結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)在現(xiàn)代建筑應(yīng)用中的探討

殷霞（云南建設(shè)學(xué)校土木工程教學(xué)部，云南　大理　671000）

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結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)在現(xiàn)代建筑應(yīng)用中的探討

殷霞
（云南建設(shè)學(xué)校土木工程教學(xué)部，云南大理671000）

摘要：介紹了結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的發(fā)展歷程及涵蓋內(nèi)容，對大量的典型建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析，并從高層和高聳結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)等方面，闡述了結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用，為今后建筑結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新發(fā)展提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)，結(jié)構(gòu)體系，空間結(jié)構(gòu)

形態(tài)學(xué)是研究生物形體的本質(zhì)特征，生物內(nèi)在功能與外部形體協(xié)調(diào)統(tǒng)一的學(xué)說［2］。生物通過漫長的進(jìn)化，演變出了能夠經(jīng)受住各種環(huán)境和時間考驗的合理的生理結(jié)構(gòu)，自然界的各種結(jié)構(gòu)形成為理想的建筑構(gòu)思源泉。古代建筑工匠們感受到各種生物中透出的形與力的關(guān)系，將之應(yīng)用在各種古代工程中，由此建造出了很多經(jīng)典的建（構(gòu)）筑物，但這種聯(lián)系是不自覺的，發(fā)展非常緩慢。直到1991年成立的“結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)”工作組（SMG）首次提出了“結(jié)構(gòu)形態(tài)”（Structural Morphology）這一概念，形態(tài)學(xué)思想被正式引入建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。隨著研究的深入，結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)逐漸發(fā)展成為一門內(nèi)容涵蓋了仿生學(xué)、幾何學(xué)、力學(xué)、物理、數(shù)值分析技術(shù)、建筑美學(xué)等多學(xué)科的涉及領(lǐng)域廣泛的交叉學(xué)科。結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)是從整體上研究結(jié)構(gòu)形式與其受力性能的相互關(guān)系，尋求二者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)以合理、自然、高效為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)美學(xué)［2］。為適應(yīng)各種建筑的需要，創(chuàng)造視覺上的“形態(tài)”，結(jié)構(gòu)形態(tài)可以在兩個方面起作用：第一是“力學(xué)上的形態(tài)”，即由平衡形狀與力流得到的“形與力的結(jié)構(gòu)形態(tài)”；第二是“幾何學(xué)形態(tài)”，例如基本圖形利用切割、傾斜、連接及相貫等拼接方式得到的各種各樣的變化形態(tài)，甚至是脫離簡單的幾何形式，得到更自由、更有機(jī)的形態(tài)［1］。

當(dāng)代，人們對建筑的需求早已不再只是遮風(fēng)避雨，人們需要高品質(zhì)的、有深刻文化內(nèi)涵的建筑物。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的發(fā)展和應(yīng)用，現(xiàn)代建筑的發(fā)展日新月異，具有創(chuàng)新性，甚至是革命性的建筑正不斷涌現(xiàn)，而結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)是推動這些新建筑實現(xiàn)的重要靈感源泉。以下將結(jié)合幾類典型的結(jié)構(gòu)體系來探討結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用和發(fā)展。

1　高層和高聳結(jié)構(gòu)

竹子、稻桿具有的特別形態(tài)（橫向呈圓形中空、沿高度逐漸收進(jìn)，隔一定長度有一個節(jié)）使它們成為自然界中長徑比巨大，同時又能完美抵抗地球上各種作用的植物。古代的工匠將這種形態(tài)的內(nèi)涵融入到“塔”（如圖1所示）的建造中，用磚、石或木材這些最基本的材料建成了大量的屹立了千百年的高聳結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代，結(jié)合更先進(jìn)的材料、分析技術(shù)和工藝，這種結(jié)構(gòu)形態(tài)逐漸發(fā)展成“筒體結(jié)構(gòu)”，但隨著建筑高度的不斷增加，“剪力滯后”效應(yīng)（如圖2所示）嚴(yán)重影響筒體的空間工作性能。為減輕“剪力滯后”效應(yīng)，法茲勒·R·坎恩將筒體結(jié)構(gòu)的概念創(chuàng)造性的應(yīng)用、延伸和發(fā)展，衍生出了“桁架筒”體系、“筒中筒”體系、“束筒”體系、“帶形桁架”體系等，不僅使建筑高度翻了一番，而且材料用量也非常的節(jié)省，實現(xiàn)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益［1］。

