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　　20世紀(jì)初以來(lái),新材料大規(guī)模應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，包括鋼筋混凝土、高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼、鋼索、玻璃、膜、現(xiàn)代意義上的工業(yè)加工木材（詞條“木材”由行業(yè)大百科提供）等，材料和形式是結(jié)構(gòu)工程的一體兩面，缺一不可。

　　鋼筋混凝土→結(jié)構(gòu)藝術(shù)

　　鋼筋混凝土出現(xiàn)于19世紀(jì)末期，在20世紀(jì)初開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，并迅速得到廣大結(jié)構(gòu)工程師的喜愛(ài)。即使在今天看來(lái)，鋼筋混凝土依然是人類所能想到的最完美的建筑結(jié)構(gòu)材料。不僅僅是力學(xué)性能、耐久性（詞條“耐久性”由行業(yè)大百科提供）、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)秀，更重要的是，混凝土具有前所未有的極其優(yōu)異的可塑性（詞條“塑性”由行業(yè)大百科提供）能，讓人類終于可以完成自由形狀的結(jié)構(gòu)形式。各種各樣的幾何形狀，只要你想得到，并且能用木材、塑料、或者鋼材做出模板來(lái)，在其中澆筑混凝土就能得到這個(gè)形狀的混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與雕塑藝術(shù)的界限變得模糊起來(lái)，這一點(diǎn)是鋼材、木材、磚石材（詞條“石材”由行業(yè)大百科提供）料幾乎永遠(yuǎn)無(wú)法做到的。

　　從20世紀(jì)初期一直到20世紀(jì)60年代，可以說(shuō)是鋼筋混凝土發(fā)展的黃金時(shí)期，活躍于這期間的多位“鋼筋混凝土詩(shī)人”把混凝土結(jié)構(gòu)的藝術(shù)推上了一個(gè)又一個(gè)高峰，這些杰出的工程師包括但不限于：羅伯特·邁拉特、愛(ài)德華·托羅哈、費(fèi)利克斯·坎德拉、奧韋·阿魯普、海因茨·伊斯拉。

　　最上圖是費(fèi)利克斯·坎德拉1957年設(shè)計(jì)的羅斯馬南泰阿斯餐廳，跨度30米的花瓣?duì)顨んw厚度僅為4厘米，堪稱是整個(gè)結(jié)構(gòu)工程歷史上的不朽杰作。

　　左下圖是愛(ài)德華·托羅哈1951年設(shè)計(jì)的正十二面體煤炭倉(cāng)庫(kù)，充分體現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)的可塑性能。

　　右下圖是奧韋·阿魯普(奧雅納的創(chuàng)始人，其實(shí)奧雅納就是他名字Arup的官方文雅化的翻譯)1933年與建筑師勒貝特金合作設(shè)計(jì)的倫敦動(dòng)物園企鵝池，兩塊受扭的曲線混凝土板，隱喻了企鵝搖搖擺擺的憨態(tài)可掬。

　　雖然這些混凝土藝術(shù)品用料很省，本身又有極大的美學(xué)價(jià)值，但它們的最大缺點(diǎn)就是需要大量的勞動(dòng)力，復(fù)雜模板的搭設(shè)、鋼筋網(wǎng)片的布設(shè)，這些工序必須現(xiàn)場(chǎng)手工完成，無(wú)法工業(yè)化操作。20世紀(jì)70年代以后，隨著勞動(dòng)力價(jià)格的持續(xù)上漲，這類混凝土結(jié)構(gòu)的施工費(fèi)用水漲船高，在高度工業(yè)化的鋼結(jié)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)下徹底喪失了經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，逐步退出歷史舞臺(tái)。20世紀(jì)70年代以后，除了瑞士的海因茨·伊斯拉還在堅(jiān)守著混凝土藝術(shù)最后的余輝之外，混凝土殼體幾乎銷聲匿跡。不過(guò)，近些年來(lái)約格·施萊希和其他工程研究人員和工程師提出了用充氣氣球替代傳統(tǒng)模板、用噴涂速凝混凝土替代傳統(tǒng)混凝土的工藝，也許在未來(lái)還能看到混凝土藝術(shù)重新活躍在結(jié)構(gòu)工程的舞臺(tái)上。

