近百年来新型建筑材料的诞生令结构设计理念引爆巨变

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自工业革命以来,结构工程发生了几次井喷式的大发展,产生过许多的优秀工程师和美轮美奂的传世之作.20世纪初,大规模应用于建筑结构领域的新材料,包括钢筋混凝土、高强结构钢、钢索、索网、膜材料、现代工业化木材、橡胶材料等让我们一起越过纯理论性的新材料本构关系与力学性能、计算方法,深度着眼于新材料与结构体系、结构选型之间的微妙关系,发现建筑的美感.

钢筋混凝土→结构艺术

钢筋混凝土出现于19世纪末期,在20世纪初开始大规模应用于建筑结构领域,并迅速得到广大结构工程师的喜爱.即使在21世纪的今天看来,钢筋混凝土依然是人类所能想到的最完美的建筑结构材料.不仅仅因为它力学性能和耐久性好,同时经济性能优秀,更重要的是混凝土具有前所未有的优异可塑性能,让人类终于可以完成自由形状的建筑构建.于是,各种各样的几何形状,只要你想得到,并且能用木材,塑料或者钢材做出模板来,在其中浇筑混凝土,就能得到这个形状的混凝土结构.这使建筑结构设计与雕塑艺术界限变得模糊,也是钢材、木材、砖石材料永远无法做到的.

20世纪初期一直到20世纪60年代,可以说是钢筋混凝土发展的黄金时期,活跃于这期间的多位“钢筋混凝土诗人”,把混凝土结构艺术推上了一个又一个高峰.这些杰出的诗人般的工程师有罗伯特·迈拉特、爱德华·托罗哈、费利克斯·坎德拉、奥韦·阿鲁普、海因茨·伊斯拉等.

虽然这些混凝土艺术品用料很省,本身又有极大的美学价值,但它们的重大缺点是需要大量劳动力,因此复杂模板的搭设和钢筋网片的布设,这些工序必须现场手工完成,无法实现工业化操作.20世纪70年代以后,随着劳动力价格的持续上涨,这类混凝土结构的施工费用水涨船高,在高度工业化的钢结构竞争下,混凝土艺术品彻底丧失了经济优势,逐步退出建筑的历史舞台.自20世纪70年代以后,除了瑞士的海因茨·伊斯拉还在坚守着混凝土艺术的最后余辉,混凝土壳体几乎销声匿迹.不过,近些年来约格·施莱希和其它工程研究人员及工程师,提出了用充气气球替代传统模板、用喷涂速凝混凝土替代传统混凝土的工艺.也许在不久的未来,混凝土艺术会再次重新活跃在结构工程的舞台上.

钢筋混凝土和钢材→结构框架与建筑外皮的分离

梁柱框架堪称20世纪的代表性结构体系,显然这样的结构形式不可能由之前占主导地位的砖石材料实现.框架结构的概念在20世纪初期出现,随着弯矩分配法、D值法等力学计算方法的成熟,以及钢材、钢筋混凝土这两种合适材料的发展而迅速普及.框架体系的意义在于,令结构骨架与建筑外皮彻底分离,可以说,在一定意义上,将结构工程师与建筑师的职责彻底分道扬镳.对于砖石砌体结构而言,建筑表皮和结构骨架其实是同一个东西,就是那些厚重的砌体墙.框架结构的出现,不仅仅让结构高度可以提高、重量可以减轻,更重要的是,它让建筑物的外皮彻底解放,不再承担任何结构作用.这一点是很多建筑创作的前提,也是勒·柯布西耶现代建筑5原则的必备条件,从此,建筑可以不再是千篇一律的砖石墙体.里面是同样的结构框架,外面的表皮可以随心所欲,玻璃、石材、砖头、塑料、金属、木材、竹子、泥坯、乐高等几乎任何材料都可以充当建筑墙体.

