结构大师系列—坎德拉

Ryan0

                                                                                                   


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-Funes2)  http://www.archdaily.cn/3)  https://en.wikipedia.org/wiki/Felix_Candela
4)《空间结构的发展与展望》 斋藤公男
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