結構形態學在現代建筑應用中的探討

殷霞（云南建設學校土木工程教學部，云南　大理　671000）

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結構形態學在現代建筑應用中的探討

殷霞
（云南建設學校土木工程教學部，云南大理671000）

摘要：介紹了結構形態學的發展歷程及涵蓋內容，對大量的典型建筑結構體系進行了分析，并從高層和高聳結構、空間結構等方面，闡述了結構形態學在建筑設計中的應用，為今后建筑結構體系的創新發展提供了參考依據。

關鍵詞：結構形態學，結構體系，空間結構

形態學是研究生物形體的本質特征，生物內在功能與外部形體協調統一的學說［2］。生物通過漫長的進化，演變出了能夠經受住各種環境和時間考驗的合理的生理結構，自然界的各種結構形成為理想的建筑構思源泉。古代建筑工匠們感受到各種生物中透出的形與力的關系，將之應用在各種古代工程中，由此建造出了很多經典的建（構）筑物，但這種聯系是不自覺的，發展非常緩慢。直到1991年成立的“結構形態學”工作組（SMG）首次提出了“結構形態”（Structural Morphology）這一概念，形態學思想被正式引入建筑結構領域。隨著研究的深入，結構形態學逐漸發展成為一門內容涵蓋了仿生學、幾何學、力學、物理、數值分析技術、建筑美學等多學科的涉及領域廣泛的交叉學科。結構形態學是從整體上研究結構形式與其受力性能的相互關系，尋求二者的協調統一，實現以合理、自然、高效為目標的結構美學［2］。為適應各種建筑的需要，創造視覺上的“形態”，結構形態可以在兩個方面起作用：第一是“力學上的形態”，即由平衡形狀與力流得到的“形與力的結構形態”；第二是“幾何學形態”，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，甚至是脫離簡單的幾何形式，得到更自由、更有機的形態［1］。

當代，人們對建筑的需求早已不再只是遮風避雨，人們需要高品質的、有深刻文化內涵的建筑物。隨著新材料、新技術、新工藝的發展和應用，現代建筑的發展日新月異，具有創新性，甚至是革命性的建筑正不斷涌現，而結構形態學是推動這些新建筑實現的重要靈感源泉。以下將結合幾類典型的結構體系來探討結構形態學在現代建筑中的應用和發展。

1　高層和高聳結構

竹子、稻桿具有的特別形態（橫向呈圓形中空、沿高度逐漸收進，隔一定長度有一個節）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的內涵融入到“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構。在現代，結合更先進的材料、分析技術和工藝，這種結構形態逐漸發展成“筒體結構”，但隨著建筑高度的不斷增加，“剪力滯后”效應（如圖2所示）嚴重影響筒體的空間工作性能。為減輕“剪力滯后”效應，法茲勒·R·坎恩將筒體結構的概念創造性的應用、延伸和發展，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省，實現了巨大的經濟效益［1］。

結構形態不僅對高層建筑的結構體系有影響，還對高層建筑的平、立面外形等具有指導意義。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則、對稱，那么它將更容易滿足安全性能、使用性能、經濟性能方面的要求，而這些思想也成為建筑“概念設計”哲學的重要組成部分。

圖1　大理崇圣寺千尋塔

圖2　剪力滯后效應

2　空間結構

空間結構包括梁肋體系、拱結構體系、桁架體系、網架體系、薄殼結構、網殼結構、懸索結構、懸掛（斜拉）結構、充氣結構、索膜結構、各種雜交結構等。已有的空間結構體系按照受力情況基本上可分為：剛性體系（拱券、折板、薄殼、網架、網殼、空間桁架等）；柔性體系（索結構、膜結構、索膜結構、張拉集成體系等）；雜交體系（拉索—網架、拉索—網殼、拱—索、索—桁架、張弦梁等）和其他體系（自由曲面結構、自由拓撲結構等）。

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，結構內部受力以軸壓力為主，彎矩、剪力都趨于零，穹頂結構、殼體結構與拱有共同的受力特點。基于磚、石等材料砌筑的砌體結構和混凝土結構都有抗壓強度高，抗拉強度低的特點，這些材料都非常適合建造以受壓為主的結構。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。拱向空間發展成為穹頂和穹窿結構（每當看到龜的外殼就不由得想到這種結構形式，見圖5），提高了結構的整體性，空間的規模和建筑的自由度由此發生了質的變化。但這類建筑存在一個重要的問題是如果拱腳的基礎或支座不能提供強大的水平推力，則會引起結構的坍塌。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的威脅是嚴重的，并在多次地震后，穹頂都出現塌落。直到現代，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，通過側廊外墻的飛梁將拱腳產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，利用小尖塔產生的重力，使石砌扶壁中不產生拉力。這些精美的結構正是“材料、造型與結構的藝術”三者高度融合的產物［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）

在現代隨著鋼筋混凝土的大量使用，工程師受到“蛋殼”的啟發，發展出由曲面形板和邊緣構件（梁、拱或桁架）組成的殼體結構，被廣泛的應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）筑物中。西班牙結構師愛德華·特羅哈1959年創立了IASS（現在的國際殼體及空間結構學會），對殼體結構的發展做出極大貢獻。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

人們可以從風中搖曳的蜘蛛網聯想到懸索結構（見圖8），從帆船的桅桿和風帆聯想到索膜結構（見圖9）。這些由柔性材料制成的結構需要通過施加適當的預張力獲得穩定的形狀，以構件受拉來抵抗外荷載，故統稱為張力結構［1］（有趣的是將索固化反轉就成拱，純拉體系轉化為純壓體系），這種結構類型具有輕盈、高效的特點。張力結構設計首先需要解決的問題是尋求符合建筑功能及美學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張力。在形態學發展早期，張力結構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構受力狀態，獲得預期的建筑形狀，再通過對模型的量測、按比例放大，實現工程設計［2］。當前張力結構初始形態的確定以數值分析方法為主，針對實際工程，通過初始形態分析，可獲得既符合建筑功能要求，又具有合理預應力分布的初始形態。