結(jié)構(gòu)形態(tài)不僅對高層建筑的結(jié)構(gòu)體系有影響，還對高層建筑的平、立面外形等具有指導(dǎo)意義。竹子、稻桿的截面是圓形、蜂巢的截面是正六邊形、金剛石的晶體構(gòu)造為極鍵四面體形，這些具有高度對稱性的幾何形狀，使這些物種很好的承受了來自自然界的各種力的作用，并經(jīng)受住了時間的考驗。對于超高層、高聳建筑而言，承受水平作用（風(fēng)荷載、地震作用等）是比承受重力作用更為突出的問題，如果這些建筑的外形規(guī)則、對稱，那么它將更容易滿足安全性能、使用性能、經(jīng)濟(jì)性能方面的要求，而這些思想也成為建筑“概念設(shè)計”哲學(xué)的重要組成部分。

圖1　大理崇圣寺千尋塔

圖2　剪力滯后效應(yīng)

2　空間結(jié)構(gòu)

空間結(jié)構(gòu)包括梁肋體系、拱結(jié)構(gòu)體系、桁架體系、網(wǎng)架體系、薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、懸掛（斜拉）結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、各種雜交結(jié)構(gòu)等。已有的空間結(jié)構(gòu)體系按照受力情況基本上可分為：剛性體系（拱券、折板、薄殼、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、空間桁架等）；柔性體系（索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、張拉集成體系等）；雜交體系（拉索—網(wǎng)架、拉索—網(wǎng)殼、拱—索、索—桁架、張弦梁等）和其他體系（自由曲面結(jié)構(gòu)、自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等）。

2.1剛性體系

拱的形狀是半圓形或拋物線形，在豎向壓力作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力以軸壓力為主，彎矩、剪力都趨于零，穹頂結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)與拱有共同的受力特點?；诖u、石等材料砌筑的砌體結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)都有抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低的特點，這些材料都非常適合建造以受壓為主的結(jié)構(gòu)。分布于西班牙、法國的羅馬時代的水道橋（如圖3所示）和建成距今已1400多年的我國的趙州橋（如圖4所示）都采用石砌拱券，雖然東西方相隔萬里，但殊途同歸，令后世的工程師們心生感嘆。拱向空間發(fā)展成為穹頂和穹窿結(jié)構(gòu)（每當(dāng)看到龜?shù)耐鈿ぞ筒挥傻孟氲竭@種結(jié)構(gòu)形式，見圖5），提高了結(jié)構(gòu)的整體性，空間的規(guī)模和建筑的自由度由此發(fā)生了質(zhì)的變化。但這類建筑存在一個重要的問題是如果拱腳的基礎(chǔ)或支座不能提供強(qiáng)大的水平推力，則會引起結(jié)構(gòu)的坍塌。圣索菲亞大教堂采用8根巨大的柱子來支撐巨大的穹頂，但柱頂逐漸累積的水平位移對穹頂?shù)耐{是嚴(yán)重的，并在多次地震后，穹頂都出現(xiàn)塌落。直到現(xiàn)代，工程師給穹頂加了鋼箍后，水平推力的問題才得到解決。同樣是為了解決拱腳水平推力問題，哥特式大教堂采取了一系列措施，首先放棄半圓形拱改為尖塔形，減小拱腳的水平推力；第二由交叉拱形成隅肋；第三采用飛扶壁，通過側(cè)廊外墻的飛梁將拱腳產(chǎn)生的水平推力逐層傳出，解放外墻并可直接在外墻上開窗；第四在飛梁外緣上建小尖塔，利用小尖塔產(chǎn)生的重力，使石砌扶壁中不產(chǎn)生拉力。這些精美的結(jié)構(gòu)正是“材料、造型與結(jié)構(gòu)的藝術(shù)”三者高度融合的產(chǎn)物［1］。

圖3　法國嘉德水道

圖4　趙州橋

圖5　萬神廟大穹頂

圖6　羅斯馬南泰阿斯餐廳（坎德拉作品）

在現(xiàn)代隨著鋼筋混凝土的大量使用，工程師受到“蛋殼”的啟發(fā)，發(fā)展出由曲面形板和邊緣構(gòu)件（梁、拱或桁架）組成的殼體結(jié)構(gòu)，被廣泛的應(yīng)用在大跨度建筑物頂蓋、中小跨度屋面板、各種管道壓力容器等各種建（構(gòu)）筑物中。西班牙結(jié)構(gòu)師愛德華·特羅哈1959年創(chuàng)立了IASS（現(xiàn)在的國際殼體及空間結(jié)構(gòu)學(xué)會），對殼體結(jié)構(gòu)的發(fā)展做出極大貢獻(xiàn)。羅斯馬南泰阿斯餐廳見圖6，薄殼屋蓋見圖7。