　　鋼筋混凝土和鋼材→結(jié)構(gòu)框架與建筑外皮的分離

　　梁柱框架可以稱之為20世紀(jì)的代表性結(jié)構(gòu)體系，這樣的結(jié)構(gòu)形式不可能由之前占主導(dǎo)地位的磚石材料實(shí)現(xiàn)。框架結(jié)構(gòu)（詞條“框架結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）的概念在20世紀(jì)初期出現(xiàn)，隨著彎矩分配法、D值法等力學(xué)計(jì)算方法的成熟和鋼材、鋼筋混凝土這兩種合適材料的發(fā)展而迅速普及。框架體系的意義在于使得結(jié)構(gòu)骨架與建筑外皮徹底分離，一定意義上，結(jié)構(gòu)工程師與建筑師的職責(zé)徹底分道揚(yáng)鑣。對(duì)于磚石砌體結(jié)構(gòu)，建筑表皮和結(jié)構(gòu)骨架其實(shí)是同一個(gè)東西，就是那些厚重的砌體墻。框架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，不僅僅讓結(jié)構(gòu)高度可以提高、重量可以減輕，更重要的是，它讓建筑物的外皮徹底解放，不再承擔(dān)任何結(jié)構(gòu)作用。這一條是很多建筑創(chuàng)作的前提，也是勒·柯布西耶現(xiàn)代建筑五原則的必備條件。從此，建筑可以不再是千篇一律的磚石墻體。里面是同樣的結(jié)構(gòu)框架，外面的表皮可以隨心所欲，玻璃、石材、磚頭、塑料、金屬、木材、竹子、泥坯、樂(lè)高...幾乎任何材料都可以充當(dāng)建筑墻體。

　　右上圖是高迪1910年設(shè)計(jì)的米拉公寓

　　左圖是設(shè)計(jì)于1925年的外灘12號(hào)匯豐銀行大樓

　　右下圖是設(shè)計(jì)于2003年的同濟(jì)大學(xué)土木學(xué)院樓。

　　三者看上去極不相同，但在結(jié)構(gòu)意義上其實(shí)是一樣的，都是鋼框架。拿掉米拉公寓的奇幻風(fēng)格的外墻、匯豐銀行大樓富麗堂皇的外墻、同濟(jì)土木樓板材和玻璃的外墻，剩下的結(jié)構(gòu)骨架幾乎是一樣的。盡管像渡邊邦夫這樣的工程師認(rèn)為這種隱藏結(jié)構(gòu)骨架的做法是一種不誠(chéng)實(shí)的設(shè)計(jì)，但總體來(lái)說(shuō)，它造就了我們今天所見(jiàn)的建筑外觀百花齊放的局面。

　　高強(qiáng)混凝土→超高層建筑

　　20世紀(jì)30年代的紐約處在高層建筑（詞條“高層建筑”由行業(yè)大百科提供）發(fā)展的井噴期，克萊斯勒大廈、帝國(guó)大廈都是這個(gè)黃金時(shí)代的產(chǎn)物，但這些鋼框架結(jié)構(gòu)的潛力有限，帝國(guó)大廈的高度已經(jīng)是這一類結(jié)構(gòu)形式的極限。隨著60年代法拉茲·汗提出筒體結(jié)構(gòu)的新概念，高層建筑才正式步入超高層時(shí)代。

　　希爾斯大廈和紐約世界貿(mào)易中心雙子樓，都是鋼筒體，雖然結(jié)構(gòu)效能很高，但對(duì)于工業(yè)基礎(chǔ)薄弱的非歐美國(guó)家來(lái)說(shuō)，可能還是太過(guò)昂貴。而應(yīng)運(yùn)而生的高強(qiáng)混凝土，既能滿足筒體結(jié)構(gòu)的需求，又能維持較低的結(jié)構(gòu)造價(jià)，真正做到了讓超高層建筑在全球范圍內(nèi)遍地開(kāi)花。上海浦東陸家嘴的金茂大廈和環(huán)球金融中心，都是混凝土筒體的典型。內(nèi)部一個(gè)巨大的高強(qiáng)混凝土筒體，外部8根或者4根巨型柱，再配合加強(qiáng)層伸臂桁架和外圍環(huán)帶桁架，就構(gòu)成了這些超高層的主要受力體系。包括臺(tái)北101、馬來(lái)西亞石油雙塔、以及國(guó)內(nèi)大量的類似超高層建筑，都是如此。作為結(jié)構(gòu)工程的里程碑，828米高的迪拜塔采用的也是混凝土束筒外加魚(yú)骨狀翼墻體系。強(qiáng)度（詞條“強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）等級(jí)C80乃至C100以上的混凝土的應(yīng)用，讓超高層建筑不再遙不可及。

　　高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼→超現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)

