[分享]结构大师马亚尔:赋予混凝土结构灵性和活力

发表于2017-11-16    1260人浏览    3人跟帖    总热度:180  

罗伯特•马亚尔(Robert Maillart,1872-1940),瑞士工程师,现代混凝土结构设计的先驱之一。马亚尔毕业于瑞士苏黎世高等工科学校ETH,在混凝土刚刚兴起的年代,他设计出许多堪称完美的混凝土三铰拱桥,以及无梁楼盖、薄壳结构和空间结构,赋予了混凝土结构灵性和活力。
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罗伯特·马亚尔 (Robert Maillart, 1872-1940)
著名的 Salginatobel 三铰拱桥被国际桥协评为20世纪最优美的桥梁。马亚尔对图解分析的娴熟应用,以及对结构工程的思辨,依然能够给当代的工程师启发。
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瑞士萨尔基纳山谷桥,三铰拱桥, 1930年
 
三铰拱桥
佐兹桥 Zuoz Bridge
佐兹桥是马亚尔早期设计的一座混凝土桥,主拱和桥面由纵墙连起来,构成了一个空腹箱形整体。这是钢筋混凝土桥的最早的实践案例之一,相比传统的砖石桥,佐兹桥跨度更大,形体更加轻盈。
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佐兹桥Zuoz Bridge,1901
佐兹桥建成不久,箱形桥台的腹部混凝土出现了一些裂缝,市政当局委托ETH的里特教授重新评估桥梁的安全。里特认为以当时理论分析的条件,精确计算混凝土箱形拱桥的承载力是有困难的,于是进行了一次足尺载荷试验,证明了佐兹桥的可靠性。
塔瓦纳萨桥 Tavanasa Bridge
鉴于佐兹桥桥台的裂缝问题,一般的工程师首先会想到采取加强措施。马亚尔则从另一角度考虑,既然裂缝部位不能继续承载,而桥整体仍然足够安全,能不能干脆去掉桥台的腹板部分?
因此,马亚尔在1905年设计塔瓦纳萨桥时,去掉了多余的(容易开裂的)桥台腹部,使得拱顶和拱脚处截面最小,创造出一种崭新的结构---箱型截面三铰拱桥。

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塔瓦纳萨桥 Tavanasa Bridge,1905
塔瓦纳萨桥跨度51m,呈现出一种非常轻盈的形态,优雅地跨越河流,彻底改变了混凝土结构粗重的形象,开启了钢筋混凝土结构创造性设计的大门。

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塔瓦纳萨桥的箱形截面
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塔瓦纳萨桥在1927年的一次雪崩中毁坏
经过几年的设计实践,1902 年马亚尔创办一家公司,随后快速发展了西班牙和俄国的分公司。
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钢筋混凝土桥梁配筋详图,马亚尔,1910
正当一切向美好发展的时候,1914年第一次世界大战爆发。他与家人滞留在俄国,直到1919 年马亚尔才返回瑞士,成立了个人事务所,重新开始设计事业。
 
萨尔基纳山谷桥Salginatobel
1927年一次雪崩毁坏了马亚尔心爱的塔瓦纳萨三铰拱桥。在次年的萨尔基纳山谷桥设计竞赛中,马亚尔提出与塔瓦纳萨桥相似的三铰拱桥方案。在众多竞标方案中,这一方案的造价最低,且形式优美,最终赢得了设计合同。

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萨尔基纳山谷桥 SalginatobelBridge, 1930
萨尔基纳山谷桥主跨90m,全长133m,桥宽3.5m,混凝土箱形截面三铰拱结构。拱的截面形状契合了拱结构的弯矩包络图(对称和非对称荷载)。它镶嵌在阿尔卑斯山的山谷间,白色的桥身在蓝天和青山的背景映衬下显得格外清新。
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三铰拱的截面取为结构弯矩包络图的形状
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萨尔基纳山谷桥的图解法分析示意

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萨尔基纳山谷桥建造时的支撑架结构
三铰拱桥是马亚尔最常用的结构形式,它的优点是温度作用小。当季节温度变化时,桥梁沿长度热胀冷缩,三个铰点的结构使得拱顶自由地上下微动,释放温度应力。
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建筑师和工程师对萨尔基纳山谷桥的评价非常高, 1991年被列入ASCE土木工程历史遗产,于2001年被国际桥协评为20世纪最优美的桥梁,“是真正的艺术和桥梁结合的精品”。
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Rossgraben Bridge, 1932
桥面加劲拱桥
施万巴赫桥 Schwandbach Bridge
马亚尔的多数项目是通过设计竞赛赢得的,且经常位于偏远的地区。因此,在桥梁设计时需要重点考虑施工便利和经济性,也促使他不断地改良结构形式和建造方法。

