結(jié)構(gòu)概念體系

#'?'I-'?'I-礪■匚百度凍漪1.1悉尼歌劇院簡(jiǎn)介凡是去澳大利亞旅游的人，沒(méi)有不去悉尼的;去悉尼，必然會(huì)去參觀悉尼歌劇院?？梢赃@樣說(shuō)，悉尼歌劇院現(xiàn)在是悉尼甚至是澳大利亞的一個(gè)標(biāo)志。悉尼歌劇院位于悉尼灣一側(cè)的班尼朗半島上，距港灣大橋很近,位置十分顯要，是各國(guó)船只進(jìn)出港時(shí)必經(jīng)之地。它不同于一般方盒子式房屋組成的建筑群，而是在堅(jiān)實(shí)平整的基座上建造了幾組活躍起伏的殼體屋蓋組成的、造型奇特的建筑群，像群帆泊港，又似白鶴飛翔，格外引人注目。應(yīng)該說(shuō)，從建筑的角度看，它是很有特色的。8個(gè)殼體分成兩組，每組4個(gè)，分別覆蓋2個(gè)大廳;另外有2個(gè)小殼體置于餐廳之上。兩組殼體對(duì)稱(chēng)互靠，外貼乳白色面磚,給人以豐富的聯(lián)想:好像白帆，又如貝殼，姿同海浪，貌了以蓮花。這個(gè)杰作出自38歲的丹麥建筑師伍重之手，它是從30個(gè)國(guó)家參加競(jìng)賽的二百多個(gè)建筑方案中脫穎而出的，一舉奪標(biāo),不可不稱(chēng)之出類(lèi)拔萃。盡管有人批評(píng)它是功能遷就形式,但它能突破傳統(tǒng)的建筑形式，標(biāo)新立異，刻意創(chuàng)新，大家從建筑設(shè)計(jì)的角度上大力贊美它，應(yīng)該說(shuō)還是不過(guò)分的。悉尼歌劇院共耗時(shí)14年，斥資1200萬(wàn)澳幣，于1973年10月20日正式竣工開(kāi)幕。歌劇院內(nèi)部有許多地方是用法國(guó)進(jìn)口的玻璃所鑲嵌，配上澳洲獨(dú)有的建材材料，其內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)則是仿效瑪雅文化和阿茲特克神廟。外面的玻璃是由法國(guó)制造的雙層玻璃一-色及黃玉色，共有700種尺寸、2000片。悉尼歌劇院是世界著名藝術(shù)表演場(chǎng)地，每年舉辦約2400次活動(dòng)，曾邀請(qǐng)紐約愛(ài)樂(lè)、德國(guó)碧娜.鮑許烏帕塔舞蹈劇場(chǎng)(TanztheatreWuppertalPinaBausch)、菲利浦.葛拉斯樂(lè)團(tuán)(ThePhilipGlassEnsemble)等國(guó)際團(tuán)體，并獲得伊麗莎白女王、美國(guó)總統(tǒng)福特、柯林頓、南非總統(tǒng)曼德拉、聯(lián)合國(guó)前安理會(huì)總理安南等眾多國(guó)際名人造訪(fǎng)，為歌劇院增添許多光采。2007年被聯(lián)合國(guó)教科文組織評(píng)為世界文化遺產(chǎn)。[1]1.2結(jié)構(gòu)上存在的不足不過(guò)，這位杰出的建筑師對(duì)悉尼歌劇院的結(jié)構(gòu)方案卻考慮的太少了。這個(gè)建筑方案中選后，邀請(qǐng)世界著名的結(jié)構(gòu)工程師幫助作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)果經(jīng)過(guò)近三年的研究,得出的結(jié)論是:只能放棄它的殼體方案。為什么呢?因?yàn)橄つ岣鑴≡旱慕ㄖ桨鸽m然好得無(wú)以復(fù)加,但其結(jié)構(gòu)方案有一個(gè)致命的缺點(diǎn):選錯(cuò)了結(jié)構(gòu)型式。大家知道如果殼體屋蓋都是凸面向上平放當(dāng)受重力作用時(shí),可通過(guò)殼體的薄膜壓應(yīng)力來(lái)抵抗外荷載;當(dāng)受風(fēng)力作用時(shí)，所受的向上風(fēng)吸力，只要小于殼體自重,一般也無(wú)害。