米拉公寓、外滩12号汇丰银行大楼、同济大学土木学院楼,3者看上去极不相同,但在结构意义上其实相同,都为钢框架.去掉米拉公寓奇幻风格的外墙、汇丰银行大楼富丽堂皇的外墙、同济土木楼板材和外玻璃墙,剩下的结构骨架几乎都是一样.

渡边邦夫这类世界优秀建筑工程师认为,尽管隐藏结构骨架的做法是一种不诚实的设计噱头,但它却间接造就了我们今天所见的建筑外观百花齐放的局面.

高强混凝土→超高层建筑

20世纪30年代的纽约,处在高层建筑发展的井喷期,克莱斯勒大厦、帝国大厦都是这个黄金时代的产物.但这些钢框架结构的潜力有限,帝国大厦的高度已经是这一类结构形式的极限.随着60年代法拉兹·汗提出筒体结构的新概念,高层建筑才正式步入超高层时代.


希尔斯大厦和纽约世界贸易中心双子楼,都是钢筒体.虽然结构效能很高,但对于工业基础薄弱的非欧美国家来说,可能还是太过昂贵.同时代应运而生的高强混凝土,既能满足筒体结构的需求,又能维持较低的结构造价,真正做到让超高层建筑在全球范围内遍地开花.上海浦东陆家嘴的金茂大厦和环球金融中心,都是混凝土筒体的典型.建筑内部1个巨大的高强混凝土筒体,外部8根或者4根巨型柱,再配合加强层伸臂桁架和环带桁架,就构成了这些超高层的主要受力体系.台北101、马来西亚石油双塔以及国内大量的同类超高层建筑,均是如此.作为结构工程的里程碑,828米高的迪拜塔也采用混凝土束筒外加鱼骨状翼墙体系,类似大量强度等级在C80乃至C100以上的混凝土大范围应用,令超高层建筑不再遥不可及.

高强结构钢→超现实结构

随着建筑思潮的发展,建筑的语义、文脉发生了剧烈变化,出现了很多前所未有的颠覆设计.笔者用“超现实结构”这个词,指代类似CCTV新楼、鸟巢、深圳证券交易所这样的新奇结构.20世纪40年代到50年代,正是混凝土壳的鼎盛时期,现在则是空间钢网格结构时代.现代的高强结构钢,以各种各样的形式出现在建筑结构里,将一个个令人瞠目结舌的设计方案从蓝图变为现实.

钢索→张拉整体体系

从力学概念上来说,轴心拉压的效率要远胜受弯,但之前的砖石材料几乎没有受拉性能.随着钢索这种具有极强受拉能力的材料出现,全部构件都保持轴心受力状态的结构体系成为现实,这就是最早由巴克明斯特·富勒提出的张拉整体体系(著名的富勒烯定义就是为了纪念他).

在实际工程领域,约格·施莱希的施梅豪森核电站索网冷却塔,以及基乐斯山索网观光塔,都是张拉体系的典型例子.

下图左是施梅豪森核电站索网冷却塔,建成于1974年,1991年因为电站停止运营而被炸毁.施莱希非常惋惜和遗憾,10年后,在施莱希对比的大力推动下,下图右的这座索网观光塔在斯图加特落成.一方面是为德国和谐社会添砖加瓦,另一方面也可以看作是施莱希对自己之前被强拆掉的杰作的缅怀和纪念.即使在常规结构体系的局部也可以应用张拉体系,最常见的就是张弦梁体系,比如浦东机场的大跨度候机楼,采用的就是张弦梁.随着高铁建设热潮的兴起,部分新建的高铁车站也采用了张弦梁.

玻璃+索网→索网玻璃体系

建筑是一门操纵光的艺术,玻璃是完成这个使命的绝佳材料.早在中世纪的大教堂里,彩色玻璃已经开始充当极其重要的角色,但由于玻璃本身的力学性能,使其应用受到了很多限制.

