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发表于2019-04-17    799人浏览    1人跟帖    复制链接  只看楼主

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花的美

本文来源 iStructure 公众号

iStructure整理了一下几条线—结构体系线、材料线、结构大师线—的思维导图
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细研究一下这三条思维线我们可以发现,它们既相互独立又相互交织,比如提到拱就会提到石拱以及材料压强拉弱的特性,提到混凝土薄壳就一定会提到坎德拉(Felix Candela)与伊斯勒(Heinz Isler),同时说起迪埃斯特(Eladio Dieste)就不得不提砖砌体以及高斯拱。有兴趣的朋友不妨顺着几条线,回顾一下小i往期的文章。
在日常与建筑工程师交流中,年轻的建筑师总有个疑惑,建筑师掌握结构到底需要掌握到什么程度?我原来觉得这种“玄学问题”没必要回答。直到有一次建筑同事让我帮忙辅导注册考试中结构部分时,我发现“官宣”对于这个问题的答案可能稍有误导,为什么建筑师要知道一个结构几次超静定?为什么不让建筑师知道结构体系、材料特性?
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其直接结果就是,部分建筑系学生都会做一套完整的参数化表皮,但内部却是一套柱网;看到苹果的玻璃盒子后,建筑方案中玻璃幕墙当剪力墙用;钢柱和混凝土柱一个尺度用等等。
小i一直提倡“美在合理近旁”,今天就以结构体系线,为大家简要梳理一下结构中常用的结构体系,由于篇幅有限本篇主要介绍大跨结构的体系。其中很多体系小i往期文章都有详细介绍,在每章末会给出“传送门”,方便有兴趣的朋友阅读。
结构体系和结构受力是分不开的,从结构受力划分主要会分为压力、拉力、弯曲三类结构体系,小i今天的介绍就从这三方面进行展开。
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▲古罗马斗兽场
压力结构的故事要从拱讲起,而谈到拱的受力要先从悬索开始。在两个支座之间连一根悬索,在重力作用下悬索中只有拉力。此时将悬索翻转过来就成了拱,在重力作用下拱中产生了与拉力大小相同的压力。拱的原理就是把力流都以压力的形式传递到结构的支点(拱脚)处,充分利用材料的受压性能。因此对于石材、砖块等受压王者受拉弱鸡的材料,拱结构与之真是“天作之合”。
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关于拱有一点希望建筑师注意!要让拱成立拱脚会有很大的推力。为什么会有推力?可以试试现在站起来劈叉,这时你双腿就形成了一个拱,双脚就形成拱脚,有没有感觉地很滑的时裆部的拉扯?这说明拱脚侧推力不足拱会垮掉;现在试着越劈越低,有没有感觉双脚越来越用力?这说明拱越低所需的侧推力越大。
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理解了拱的受力特征之后,我们将二维的拱做一些简单的三维操作。首先对拱进行单轴拉伸,我们就得到了筒壳。筒壳继承了拱的特性,结构内以压力为主,在壳体底部两个边界会产生侧推力,且筒壳越低侧推力越大(如果有疑问,可以试试和朋友抱成一排,一起劈叉
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)。
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早期人们用石材的“拱”建造教堂,通过两侧飞扶壁与端部厚实的拱壁来抵抗推力。
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▲教堂与飞扶壁
迪埃斯特将其用在砖砌体中,将数个拱连在一起形成自承重筒壳,筒壳的侧推力相互抵消。
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▲自承重筒壳
而后混凝土、钢材等材料出现,结构工程师通过将连续的壳面离散成网格,建造了一系列“新型筒壳”,形式在变但筒壳的受力特性没有变化。
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▲飞机库(钢筋混凝土斜交网格筒壳)