所以殼體的優(yōu)越性是在重力作用下，其產(chǎn)生的大部分內(nèi)應(yīng)力是壓應(yīng)力,對(duì)混凝土這種耐壓性能好的材料，采用殼體結(jié)構(gòu)型式是十分合適的，但悉尼歌劇院的殼體屋蓋不是平放,而是斜向懸挑，這樣殼體受到重力作用時(shí)，其內(nèi)應(yīng)力根本不是薄膜壓應(yīng)力，殼體的優(yōu)越性完全沒(méi)有了。特別是受風(fēng)力作用時(shí)，如風(fēng)力施加于殼體凸面,則在與殼體自重的聯(lián)合作用下，更會(huì)增加殼體的傾覆傾向。所以斜向懸挑放置的殼體屋蓋,其內(nèi)力不全是壓力,而存在力矩,這樣就不能采用厚度很薄的殼體。所以建筑師要求殼體厚度用100?（屋頂處）和500?（基座處）根本不可能實(shí)現(xiàn)。但是,悉尼歌劇院的建筑形式的確太好了，人們舍不得放棄它，只好保留其外在形式，而改變其結(jié)構(gòu)內(nèi)涵。即悉尼歌劇院的建筑形式雖像殼體,但它本質(zhì)上不屬于殼體結(jié)構(gòu)，而是由許多大小不同的三鉸拱并歹嚼接而成的“殼體”每個(gè)三鉸拱的截面從拱頂?shù)焦澳_是由Y形變化到T形,拱肋高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑師期望的殼體厚度。由許多三鉸拱并列而成的“殼體”，外表面呈球面形狀，其凹面形成招風(fēng)的“口袋”，因此拱在風(fēng)吸力作用下，其受力狀態(tài)與平常拱在重力荷載作用下的情況完全相反，拱內(nèi)力不是受壓，而是受拉，必須利用拱的自重和施加預(yù)應(yīng)力才能抵消其拉力。拱在風(fēng)荷載和自重作用下所引起的整體傾覆問(wèn)題，則需在拱腳采取抗拉措施解決。這樣，一個(gè)外形氣殼體、實(shí)際為一系列三鉸拱并列拼接的結(jié)構(gòu),就成了今天的悉尼歌劇院。它實(shí)在違背結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理，只能說(shuō)是一個(gè)湊合的結(jié)構(gòu)。它成就了悉尼歌劇院的建筑外形,但不能認(rèn)為是一個(gè)今后值得效仿的、比較理想的結(jié)構(gòu)形式。1.3對(duì)于原設(shè)計(jì)不足的解決方案通過(guò)對(duì)悉尼歌劇院的結(jié)構(gòu)分析可以知道歌劇院總體上屬于拱的大跨度結(jié)構(gòu)體系,而非表面上所顯示的殼結(jié)構(gòu)體系?？勺畛踅ㄖ煹脑O(shè)計(jì)不單沒(méi)有規(guī)律，各扇型結(jié)構(gòu)都有不同的彎曲度，完全沒(méi)有邏輯可言，而且不同的彎曲面是互相接觸的，但在無(wú)規(guī)律彎曲面的接合上,是很難確保施工的品質(zhì)管理。為了方便工程上的管理上，各扇型的單元便歸一至類(lèi)似的彎曲度，各部件只是比例上的不同。因此便可以用預(yù)制件的方式來(lái)制做各混凝土的部件，而不用在現(xiàn)場(chǎng)做模，品質(zhì)管制方面便容易處理。至于結(jié)構(gòu)承重則是更大的問(wèn)題，因?yàn)樵?960年時(shí)還未有任何工程師設(shè)計(jì)過(guò)這樣的扇型的蛋型結(jié)構(gòu)，而且由于室內(nèi)是劇院的關(guān)系，是不可以在柱和梁來(lái)承擔(dān)屋頂?shù)闹亓俊Ｔ谧畛醯脑O(shè)計(jì)是把打算用混凝土作為結(jié)構(gòu)外墻，但這樣并不能夠使這樣的外型成為獨(dú)立的安全結(jié)構(gòu)，之后工程師不斷地研究不同的方法，如在屋脊上加入鋼結(jié)構(gòu)框架，并屋頂建造成厚厚的結(jié)構(gòu)墻。不過(guò)，最終的方法是使用了折合式的混凝土結(jié)構(gòu)墻，情況就好像一個(gè)彎曲了的屏風(fēng)一樣,利用折合多層的結(jié)構(gòu)來(lái)支撐屋頂，每一層的折合便有如一個(gè)拱門(mén)一樣，這樣便能承重亦不破壞原有設(shè)計(jì)外型的彎曲度。