1、建筑材料與結構設計理念結構工程的發(fā)展，自工業(yè)革命以來發(fā)生了幾次井噴式的大發(fā)展，產生過許許多多的優(yōu)秀工程師和美輪美奐的傳世之作。既然題目限定為近百年來，為方便起見，我把敘述范圍限定為自20世紀初以來大規(guī)模應用于建筑結構領域的新材料，包括鋼筋混凝土、高強結構鋼、鋼索、玻璃、膜、現代意義上的工業(yè)加工木材。討論的范圍不包括新材料的本構關系與其力學性能、計算方法之間的關系，僅著眼于新材料與結構體系、結構選型之間的關系。此外，我把范圍限定在我比較熟悉的建筑結構領域，不涉及不熟悉的橋梁結構、隧道結構、道路結構等其它領域。如此一來，這個問題就相當于一篇20世紀初以來建筑結構材料與建筑結構形式之間的關系的綜述。

2、水平有限，不能提綱挈領，只能管中窺豹，分成幾個部分說一下自己的理解，不當之處，還請大家指正。鋼筋混凝土結構藝術鋼筋混凝土出現于19世紀末期，在20世紀初開始大規(guī)模應用于建筑結構領域，并迅速得到廣大結構工程師的喜愛。即使在21世紀的今天看來，鋼筋混凝土依然是人類所能想到的最完美的建筑結構材料。不僅僅是力學性能、耐久性、經濟性能優(yōu)秀，更重要的是，混凝土具有前所未有的極其優(yōu)異的可塑性能，讓人類終于可以完成自由形狀的結構形式。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，在其中澆筑混凝土就能得到這個形狀的混凝土結構。結構設計與雕塑藝術的界限變得模糊起來，這一點是鋼材、木材、

3、磚石材料幾乎永遠無法做到的。從20世紀初期一直到20世紀六十年代的這段時間可以說是鋼筋混凝土發(fā)展的黃金時期，活躍于這期間的多位“鋼筋混凝土詩人”把混凝土結構的藝術推上了一個又一個高峰。這些杰出的工程師包括但不限于：羅伯特邁拉特、愛德華托羅哈、費利克斯坎德拉、奧韋阿魯普、海因茨伊斯拉。最上圖是費利克斯坎德拉1957年設計的羅斯馬南泰阿斯餐廳，跨度30米的花瓣狀殼體厚度僅為4厘米，堪稱是整個結構工程歷史上的不朽杰作。左下圖是愛德華托羅哈1951年設計的正十二面體煤炭倉庫，充分體現了混凝土結構的可塑性能。右下圖是奧韋阿魯普（奧雅納的創(chuàng)始人，其實奧雅納就是他名字Arup的官方文雅化的翻譯）1933年與

4、建筑師勒貝特金合作設計的倫敦動物園企鵝池，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品用料很省，本身又有極大的美學價值，但它們的最大缺點就是需要大量的勞動力，復雜模板的搭設、鋼筋網片的布設，這些工序必須現場手工完成，無法工業(yè)化操作。20世紀70年代以后，隨著勞動力價格的持續(xù)上漲，這類混凝土結構的施工費用水漲船高，在高度工業(yè)化的鋼結構的競爭下徹底喪失了經濟優(yōu)勢，逐步退出歷史舞臺。自20世紀70年代以后，除了瑞士的海因茨伊斯拉還在堅守著混凝土藝術最后的余輝之外，混凝土殼體幾乎銷聲匿跡。不過，近些年來約格施萊希和其它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

5、涂速凝混凝土替代傳統(tǒng)混凝土的工藝，也許在未來還能看到混凝土藝術重新活躍在結構工程的舞臺上。鋼筋混凝土和鋼材結構框架與建筑外皮的分離梁柱框架可以稱之為20世紀的代表性結構體系，這樣的結構形式不可能由之前占主導地位的磚石材料實現。框架結構的概念在20世紀初期出現，隨著彎矩分配法、D值法等力學計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構骨架與建筑外皮徹底分離，一定意義上，結構工程師與建筑師的職責徹底分道揚鑣。對于磚石砌體結構，建筑表皮和結構骨架其實是同一個東西，就是那些厚重的砌體墻。框架結構的出現，不僅僅讓結構高度可以提高、重量可以減輕，更重要的是，它讓

6、建筑物的外皮徹底解放，不再承擔任何結構作用。這一條是很多建筑創(chuàng)作的前提，也是勒柯布西耶現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。里面是同樣的結構框架，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、樂高.幾乎任何材料都可以充當建筑墻體。右上圖是高迪1910年設計的米拉公寓，左圖是設計于1925年的外灘12號匯豐銀行大樓，右下圖是設計于2003年的同濟大學土木學院樓。三者看上去極不相同，但在結構意義上其實是一樣的，都是鋼框架。拿掉米拉公寓的奇幻風格的外墻、匯豐銀行大樓富麗堂皇的外墻、同濟土木樓板材和玻璃的外墻，剩下的結構骨架幾乎是一樣的。盡管像渡邊