圖7　薄殼屋蓋

圖8　懸索橋

2.2柔性體系

人們可以從風(fēng)中搖曳的蜘蛛網(wǎng)聯(lián)想到懸索結(jié)構(gòu)（見圖8），從帆船的桅桿和風(fēng)帆聯(lián)想到索膜結(jié)構(gòu)（見圖9）。這些由柔性材料制成的結(jié)構(gòu)需要通過施加適當(dāng)?shù)念A(yù)張力獲得穩(wěn)定的形狀，以構(gòu)件受拉來抵抗外荷載，故統(tǒng)稱為張力結(jié)構(gòu)［1］（有趣的是將索固化反轉(zhuǎn)就成拱，純拉體系轉(zhuǎn)化為純壓體系），這種結(jié)構(gòu)類型具有輕盈、高效的特點。張力結(jié)構(gòu)設(shè)計首先需要解決的問題是尋求符合建筑功能及美學(xué)要求且受力合理的初始形狀，而初始形狀的確立又取決于邊界條件和預(yù)張力。在形態(tài)學(xué)發(fā)展早期，張力結(jié)構(gòu)的初始形狀可以用模型實驗方法確定，即利用可形成純張力作用的柔性材料或肥皂膜模擬實際結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，獲得預(yù)期的建筑形狀，再通過對模型的量測、按比例放大，實現(xiàn)工程設(shè)計［2］。當(dāng)前張力結(jié)構(gòu)初始形態(tài)的確定以數(shù)值分析方法為主，針對實際工程，通過初始形態(tài)分析，可獲得既符合建筑功能要求，又具有合理預(yù)應(yīng)力分布的初始形態(tài)。

圖9　索膜結(jié)構(gòu)

圖10　張弦梁屋蓋

2.3雜交體系/混合體系

剛性體系剛度大，但自重也很大，這會對基礎(chǔ)設(shè)計和抗震設(shè)計不利；柔性體系質(zhì)輕，但剛度過小，體系復(fù)雜、穩(wěn)定性差，圍護(hù)構(gòu)件比較難安裝；雜交體系則是受壓部分采用剛性構(gòu)件，而受拉部分采用柔索，既保證體系有足夠的剛度和穩(wěn)定性，又使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較輕，能實現(xiàn)體系自平衡，是目前在大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)中很有發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)體系類型。雜交體系主要包括張弦梁結(jié)構(gòu)（BSS）、環(huán)形索桁結(jié)構(gòu)等。

張弦梁結(jié)構(gòu)（如圖10所示）是一種由剛性構(gòu)件（拱梁或桁架拱）形成上弦、柔性拉索形成下弦、中間連以撐桿而形成的混合結(jié)構(gòu)體系［1］。張弦梁結(jié)構(gòu)的受力特點是先在下弦拉索中施加預(yù)應(yīng)力使上弦壓彎構(gòu)件產(chǎn)生反撓度，這樣能減少結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最終撓度，而撐桿作為上弦壓彎構(gòu)件的彈性支撐，起到有效改善上弦壓彎構(gòu)件受力性能的作用，下弦的拉索承受所有的拱腳水平推力，減輕了支座的負(fù)擔(dān)。由此可見，張弦梁結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮剛?cè)醿煞N材料的優(yōu)勢，改善整體結(jié)構(gòu)受力性能，使壓彎構(gòu)件和受拉構(gòu)件取長補(bǔ)短，協(xié)同工作，達(dá)到自平衡，形成量輕而承載力及剛度都較好的結(jié)構(gòu)體系。張弦梁結(jié)構(gòu)中的兩類構(gòu)件雖然分工明確，但復(fù)合方式多種多樣，可以形成千變?nèi)f化的形態(tài)，所以張弦梁結(jié)構(gòu)的形態(tài)定義是很值得研究的課題。

從車輪輻條結(jié)構(gòu)概念提出的環(huán)形索桁結(jié)構(gòu)也是在大跨度空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的雜交體系（見圖11）。環(huán)形索桁結(jié)構(gòu)是由外部受壓環(huán)與內(nèi)部受拉環(huán)通過輻射的受拉索桁架連接形成的自平衡體系［3］。該體系按屋面形狀可分為內(nèi)凹形和外凸形。依據(jù)車輪輻條原理，環(huán)形索桁結(jié)構(gòu)還可以延拓出一系列豐富多彩的結(jié)構(gòu)形式。