　　隨著建筑思潮的發(fā)展，建筑的語(yǔ)義、文脈發(fā)生了劇烈的變化，出現(xiàn)了很多前所未有的設(shè)計(jì)。我用“超現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)”這個(gè)詞，指代類似CCTV新樓、鳥(niǎo)巢、深圳證券交易所這樣的新奇結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)40年代到50年代是混凝土殼的鼎盛時(shí)期，現(xiàn)在則是空間鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（詞條“網(wǎng)格結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）的時(shí)代。現(xiàn)代的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼，以各種各樣的形式出現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)中，把一個(gè)個(gè)令人瞠目結(jié)舌的設(shè)計(jì)從藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　左上圖是塞西爾·巴爾蒙德為雷姆·庫(kù)哈斯操刀的CCTV新樓，俗稱“大褲衩”，拋開(kāi)造價(jià)、景觀、社會(huì)影響等因素，單從建筑結(jié)構(gòu)出發(fā)，它是一個(gè)前所未有的嘗試。它的網(wǎng)格立面同時(shí)也是它的抗側(cè)力鋼筒體，網(wǎng)格布局按照應(yīng)力分布進(jìn)行布置和調(diào)整，傾斜雙筒體加連體大懸臂，放在以前，沒(méi)有人敢想象這樣的建筑結(jié)構(gòu)。

　　右上圖是塞西爾·巴爾蒙德所在的奧雅納為庫(kù)哈斯操刀的深圳證券交易所新樓，大體量懸挑，又是一個(gè)超現(xiàn)實(shí)構(gòu)想。

　　左下圖是塞西爾·巴爾蒙德為伊東豐雄操刀的蛇形畫(huà)廊，匪夷所思的鋼網(wǎng)格體系。

　　右下圖的仙臺(tái)媒體中心也是伊東豐雄的代表作，同樣也是一個(gè)超現(xiàn)實(shí)鋼結(jié)構(gòu)。與其合作的佐佐木睦朗設(shè)計(jì)了鋼束筒和蜂窩狀鋼樓板，用類似造船的工藝來(lái)造房子，這在以前也是不可想象的。

　　鋼索→張拉整體體系

　　從力學(xué)概念上來(lái)說(shuō)，軸心拉壓的效率要遠(yuǎn)勝受彎，但之前的磚石材料幾乎沒(méi)有受拉性能，隨著鋼索這種具有極強(qiáng)受拉能力的材料出現(xiàn)，全部構(gòu)件都保持軸心受力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系成為現(xiàn)實(shí)。這也就是最早由巴克明斯特·富勒提出的所謂張拉整體體系(著名的富勒烯就是為了紀(jì)念他)。

　　左圖中美國(guó)藝術(shù)家 Kenneth Snelson的作品 Needle Tower 就是一件張拉整體體系的藝術(shù)品。右圖中約格·施萊希設(shè)計(jì)的羅斯托克展覽會(huì)的標(biāo)志塔也是如此。

　　在實(shí)際工程領(lǐng)域，約格·施萊希的施梅豪森核電站索網(wǎng)冷卻塔和基樂(lè)斯山索網(wǎng)觀光塔都是張拉體系的例子。左圖中是施梅豪森核電站索網(wǎng)冷卻塔，建成于1974年，1991年因?yàn)殡娬就Ｖ惯\(yùn)營(yíng)而被炸毀。施萊希非常惋惜和遺憾，十年后，在施萊希的大力推動(dòng)下，右圖的這座索網(wǎng)觀光塔在斯圖加特落成。一方面是為德國(guó)和諧社會(huì)添磚加瓦，另一方面也可以看作是施萊希對(duì)自己之前被強(qiáng)拆掉的杰作的緬懷和紀(jì)念。

　　即使在常規(guī)結(jié)構(gòu)體系的局部也可以應(yīng)用張拉體系，最常見(jiàn)的就是張弦梁體系，比如浦東機(jī)場(chǎng)的大跨度候機(jī)樓，采用的就是張弦梁。隨著高鐵建設(shè)熱潮的興起，部分新建的高鐵車站也采用了張弦梁。

　　玻璃+索網(wǎng)→索網(wǎng)玻璃體系

　　一定意義上，建筑是一門(mén)操縱光的藝術(shù)。玻璃是完成這個(gè)使命的絕佳材料，早在中世紀(jì)的大教堂里，彩色玻璃已經(jīng)開(kāi)始充當(dāng)極其重要的角色。但受制于玻璃本身的力學(xué)性能，其應(yīng)用受到了很多限制。