通過(guò)薄殼結(jié)構(gòu)形成的貝殼或者帆狀的屋頂表達(dá)了建筑師對(duì)于這一基地的特殊理解與感受力，盡管后來(lái)由于結(jié)構(gòu)上的原因，將殼結(jié)構(gòu)改為拱體結(jié)構(gòu)，但依然表達(dá)了設(shè)計(jì)將形式與結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理念。1.4從實(shí)務(wù)角度分析其價(jià)值首先，由于這樣的外型而大跨度的結(jié)構(gòu)是前所未有的，工程師都未必知道折合式的結(jié)構(gòu)是否適合，所以便利用了電腦作結(jié)構(gòu)分析，這亦是世界第一次使用電腦作結(jié)構(gòu)計(jì)算的工程,創(chuàng)了建筑工程的先河。其次,可以說(shuō)，倘若沒(méi)有這一世界頂尖結(jié)構(gòu)工程公司的鼎力協(xié)助，約翰?伍重設(shè)計(jì)的歌劇院可能會(huì)成為“紙上談兵”建筑方案設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從最初優(yōu)美的殼形但卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)到經(jīng)過(guò)幾年艱辛的探索最終采用拱結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)建筑師的設(shè)計(jì)理念的過(guò)程，反映了建筑師追求建筑形式與建筑結(jié)構(gòu)的辨證統(tǒng)一，同時(shí)建筑結(jié)構(gòu)亦成為了建筑設(shè)計(jì)欲表達(dá)寓意的豐富因子之

O最后，不得不承認(rèn)其實(shí)他們很幸運(yùn)，因?yàn)檫@項(xiàng)目是由國(guó)家彩票基金處支持，資金方面可謂源源不絕，否則又怎可能用12年時(shí)間來(lái)修改設(shè)計(jì)，成本又大幅增加數(shù)倍，可想而知其耗資的巨大，經(jīng)典不是這樣容易發(fā)生。二、組合結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的完美呈現(xiàn)一一香港中銀大廈為例香港中國(guó)銀行大廈，由貝聿銘建筑師事務(wù)所設(shè)計(jì)，1990年完工?？偨ㄖ娣e12.9萬(wàn)平方米，地上70層，樓高315米，加頂上兩桿的高度共有367.4米。建成時(shí)是香港最高的建筑物，亦是美國(guó)地區(qū)以外最高的摩天大廈。結(jié)構(gòu)采用4角12層高的巨形鋼柱支撐，室內(nèi)無(wú)一根柱子。仔細(xì)觀察中銀大廈，會(huì)發(fā)現(xiàn)許多貝氏作品慣用的設(shè)計(jì)，以平面為例，中銀大廈是一個(gè)正方平面，對(duì)角劃成4組三角形，每組三角形的高度不同，節(jié)節(jié)高升，使得各個(gè)立面在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膸缀我?guī)范內(nèi)變化多端，至于平面的概念，可以溯至1973年的馬德里大廈，馬德里大廈亦是以方正的正面做多邊的分割，分析其組合，乃系兩個(gè)平等四邊形的變化。外型像竹子的“節(jié)節(jié)高升”，象征著力量、生機(jī)、茁壯和銳意進(jìn)取的精神；基座的麻石外墻代表長(zhǎng)城，代表中國(guó)。中銀大廈樓高加上當(dāng)?shù)嘏_(tái)風(fēng)季節(jié)強(qiáng)勁的風(fēng)力,使得建筑物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)需要非比尋常的解決方式，結(jié)構(gòu)工程師羅伯森，這位ENR雜志1989年的風(fēng)云人物，向貝氏建議采用合成的超強(qiáng)結(jié)構(gòu)體，即以鋼組構(gòu)成盒狀，內(nèi)灌注混凝土，以之做為抗風(fēng)力暨承重的主干。