圖9　索膜結構

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，這會對基礎設計和抗震設計不利；柔性體系質輕，但剛度過小，體系復雜、穩定性差，圍護構件比較難安裝；雜交體系則是受壓部分采用剛性構件，而受拉部分采用柔索，既保證體系有足夠的剛度和穩定性，又使結構的質量較輕，能實現體系自平衡，是目前在大跨度預應力空間結構中很有發展前景的結構體系類型。雜交體系主要包括張弦梁結構（BSS）、環形索桁結構等。

張弦梁結構（如圖10所示）是一種由剛性構件（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構體系［1］。張弦梁結構的受力特點是先在下弦拉索中施加預應力使上弦壓彎構件產生反撓度，這樣能減少結構在荷載作用下的最終撓度，而撐桿作為上弦壓彎構件的彈性支撐，起到有效改善上弦壓彎構件受力性能的作用，下弦的拉索承受所有的拱腳水平推力，減輕了支座的負擔。由此可見，張弦梁結構可充分發揮剛柔兩種材料的優勢，改善整體結構受力性能，使壓彎構件和受拉構件取長補短，協同工作，達到自平衡，形成量輕而承載力及剛度都較好的結構體系。張弦梁結構中的兩類構件雖然分工明確，但復合方式多種多樣，可以形成千變萬化的形態，所以張弦梁結構的形態定義是很值得研究的課題。

從車輪輻條結構概念提出的環形索桁結構也是在大跨度空間結構中應用較多的雜交體系（見圖11）。環形索桁結構是由外部受壓環與內部受拉環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凹形和外凸形。依據車輪輻條原理，環形索桁結構還可以延拓出一系列豐富多彩的結構形式。

2.4其他體系

空間結構的傳統造型都是基本圖形利用切割、傾斜、連接、旋轉及相貫等方式得到的各種各樣的形態，例如：球面、柱面、鞍面等規則曲面及其組合。“自由曲面”是指無法用單個或幾個解析函數表達的曲面，即為那些明顯區別于傳統造型的曲面［5］。“形態創建”是生成有機形態的自由曲面，并實現曲面多樣性與受力合理性有機結合的前提。自由曲面形態創建的方法分為：模型實驗方法和基于優化思想的數值方法等。在計算機普遍應用于工程之前，模型實驗方法是實現結構形態創建的主要方法。高迪的“倒吊掛試驗”［1］應用在圣家族教會大教堂（如圖12所示）的結構找形中，不僅創造了耀眼奪目的奇特造型，而且實現力、材料和構筑方法的合理統一。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），通過調整約束條件，可以獲得符合要求的各種自由曲面。現在隨著計算機技術的發展，“皂膜實驗”“反吊實驗”可以通過數值模擬實現，并逐漸形成了基于優化思想的數值形態創建方法，其基本思路是將自由曲面的幾何建模技術與結構優化算法結合，以結構的合理受力為優化目標，采用適當的優化算法，獲得一系列符合要求的，可供建筑師選擇的自由曲面形態。

圖11　外凸式環形索桁結構

圖12　圣家族大教堂內部（高迪采用倒吊掛實驗法為結構找形）

自由拓撲結構是基于優化思想的數值分析方法，形成構件布置或開洞情況等明顯與傳統規則方式不相同的結構形態。自由拓撲結構與傳統結構形態比較，具有造型更自由新穎、構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用，是新型結構形態創建的熱點方向之一。自由拓撲結構可分為：連續型自由拓撲結構（例如北京奧運會場館：“水立方”）、離散型自由拓撲結構（例如北京奧運會場館：“鳥巢”）和樹狀結構［6］（如圖14所示）等。

圖13　逆吊實驗法

圖14　樹狀結構

3　結語

當代的建筑是國際化和地方性完美融合的建筑，是節能的、與自然共生的、可持續發展的“生態建筑”。結構體系的創新將是推動當代建筑向著這些目標邁進的重要因素之一。好的結構體系不僅有新穎的結構形式，還應該能很好的滿足建筑功能要求，滿足受力合理、體形優美和經濟高效的要求，同時還能符合建筑技術（包括材料、構造和工藝等）的發展。對結構形態的研究可以培養出良好的結構直覺，為結構體系的創新提供不斷的靈感源泉，而結構體系的實踐反過來可以充實、發展結構形態學。基于當前計算機強大的功能，關于結構形態的研究已經進入一個嶄新的、異彩紛呈的時代。當然，值得所有工程人員注意的是，結構體系的創新需要有新奇創意的思想，但更需要嚴肅審慎的態度，只有同時具備了這兩個條件，建筑的發展才會有美好的未來。

參考文獻：

［1］齋藤公男.空間結構的發展與展望：空間結構設計的過去·現在·未來［M］.季小蓮，徐華，譯.北京：中國建筑工業出版社，2006.

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［3］潘秀珍.空間結構［M］.北京：中國建筑工業出版社，2013.

［4］高立人，方鄂華，錢稼茹.高層建筑結構概念設計［M］.北京：中國計劃出版社，2005.

［5］李欣，武岳，崔昌禹.自由曲面結構形態創建的NURBSGM方法［J］.土木工程學報，2011，44（10）：60-66.

［6］武岳，張建亮，曹正罡.樹狀結構找形分析及工程應用［J］.建筑結構學報，2011，32（11）：162-168.

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

文獻標識碼：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，國家一級注冊結構師