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▲都灵展览馆B厅
我们接下来试着把拱旋转,就得到了穹顶。同样,其力学性质与拱类似,穹顶内主要为压力,穹顶底部会有向外扩张的趋势,因此底部会形成拉力环,穹顶越低底部拉力越大。
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随着时代的推进,穹顶也通过对不同材料的应用,经历了砖石、混凝土壳、混凝土网格、钢结构网壳、铝合金网壳的演变过程。
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▲万神庙维(维持了1700多年世界最大穹顶的记录)
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▲罗马奥运会小体育馆(混凝土穹顶)
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▲南京牛首山穹顶(铝合金结构)
我们继续对拱进行扫掠、对曲面进行逆吊等各种操作后,又可以得到各式各样的结构,但万变不离其宗,他们都是压力结构。但此时受力就不是那么简单可以概述了,如建筑师有疑惑,可以咨询结构工程师小伙伴,也可参看小i以往的文章。
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▲马德里赛马场(混凝土薄壳)
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▲混凝土薄壳大师
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▲混凝土壳最后的荣耀
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▲大英博物馆(钢结构网壳)
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拉力的故事要从悬链讲起。形是力的图解。形与力相结合的形态,广泛存在于自然界和生活中。比如,森林中悬垂的藤蔓、粘着露水的蛛丝,以及人类建造的吊桥和输电线,都是形与力高度结合的悬链线形态。
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▲粘着露水的蛛丝
与压力结构类似,拉力结构同样有一个很重要的问题,在张拉点会产生很大的侧向拉力。曲线越是扁平,悬链两端水平反力越大,需要强大的反力构件。
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▲悬链结构抵抗侧拉力的方法
受拉结构的结构体系可分为索与膜两类,具体怎么分不多话看下图。
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索与膜都被称为轻型结构,为什么被称为轻型结构?因为轻啊(调皮一下
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)。下面主要通过案例直观的感受各种体系,具体的介绍请通过本章末的“传送门”直达。
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▲东京代代木国立综合体育馆
场馆中央跨度为126m,约为若户大桥总跨度的1/3
主索拉成吊桥形式,在其两侧看台之间架设钢结构悬挂构件,稳定索呈受拉状态。
在张拉式结构中首次引进“半刚性”(Semi-rigid)的设计思想
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▲杜勒斯机场航站楼
航站楼悬垂屋盖跨度约43米
整个大厅内部没有任何立柱
在重力荷载下,屋面自然下垂成悬链状
巨大的混凝土柱子向外倾斜,用以平衡和抵抗悬索端部的水平力
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1998年里斯本世博会葡萄牙馆
20cm厚的白色混凝土
包裹着高强钢索
跨越近70m
却轻盈得像是一条毛毯

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▲雷诺汽车配送中心(斜拉)
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▲蒙特利尔博览会德国馆(索网结构)
弗雷·奥托参与蒙特利尔博览会德国馆的方案竞标
该结构是世界上当时最大的均匀网格索网结构

张弦梁,由上弦的刚性构件(Beam)和高强度的张拉索/杆(String),再通过若干个撑杆(Strut)连接而组成的刚柔混合结构,利用形抗和预张力抵抗外部荷载,是一种高效的大跨度空间结构体系。
对于张弦梁的起源有许多种说法。一种是系杆拱增加竖直撑杆的“加法”演化;一种是鱼腹式桁架去掉斜腹杆的“减法”演化。在20世纪末,张弦梁形式的大跨度空间结构兴起,而斋藤公男教授被认为是现代最早尝试张弦梁结构的工程师。
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▲张弦梁的演化过程
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▲浦东机场张弦梁屋面
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▲出云穹顶(立体张弦结构)
张拉整体结构是一种稳定的自平衡结构体系。对受过结构分析训练的人来说,看出传统结构的传力关系是相对容易的,而张拉整体则是牵一发而动全身,更为这种结构形式增添了一份神秘。关于张拉整体结构还有一段师徒之间的八卦,有兴趣的朋友可以从本章末传送门直达《拉力海洋中的孤岛—张拉整体》
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▲张拉整体结构
组合张拉结构 Hybrid Tension Structure由柔性的索膜与刚性的梁、拱、撑杆、刚架等组合。盖格尔(D.H.Geiger)在富勒张拉整体思想的基础上,发明了支承于周边受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体穹顶体系,即索穹顶。
1992年建成的Georgia穹顶由Levy等人设计,作为1996年亚特兰大奥运会的主场馆。由于体系创新,该类型穹顶被称为Levy穹顶。
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▲Levy型穹顶
关于膜结构的近代史,可以认为从帐篷开始演变和启发的。膜材主要分为织物类膜材(PVCPTFE)和非织物类膜材(ETFE)两大类。膜材的选择往往在很高程度上取决于建筑物的功能、防火要求、设计寿命和投资额。
关于膜结构小i还没有过专门的文章介绍,有兴趣的小伙伴可以踊跃投稿填补这个空白。
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▲膜结构的主要分类
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▲蓬皮杜梅斯艺术中心和汉诺威世博会日本馆
建筑师:坂茂(骨架膜)
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▲张拉膜
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▲充气膜
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这里讲的弯,不是建筑师眼中的形态弯,也不是英国人眼中的取向弯,而是结构受力状态。一般在大跨度和长悬臂结构中,构件受弯是主要问题,也是建筑师和结构师争(si)论(bi)的焦点。