仔細(xì)觀察中銀大廈，會(huì)發(fā)現(xiàn)許多貝氏作品慣用的設(shè)計(jì)，以平面為例，中銀大廈是一個(gè)正方平面，對(duì)角劃成4組三角形，每組三角形的高度不同，節(jié)節(jié)高升，使得各個(gè)立面在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膸缀我?guī)范內(nèi)變化多端，至于平面的概念，可以溯至1973年的馬德里大廈，馬德里大廈亦是以方正的正面做多邊的分割，分析其組合，乃系兩個(gè)平等四邊形的變化。建筑立面猶如一把鋒利的劍，劃破蒼穹。整座大廈的立面，以藍(lán)灰色玻璃作為幕墻，它貫灰色穿以規(guī)范的45穿以規(guī)范的450角的斜向裝飾線(xiàn)，使由下至上的三角飾線(xiàn)，產(chǎn)生重疊感，又在重疊中發(fā)生變化，從而有了向上的動(dòng)感，形成一種頗為突出的風(fēng)格。創(chuàng)意來(lái)源于竹子，中國(guó)古人有這么一句格言：寧可食無(wú)肉，不可居無(wú)竹?！必愴层懻菑闹袊?guó)

古代的文學(xué)藝術(shù)中，汲取到這么一個(gè)美好的創(chuàng)意。這與貝聿銘一貫強(qiáng)調(diào)的建筑藝術(shù)觀相吻合的。[2]2.2整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)大樓為鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)巨型桁架體系，并充分地發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)勢(shì)，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到了減低用鋼量和節(jié)約投資的良好效果。大樓的主體結(jié)構(gòu)由沿正方形平面周邊和對(duì)角線(xiàn)布置的平面巨型鋼桁架形成的空間支撐體系組成，有以下一些特點(diǎn)：1?采用巨型空間桁架作為主要承重體系，由于桁架桿件受軸力，沒(méi)有剪力滯后，結(jié)構(gòu)效能高，用鋼省并剛度大。整座大樓采用由8片平面支撐和5根型鋼混凝土柱所組成的混合結(jié)構(gòu)“大型立體支撐體系”，在改進(jìn)結(jié)構(gòu)性能方面具有如下獨(dú)到之處:采用幾何不變的軸力代替幾何可變的彎曲桿系，來(lái)抵抗水平荷載，更加經(jīng)濟(jì)有效。2?在體型上采用了束筒的手法，單元筒體斷面為三角形，有利于減少風(fēng)荷載和避免橫向風(fēng)振。而且貝聿泯銘采用合成的超強(qiáng)結(jié)構(gòu)體，即以鋼組構(gòu)成盒狀，內(nèi)灌構(gòu)體，即以鋼組構(gòu)成盒狀，內(nèi)灌注混凝土，以之做為抗風(fēng)力暨承注混凝土，以之做為抗風(fēng)力暨承重的主干。這樣就大大增強(qiáng)了大廈的穩(wěn)固性廈的穩(wěn)固性。3.各巨型鋼桁架交匯于巨型鋼骨混凝土立柱，落地的四角立柱底部截面向上逐漸減少，其中埋置屬于三個(gè)桁架平面的三根丁字型鋼柱。用混凝土柱體現(xiàn)了充分利用混凝土抗壓強(qiáng)度的思想，大量節(jié)約了鋼材。4?利用多片平面支撐的組合，形成一個(gè)立體支撐體系，使立體支撐在承擔(dān)全部水平荷載的同時(shí)，還承擔(dān)了高樓的幾乎全部重力，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了立體支撐抵抗傾覆力矩的能力。將抵抗傾覆力矩用的抗壓和抗拉豎桿件，布置在建筑方形平面的4個(gè)角，從而在抵抗任何方向的水平力時(shí)，均具有最大抗力矩的力偶臂。利用立體支撐及各支撐平面內(nèi)的鋼柱和斜桿,將各樓層重力荷載傳遞至角柱,加大了樓層重力荷載作為抵抗傾覆力矩平衡重的力偶臂，從而提高了作為平衡重的有效性。