随着现代钢材的发展成熟,由纤细的金属框格甚至是金属索网搭配玻璃,组成玻璃穹顶或者幕墙得以实现.大家最熟悉的贝聿铭的卢浮宫金字塔,就是这种构造.约格·施莱希的大批作品,也都堪称是索网玻璃体系的精品,比如上图中的汉堡城市历史博物馆玻璃屋顶和下图中的慕尼黑凯宾斯基酒店玻璃幕墙.

膜材料→膜结构/充气结构

20世纪涌现出的众多优秀新材料之一就是膜材料,虽然过去也有类似概念的膜材料和膜结构,比如游牧民族的毡房,但其性能、耐久性都不令人满意.现代膜材料的出现,为现代轻型结构的设计提供了新选择.

此外,膜材料还为充气结构的实现提供了绝佳材料.充气结构可以分为两种,第一种是作为主体结构的充气结构,比如中川口卫设计的1970年日本大阪世博会上的富士馆,就是一个典型的充气结构.同时,日常生活常见的各种商业活动放置的充气拱门,也可以看为这样的充气结构.第二种充气结构,则是作为局部结构的充气结构,比如水立方的ETFE膜充气气泡外墙.对于水立方追求的这种特殊视觉效果,玻璃、塑料等传统材料都不太合适,可能只有充气膜能完美达成这种朦胧的设计意境.

橡胶材料/软钢材料

→消能减震装置

随着设计理论的发展,设计思路和指导思想也在发生变化,比如对于抗震设计,已经从砖石结构的“硬抗”,转为消能减震装置的“四两拨千斤”.随着现代橡胶、软钢材料的适时出现,消能减震装置开始大规模应用在抗震建筑设计中.基础隔震技术,已经在日本得到了相当程度的推广应普及,由于其整个建筑结构不与地基土接触,所有的柱子都落在橡胶垫上,因此加大缓冲效果.此外,软钢、橡胶等各种粘滞材料构成的耗能阻尼器、耗能支撑等,也取得了大范围的应用.

材料和形式,可谓是结构工程中的一体两面,缺一不可.在人类历史上,罕见的天才达芬奇构想了很多新颖、合理的建筑设计,但受限于当时的材料水平,很多无法付诸实施,只能的遗憾停留在纸面.同样,如果我们有了钢筋混凝土,没有配套的创新设计理念,仍处于用混凝土垒长城、砌金字塔的思维模式,现代建筑结构也就无从谈起.因而,材料应用和设计理论要彼此融汇,共同协调发展,才能取得建筑工程学源源不断的新成就.

现代工业化木材→现代木结构

木材是一种历史很悠久的建筑结构材料.在我国木材主要是以穿斗框架的形式存在,在北美的拓荒期,则是那种用原木垒成的木头房子.随着现代木材工业的建立,天然木材进一步深加工,成为类似型钢的标准化“型木”以及其它胶合木材、复合木材,使得木材的利用率和范围得到大幅提高.尤其是工业标准化的所谓2乘4体系,在北美地区已经成为绝对的市场主流,超过80%的北美住宅都是采用工业标准化木材的木剪力墙体系.

木材的力学性能虽然不很突出,但其强度、质量比相对较高,且受拉受压性能平均,有一定的延伸性,可以看作是整体弱化了的钢材,因此,木材也能达成类似于钢材的效果.

二战前夕,因为纳粹德国疯狂备战,民间金属资源短缺,工程师只能采用木材代替钢材,例如位于伊斯马宁的纯木结构的通信塔,高度为惊人的164米,德国工程师登峰造极的设计创意令人难以置信.

材料和形式,可谓是结构工程中的一体两面,缺一不可.在人类历史上,罕见的天才达芬奇构想了很多新颖、合理的建筑设计,但受限于当时的材料水平,很多无法付诸实施,只能遗憾的停留在纸面.同样,如果我们有了钢筋混凝土,没有配套的创新设计理念,仍处于用混凝土垒长城、砌金字塔的思维模式,现代建筑结构地就无从谈起.因而,材料应用和设计理论要彼此融汇,共同协调发展,才能取得建筑工程学源源不断的新成就.

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