不是站在世界舞台中央的国家,现在更是已经少有人做混凝土薄壳结构了。但他依然影响着后辈的结构工程师、建筑师们,相信在看这篇文章的你或多或少也会受些影响吧。

西班牙艺术科学城海洋公园内的建筑

西班牙艺术科学城中有上图这样一栋建筑。在墨西哥河边的霍奇米洛克餐厅破败了,但是在西班牙的水边,大师的作品重新焕发了光彩。

谨以此文纪念结构大师坎德拉!


本文由iStructuer根据坎德拉生平资料编辑整理。


参考资料:

1) 《The Shells of Félix Candela》 Juan Ignacio del Cueto Ruiz-Funes

2) archdaily.cn/

3) en.wikipedia.org/wiki/F

4)《空间结构的发展与展望》 斋藤公男

5) 本文图片均来源于网络,版权属于原作者或网站


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来源:知乎 www.zhihu.com
作者:iStructure

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