最常见的受弯构件就是我们日常设计中都能碰到的梁,关于梁的受力机理,小i的往期文章《从一根悬臂梁说开去》有详细介绍,这里不再赘述。用不同的材料,在截面上稍作变化,我们就可以得到不同类型的梁。
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数学家和物理学家都喜欢化归法,即把新的问题转化为已经解决的问题。同理,梁受弯问题同样可以转化为拉压杆件的组合——桁架就出现了。常规的桁架是由几何不变的三角形单元组成的刚性结构,杆件主要承受轴向拉压力,结构效率很高。对于空间结构的悬挑和跨越主题,桁架结构几乎是万能的。
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从桁架的历史发展来看经历了三角桁架、梁桁架、空腹桁架、空间桁架等形式。
早在两千年前,人类的祖先就发现了三角形的稳定性原理,并发明了三角桁架,广泛应用在古代住房的木制屋盖中。三角桁架与梁、拱一样,是古代建筑实现跨越的最主要方法。三角桁架形状与简支梁跨中受集中荷载的弯矩图一致,它比梁结构的效率更高,且不会像拱那样对支座产生推力。
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▲三角桁架基本原理
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▲三角桁架的基本形式和演化
梁桁架又称为平行弦桁架,出现于19世纪中叶,是由拱桥发展而来。到19世纪80年代,工程师们已经掌握了简洁实用的桁架设计方法。同时,材料也在不断的进步,工程师将铸铁用于受压杆,锻铁用于受拉杆,而后又以性能更好的钢材替代。越来越多的大跨度桁架结构出现,尤其是在桥梁领域。
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▲早期桁架
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▲蓬皮杜中心
空腹桁架是在常见桁架的基础上将斜腹杆去掉,而由竖腹杆与弦杆构成的格子状结构。由于没有斜腹杆阻挡空间,建筑师往往偏好空腹桁架。但是任何事都是有利有弊,空腹桁架的直腹杆在解放空间的同时,不得不承受很大的剪力和弯矩,桁架整体的效率不如普通桁架。
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▲耶鲁大学善本图书馆
早期的桁架都是以平面形式出现,工程师一般通过布置水平支撑的方式,解决其平面外的稳定问题。而后出现的空间桁架,构件则在三个维方向布置,其横断面常为三角形或矩形等,大大提高了桁架的整体稳定性,适用于现代大跨度空间结构。
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▲汉堡机场空间桁架
对于抗弯结构我们还有一种选择—折板。比如一张纸非常薄,因此抗弯刚度很小;而当我们折叠纸形成折板时,就形成了空间结构,通过空间形抗作用,大幅提高了结构的整体刚度。折板在受力上同样满足正弯矩侧受拉另一侧受压的基本受力特征。
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▲折板原理
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▲Windisch-Mülimatt体育中心

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小i一直在探寻建筑结构的融合,本篇对于结构体系线的总结,也是为建筑师理解结构起到抛砖迎玉的作用。
作家七堇年说过,“电影里说,‘你我之间本无缘分,全靠我死撑,我明白的。’ 以前觉得这话直抵泪点,现在却觉得,说白了,爱一个人真的就是自己一个人的事儿,得拿出过日子一样的态度。只要还想继续,就大不了哭一场,硬着头皮爱下去。世间什么缘分不缘分,都是撑来的。” 现在想来,其实做结构设计也是这样,那些近乎完美的建筑,都是各个专业上下求索的死撑才能完成的

附上几句在2014年中日建筑结构学会议及2019年结构成就建筑之美会议上大师们的观点作为结尾。
大野博史:“要将建筑与结构统一,让人无法区分建筑和结构。
张永和:“现在建筑学培养的学生多不懂技术,陷入自己是艺术家的幻想。
周健:“结构形式是在各种约束条件下自然形成的,没有定式。
斋藤公男:“日本的自然灾害频发使得日本在设计建筑时首先考虑的是安全。
小西泰孝:“建筑师提供给我无穷的线索让我去完成结构。

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 发表于2019-04-18  | 只看该作者      

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结构体系

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