7、邦夫這樣的工程師認為這種隱藏結構骨架的做法是一種不誠實的設計，但總體來說，它造就了我們今天所見的建筑外觀百花齊放的局面。高強混凝土超高層建筑20世紀30年代的紐約處在高層建筑發(fā)展的井噴期，克萊斯勒大廈、帝國大廈都是這個黃金時代的產物。但這些鋼框架結構的潛力有限，帝國大廈的高度已經是這一類結構形式的極限。隨著60年代法拉茲汗提出筒體結構的新概念，高層建筑才正式步入超高層時代。希爾斯大廈和紐約世界貿易中心雙子樓，都是鋼筒體，雖然結構效能很高，但對于工業(yè)基礎薄弱的非歐美國家來說，可能還是太過昂貴。而應運而生的高強混凝土，既能滿足筒體結構的需求，又能維持較低的結構造價，真正做到了讓超高層建筑在全球范圍

8、內遍地開花。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。內部一個巨大的高強混凝土筒體，外部8根或者4根巨型柱，再配合加強層伸臂桁架和外圍環(huán)帶桁架，就構成了這些超高層的主要受力體系。包括臺北101、馬來西亞石油雙塔、以及國內大量的類似超高層建筑，都是如此。作為結構工程的里程碑，828米高的迪拜塔采用的也是混凝土束筒外加魚骨狀翼墻體系。強度等級C80乃至C100以上的混凝土的應用，讓超高層建筑不再遙不可及。高強結構鋼超現實結構隨著建筑思潮的發(fā)展，建筑的語義、文脈發(fā)生了劇烈的變化，出現了很多前所未有的設計。我用“超現實結構”這個詞，指代類似CCTV新樓、鳥巢、深圳證券交易所這樣的新

9、奇結構。20世紀40年代到50年代是混凝土殼的鼎盛時期，現在則是空間鋼網格結構的時代。現代的高強結構鋼，以各種各樣的形式出現在建筑結構中，把一個個令人瞠目結舌的設計從藍圖變?yōu)楝F實。左上圖是塞西爾巴爾蒙德為雷姆庫哈斯操刀的CCTV新樓，俗稱“大褲衩”，拋開造價、景觀、社會影響等其它因素，單從建筑結構出發(fā)，它是一個前所未有的嘗試。它的網格立面同時也是它的抗側力鋼筒體，網格布局按照應力分布進行布置和調整，傾斜雙筒體加連體大懸臂，放在以前，沒有人敢想象這樣的建筑結構。右上圖是塞西爾巴爾蒙德所在的奧雅納為庫哈斯操刀的深圳證券交易所新樓，大體量懸挑，又是一個超現實構想。左下圖是塞西爾巴爾蒙德為伊東豐雄（今

10、年普利茨克獎得主）操刀的蛇形畫廊，匪夷所思的鋼網格體系。右下圖的仙臺媒體中心也是伊東豐雄的代表作，同樣也是一個超現實鋼結構。與其合作的佐佐木睦朗設計了鋼束筒和蜂窩狀鋼樓板，用類似造船的工藝來造房子，這在以前也是不可想象的。鋼索張拉整體體系從力學概念上來說，軸心拉壓的效率要遠勝受彎，但之前的磚石材料幾乎沒有受拉性能。隨著鋼索這種具有極強受拉能力的材料出現，全部構件都保持軸心受力狀態(tài)的結構體系成為現實。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念他）。左圖中美國藝術家 Kenneth Snelson的作品 Needle Tower 就是一件張拉整體體系的藝術品。右圖

11、中約格施萊希設計的羅斯托克展覽會的標志塔也是如此。在實際工程領域，約格施萊希的施梅豪森核電站索網冷卻塔和基樂斯山索網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冷卻塔，建成于1974年，1991年因為電站停止運營而被炸毀。施萊希非常惋惜和遺憾，十年后，在施萊希的大力推動下，右圖的這座索網觀光塔在斯圖加特落成。一方面是為德國和諧社會添磚加瓦，另一方面也可以看作是施萊希對自己之前被強拆掉的杰作的緬懷和紀念。即使在常規(guī)結構體系的局部也可以應用張拉體系，最常見的就是張弦梁體系，比如浦東機場的大跨度候機樓，采用的就是張弦梁。隨著高鐵建設熱潮的興起，部分新建的高鐵車站也采用了張弦梁。玻璃+索網索網