　　隨著現(xiàn)代鋼材的發(fā)展成熟，由纖細(xì)的金屬框格甚至是金屬索網(wǎng)搭配玻璃組成的玻璃穹頂或者幕墻得以實(shí)現(xiàn)。大家最熟悉的例子應(yīng)該是貝聿銘的盧浮宮金字塔。約格·施萊希的大批作品都堪稱是索網(wǎng)玻璃體系的精品，比如上圖中的漢堡城市歷史博物館玻璃屋頂和下圖中的慕尼黑凱賓斯基酒店玻璃幕墻。

　　膜材料→膜結(jié)構(gòu)/充氣結(jié)構(gòu)

　　20世紀(jì)涌現(xiàn)的眾多優(yōu)秀新材料之一就是膜材料，雖然過(guò)去也有類似概念的膜材料和膜結(jié)構(gòu)，比如游牧民族的氈房，但其性能、耐久性都不太令人滿意，現(xiàn)代膜材料的出現(xiàn)為現(xiàn)代輕型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了新的選擇。弗雷·奧托與約格·施萊希設(shè)計(jì)的1972年慕尼黑奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)就是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)的代表作。

　　此外，膜材料還為充氣結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了絕佳的材料。充氣結(jié)構(gòu)可以分為兩種，第一種是作為主體結(jié)構(gòu)（詞條“主體結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）的充氣結(jié)構(gòu)，比如上圖中川口衛(wèi)設(shè)計(jì)的1970年日本大阪世博會(huì)上的富士館，就是一個(gè)典型的充氣結(jié)構(gòu);日常生活常見(jiàn)的各種商業(yè)活動(dòng)放置的充氣拱門(mén)，也可以看做這樣的充氣結(jié)構(gòu)。第二種則是作為局部結(jié)構(gòu)的充氣結(jié)構(gòu)，比如水立方的ETFE膜充氣氣泡外墻。對(duì)于水立方追求的這種特殊視覺(jué)效果，玻璃、塑料等傳統(tǒng)材料都不太合適，可能只有充氣膜能完美的達(dá)成這種朦朦朧朧的設(shè)計(jì)意圖。

　　現(xiàn)代工業(yè)化木材→現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)

　　木材是一種歷史很悠久的建筑結(jié)構(gòu)材料，在我國(guó)主要是以穿斗框架的形式存在，在北美的拓荒期則是那種原木壘成的小木頭房子。隨著現(xiàn)代木材工業(yè)的建立，天然木材進(jìn)一步深加工為類似型鋼的標(biāo)準(zhǔn)化“型木”以及其他膠合木材、復(fù)合木材，木材的利用效率和應(yīng)用范圍得到了大幅提高。尤其是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的所謂2×4體系，在北美地區(qū)已經(jīng)成為絕對(duì)的市場(chǎng)主流，超過(guò)80%的北美住宅都是采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化木材的木剪力墻體系。

　　木材的力學(xué)性能雖然不是很突出，但其強(qiáng)度質(zhì)量比相對(duì)比較高，且受拉受壓性能平均，有一定的延性，可以看作是整體弱化了的鋼材。從這一點(diǎn)出發(fā)，木材也能達(dá)成類似于鋼材的效果。

　　二戰(zhàn)前夕，因?yàn)榧{粹德國(guó)瘋狂備戰(zhàn)，民間金屬資源短缺，工程師只能采用木材代替鋼材，上圖中位于伊斯馬寧的這座純木結(jié)構(gòu)的通信塔高度為驚人的164米，德國(guó)工程師的能力簡(jiǎn)直讓人難以置信。

　　上圖為當(dāng)代德國(guó)工程師約格·施萊希2002年設(shè)計(jì)的羅斯托克會(huì)展大廳，木結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)格筒殼，可以與鋼結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)殼相媲美，而又具有木材所帶來(lái)的特殊美感。

　　橡膠（詞條“橡膠”由行業(yè)大百科提供）材料/軟鋼材料→消能減震裝置

　　隨著設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，設(shè)計(jì)思路和指導(dǎo)思想也在發(fā)生變化，比如對(duì)于抗震設(shè)計(jì)，已經(jīng)從磚石結(jié)構(gòu)的“硬抗”轉(zhuǎn)為消能減震裝置的“四兩撥千斤”。隨著現(xiàn)代橡膠、軟鋼這些合適材料的出現(xiàn)，消能減震裝置真正開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用在抗震設(shè)計(jì)中。比如基礎(chǔ)隔震技術(shù)已經(jīng)在日本得到了相當(dāng)程度的推廣應(yīng)用，也就是整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)不與地基土接觸，所有的柱子都落在橡膠墊上。軟鋼、橡膠等各種粘滯材料構(gòu)成的耗能阻尼器、耗能支撐等等也取得了大范圍的應(yīng)用。【完】