2.4其他體系

空間結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)造型都是基本圖形利用切割、傾斜、連接、旋轉(zhuǎn)及相貫等方式得到的各種各樣的形態(tài)，例如：球面、柱面、鞍面等規(guī)則曲面及其組合。“自由曲面”是指無法用單個或幾個解析函數(shù)表達(dá)的曲面，即為那些明顯區(qū)別于傳統(tǒng)造型的曲面［5］。“形態(tài)創(chuàng)建”是生成有機(jī)形態(tài)的自由曲面，并實現(xiàn)曲面多樣性與受力合理性有機(jī)結(jié)合的前提。自由曲面形態(tài)創(chuàng)建的方法分為：模型實驗方法和基于優(yōu)化思想的數(shù)值方法等。在計算機(jī)普遍應(yīng)用于工程之前，模型實驗方法是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建的主要方法。高迪的“倒吊掛試驗”［1］應(yīng)用在圣家族教會大教堂（如圖12所示）的結(jié)構(gòu)找形中，不僅創(chuàng)造了耀眼奪目的奇特造型，而且實現(xiàn)力、材料和構(gòu)筑方法的合理統(tǒng)一。伊斯拉采用“反吊原理”（即逆吊實驗法）［1］對RC殼曲面找形（如圖13所示），通過調(diào)整約束條件，可以獲得符合要求的各種自由曲面?，F(xiàn)在隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，“皂膜實驗”“反吊實驗”可以通過數(shù)值模擬實現(xiàn)，并逐漸形成了基于優(yōu)化思想的數(shù)值形態(tài)創(chuàng)建方法，其基本思路是將自由曲面的幾何建模技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法結(jié)合，以結(jié)構(gòu)的合理受力為優(yōu)化目標(biāo)，采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法，獲得一系列符合要求的，可供建筑師選擇的自由曲面形態(tài)。

圖11　外凸式環(huán)形索桁結(jié)構(gòu)

圖12　圣家族大教堂內(nèi)部（高迪采用倒吊掛實驗法為結(jié)構(gòu)找形）

自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是基于優(yōu)化思想的數(shù)值分析方法，形成構(gòu)件布置或開洞情況等明顯與傳統(tǒng)規(guī)則方式不相同的結(jié)構(gòu)形態(tài)。自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)比較，具有造型更自由新穎、構(gòu)件受力更合理高效的特點，在實際工程中得到越來越多的應(yīng)用，是新型結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建的熱點方向之一。自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為：連續(xù)型自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如北京奧運會場館：“水立方”）、離散型自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如北京奧運會場館：“鳥巢”）和樹狀結(jié)構(gòu)［6］（如圖14所示）等。

圖13　逆吊實驗法

圖14　樹狀結(jié)構(gòu)

3　結(jié)語

當(dāng)代的建筑是國際化和地方性完美融合的建筑，是節(jié)能的、與自然共生的、可持續(xù)發(fā)展的“生態(tài)建筑”。結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新將是推動當(dāng)代建筑向著這些目標(biāo)邁進(jìn)的重要因素之一。好的結(jié)構(gòu)體系不僅有新穎的結(jié)構(gòu)形式，還應(yīng)該能很好的滿足建筑功能要求，滿足受力合理、體形優(yōu)美和經(jīng)濟(jì)高效的要求，同時還能符合建筑技術(shù)（包括材料、構(gòu)造和工藝等）的發(fā)展。對結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究可以培養(yǎng)出良好的結(jié)構(gòu)直覺，為結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新提供不斷的靈感源泉，而結(jié)構(gòu)體系的實踐反過來可以充實、發(fā)展結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)?；诋?dāng)前計算機(jī)強(qiáng)大的功能，關(guān)于結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究已經(jīng)進(jìn)入一個嶄新的、異彩紛呈的時代。當(dāng)然，值得所有工程人員注意的是，結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新需要有新奇創(chuàng)意的思想，但更需要嚴(yán)肅審慎的態(tài)度，只有同時具備了這兩個條件，建筑的發(fā)展才會有美好的未來。

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Inquiry on the application of structural morphology in modern buildings

Yin Xia
（Teaching Department of Civil Engineering，Yunnan Construction School，Dali 671000，China）

Abstract：The paper introduces the development process and contents of structural morphology，and analyzes typical architectural structure system.Starting from aspects of high-rise and tower structure and spatial structure，it describes the application of structural morphology in modern buildings，which has provided some guidance for creating and developing architectural structure system in future.

Key words：structural morphology，structural system，spatial structure

中圖分類號：TU-05

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0042-04

收稿日期：2015-12-18

作者簡介：殷霞（1977-），女，工程碩士，講師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)師