12、玻璃體系一定意義上，建筑是一門操縱光的藝術。玻璃是完成這個使命的絕佳材料，早在中世紀的大教堂里，彩色玻璃已經開始充當極其重要的角色。但受制于玻璃本身的力學性能，其應用受到了很多限制。隨著現代鋼材的發(fā)展成熟，由纖細的金屬框格甚至是金屬索網搭配玻璃組成的玻璃穹頂或者幕墻得以實現。大家最熟悉的例子應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。膜材料膜結構/充氣結構20世紀涌現的眾多優(yōu)秀新材料之一就是膜材料，雖然過去也有類似概念的膜材料和膜結構，比如游牧民族的氈房，但其性能、耐久性都不太令人滿意。

13、現代膜材料的出現為現代輕型結構的設計提供了新的選擇。弗雷奧托與約格施萊希設計的1972年慕尼黑奧運會主體育場就是現代膜結構的代表作。此外，膜材料還為充氣結構的實現提供了絕佳的材料。充氣結構可以分為兩種。第一種是作為主體結構的充氣結構，比如上圖中川口衛(wèi)設計的1970年日本大阪世博會上的富士館，就是一個典型的充氣結構。日常生活常見的各種商業(yè)活動放置的充氣拱門，也可以看做這樣的充氣結構。第二種則是作為局部結構的充氣結構，比如水立方的ETFE膜充氣氣泡外墻。對于水立方追求的這種特殊視覺效果，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成這種朦朦朧朧的設計意圖。現代工業(yè)化木材現代木結構木材是

14、一種歷史很悠久的建筑結構材料。在我國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。隨著現代木材工業(yè)的建立，天然木材進一步深加工為類似型鋼的標準化“型木”以及其它膠合木材、復合木材，木材的利用效率和應用范圍得到了大幅提高。尤其是工業(yè)標準化的所謂2乘4體系，在北美地區(qū)已經成為絕對的市場主流，超過80%的北美住宅都是采用工業(yè)標準化木材的木剪力墻體系。木材的力學性能雖然不是很突出，但其強度質量比相對比較高，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。從這一點出發(fā)，木材也能達成類似于鋼材的效果。二戰(zhàn)前夕，因為納粹德國瘋狂備戰(zhàn)，民間金屬資源短缺，工程師只能采用木

15、材代替鋼材，上圖中位于伊斯馬寧的這座純木結構的通信塔高度為驚人的164米，德國工程師的能力簡直讓人難以置信。上圖為當代德國工程師約格施萊希2002年設計的羅斯托克會展大廳，木結構空間網格筒殼，可以與鋼結構空間網殼相媲美，而又具有木材所帶來的特殊美感。橡膠材料/軟鋼材料消能減震裝置隨著設計理論的發(fā)展，設計思路和指導思想也在發(fā)生變化，比如對于抗震設計，已經從磚石結構的“硬抗”轉為消能減震裝置的“四兩撥千斤”。隨著現代橡膠、軟鋼這些合適材料的出現，消能減震裝置真正開始大規(guī)模應用在抗震設計中。比如基礎隔震技術已經在日本得到了相當程度的推廣應用，也就是整個建筑結構不與地基土接觸，所有的柱子都落在橡膠墊上

16、。軟鋼、橡膠等各種粘滯材料構成的耗能阻尼器、耗能支撐等等也取得了大范圍的應用。總結材料和形式是結構工程的一體兩面，缺一不可。人類歷史上罕見的天才達芬奇構想了很多新穎合理的設計，但受限于當時的材料水平，很多都無法付諸實施，只能停留在紙面上；同樣，我們有了鋼筋混凝土，但如果沒有配套的新的合理的設計理論，還是停留在用混凝土塊壘長城、壘金字塔的水平，那現代建筑結構就無從談起。其實不只是結構工程，在機械工程、航空工程、工業(yè)工程等其它領域也是如此，只有材料應用和設計理論的協(xié)同發(fā)展，才能取得新的工程學成就。圖片來源羅斯馬南泰阿斯餐廳Jot Down Cultural Magazine正十二面體煤炭倉庫倫敦動

17、物園企鵝池Penguin Pool London Zoo by Berthold Lubetkin外灘匯豐銀行大樓外灘12號 匯豐銀行大樓米拉公寓德國凱撒旅游集團同濟大學土木大樓CCTV新樓CCTV中央電視臺的新樓深圳證券交易所新樓探營深交所新大樓蛇形畫廊英國工黨時代的偉大建筑仙臺媒體中心仙臺媒體中心（伊東豐雄作品）Needle Tower羅斯托克整體張拉體系塔http:/www.sbp.de/en/build/show/1066-Tower_at_the_Fair_of_Rostock施梅豪森索網冷卻塔http:/www.sbp.de/en/build/show/10-Cable_Net_Dry_Cooling_Tower基樂斯山觀景塔http:/www.sbp.de/en#build/show/11-Panoramic_Tower_Killesberg漢堡城