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1933年建成的Schwandbach桥是一种全新的形式。桥梁宽度4.2~6.0m,总长55.6m,主拱跨度37m。主拱为抛物线,混凝土厚度仅200mm,再以160mm的横隔板支承混凝土桥面。桥面与拱共同工作,既增加了结构刚度,又把桥面作为拱的支撑,防止纤薄的拱失稳。
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施万巴赫桥 Schwandbach,1933
Schwandbach桥的加劲拱结构,整体抗扭刚度比较弱。马亚尔将桥梁走向设计为曲线形状,一端垂直河岸,另一端延伸至公路。曲线形态有助于增加整体抗扭刚度,实现了桥梁功能与受力的形式统一。
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施万巴赫桥,曲线形的桥身设计
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马亚尔设计的其它拱桥
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马亚尔设计的连续梁桥
薄壳和空间结构
将结构形态按力学图形设计,以保证各构件的受力合理,既真实地反映了力,又具有形态上的美,是结构表现的基本策略之一。
马亚尔作为钢筋混凝土结构最早的实践者之一,综合运用直观结构、图解静力计算、模型研究以及足尺度测试方法保证结构安全。除了桥梁以外,他设计的薄壳结构和空间结构同样出色。
基亚索仓库(Chiasso Warehouse Shed,1924) 的屋架,以钢筋混凝土结构描绘出了梁的弯矩图曲线,是力学和形式的契合。
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基亚索仓库ChiassoWarehouse Shed
钢筋混凝土曲线屋架,1923-1925
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 水泥馆薄壳结构,瑞士苏黎士世博会,1939
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水泥馆薄壳的建造过程
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马亚尔设计的无梁楼盖体系,钢筋混凝土柱帽
ETH的设计理念
说到马亚尔,必须介绍一下瑞士苏黎世高等工科学校ETH。这是一所颇具特色的现代工程学校,培养了众多世界级的结构设计师,包括罗伯特·马亚尔 Robert Maillart、奥斯马·安曼Othmar Ammann、海因兹·伊斯勒Heinz Isler、克里斯蒂安·门Christian Menn、卡拉特拉瓦Santiago Calatrava、约格·康策特Jürg Conzett等。

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 华盛顿大桥,奥斯马·安曼,1931年
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Sicli Company Building薄壳,海因兹·伊斯勒,1970
1855年学校建校之初,聘请了卡尔·库尔曼(Karl Culmann,1821~1881)担首席工程教授,他把在德国接受的工程教育、实践经验和法国的视觉分析思想引入ETH。1866年库尔曼出版的著作《图解静力学》是那个时代对结构分析最有影响力的一本书。他认为图纸是工程师的语言,结构行为应该通过几何图形形象表达,而不是抽象的代数公式。
库尔曼的继任者威廉·里特(Karl Wilhelm Ritter,1847~1906)继承并发扬了这一理念,提倡的设计原则可归纳为三条:1)强调计算的简化性;2)设计师对结构美学的追求和责任;3)把计算准确度和施工质量控制结合,强调荷载试验的重要性。

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瑞士萨尔基纳山谷桥,三铰拱桥, 1930年
与理论力学的严密数学演绎方法不同,材料力学和工程力学的理论往往带有一定程度的近似性。在实际的工程问题中,荷载、材料、施工建造都不可以精确测定,如果一味地追求精确的数学解,有点过于迂腐了。
对于非常复杂的工程问题,有时难以得到可靠的计算结果,那么试验检验和实际监测就成为重要的设计手段。马亚尔在ETH求学期间(1890-1894) 师从里特教授,虽然成绩并不突出,但深受ETH设计理念的影响。

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Arve桥,罗伯特·马亚尔,1936
钢筋混凝土隔板变化为X形支柱
二十世纪初是钢筋混凝土结构快速发展的时期,结构计算理论落后于实践需求。图解静力学和模型试验是主要的结构设计方法。

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直到 二十世纪下半叶,力学理论和计算机的迅速发展,在复杂荷载条件下比图解方法更加精确、适用广泛。图解方法逐渐衰落,几乎只保留了力的分解与合成等少数内容,现在只有个别高校仍然保留图解方法的教学。
马亚尔一生短暂,又经历了两次世界大战,但仍然留下了许多优秀作品。他共设计了47 座桥梁,多数至今仍然在使用,他设计的建筑物也大多完好无损。这些作品在结构形式和结构表现方面都具有开创性,启发了无数后辈工程师。
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马亚尔的著作大多数以德文发表在《瑞士建筑学报》上,以致于在德语区之外没有什么影响力,他为人谦逊,生前寂寂无名。1947 年他去世后七年,纽约现代艺术博物馆展出了马亚尔的设计作品。这是历史上的第一次单独将结构工程师的工作纳入到现代艺术的范畴加以讨论。

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纽约现代艺术博物馆关于马亚尔的展览
与同时代的理论分析学者相比,马亚尔是一位叛逆者,他的设计因为不能得到精确的计算而常常被人非议。坎代拉(Félix Candela,1910-1997) 曾写道:“马亚尔的思想令人愉快而鼓舞,⋯⋯阐述观点新奇,在别的工程文章中难以见到的。⋯⋯如果一名叛逆能造出如此漂亮而又坚固的结构,那么当一名叛逆也没有什么错。” 


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 发表于2017-11-16   |  只看该作者      

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20世纪的马亚尔设计建造的大,依然能给现代的设计师很多启发。的确是很优秀的大师。

 发表于2017-11-16   |  只看该作者       筑龙币+10

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正是因为有他们的进步,才会有世界的今天。应该特别感谢他们付出的努力和汗水

 发表于2017-11-17   |  只看该作者       筑龙币+10

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结构上面我还真不知有几个地方可以精确计算出来的,我们现在最高科技的软件给出的数据也只是一个相似模型为前提下计算出来的。发展思维去想创意,理性思维去验证,辩证去看这些东西吧

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