[3]2.3藝術(shù)與結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合貝聿銘的創(chuàng)意，是來(lái)源于竹子一一這一點(diǎn)撥，我們馬上便聯(lián)想到竹筍向上的一個(gè)個(gè)三角尖片。中國(guó)古人有這么一句格言：“寧可食無(wú)肉，不可居無(wú)竹?！币簿褪钦f(shuō)，居住之處務(wù)必有竹，有竹方高雅，有竹方幽靜，有竹方見(jiàn)人的品格一一自古以來(lái)，吟誦竹子的名詩(shī)名句，可謂數(shù)不勝數(shù)。貝聿銘正是從中國(guó)古代的文學(xué)藝術(shù)中，汲取到這么一個(gè)美好的創(chuàng)意。這也是與他一貫強(qiáng)調(diào)的建筑藝術(shù)觀相吻合的，他曾不止一次地指出：建筑與藝術(shù)，雖然各有不同，可其實(shí)質(zhì)卻是一致的，他的目標(biāo)，便是尋求二者之間的和諧統(tǒng)一。[4]三、其他具有代表性的建筑的關(guān)于結(jié)構(gòu)組合的優(yōu)缺點(diǎn)說(shuō)到缺點(diǎn)，不能不說(shuō)鳥(niǎo)巢，它只為了追求藝術(shù)效果，完全不考慮經(jīng)濟(jì)性，受力傳力不合理，不明確，材料不能很好發(fā)揮其作用。用鋼量巨大，大約達(dá)到了500kg/m2,—些同規(guī)模的體育場(chǎng)館，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得合理，用鋼量會(huì)在100kg/m2以下。像這種大跨度空間結(jié)構(gòu)，材料利用效率最高的應(yīng)該就是索穹頂結(jié)構(gòu)，同樣的跨度用鋼量會(huì)在50kg/m2左右，好像美國(guó)亞特蘭大體育館就是。再一個(gè)比較有名的就是央視大樓，完全不考慮基本的力學(xué)規(guī)律，很大跨度的懸挑，內(nèi)力可想有多大，它非常的浪費(fèi)材料，而且結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，對(duì)抗震很不利，再一個(gè)，施工難度也會(huì)加大，成本就不用說(shuō)了，關(guān)鍵它的造型這也不一定能符合大眾的審美。[:5]最后再說(shuō)一下，沈陽(yáng)的方圓大廈，也是大跨度懸挑，只為了造型的好看，不考慮內(nèi)力，材料用量大，施工難度大。[6]缺點(diǎn)多的建筑很多，同樣巧妙利用了本身受力特點(diǎn)的建筑物也很多。類(lèi)似北京石景山體育館、哈爾濱工業(yè)大學(xué)體育館、北京朝陽(yáng)體育館、哈爾濱速滑館等等,他們都很好的利用了自身結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，而且也是造型別致，是很好的科技與藝術(shù)結(jié)合的典范。四、對(duì)未來(lái)的展望目前來(lái)說(shuō)，我們土木工程的方向會(huì)有向大跨房展的趨勢(shì)，而且各種建筑會(huì)越來(lái)越高，地下結(jié)構(gòu)也會(huì)做的越來(lái)越大。這就需要更好的耐久性，穩(wěn)定性，材料的強(qiáng)度會(huì)越來(lái)越高，與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)布置的合理性要求也越來(lái)越高，一個(gè)好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可以美觀，給人帶來(lái)視覺(jué)盛宴，更會(huì)利用好組合結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料，并且達(dá)到更好的穩(wěn)定性，耐久性。我們應(yīng)該打扎實(shí)理論基礎(chǔ)，不斷學(xué)習(xí)，將結(jié)構(gòu)概念體系發(fā)展到