• 2016/7/15 15:48:00
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结构工程的发展，自工业革命以来发生了几次井喷式的大发展，产生过许许多多的优秀工程师和美轮美奂的传世之作。既然题目限定为近百年来，为方便起见，我把叙述范围限定为自20世纪初以来大规模应用于建筑结构领域的新材料，包括钢筋混凝土、高强结构钢、钢索、玻璃、膜、现代意义上的工业加工木材。讨论的范围不包括新材料的本构关系与其力学性能、计算方法之间的关系，仅着眼于新材料与结构体系、结构选型之间的关系。 

 

钢筋混凝土→结构艺术

 

钢筋混凝土出现于19世纪末期，在20世纪初开始大规模应用于建筑结构领域，并迅速得到广大结构工程师的喜爱。即使在21世纪的今天看来，钢筋混凝土依然是人类所能想到的最完美的建筑结构材料。不仅仅是力学性能、耐久性、经济性能优秀，更重要的是，混凝土具有前所未有的极其优异的可塑性能，让人类终于可以完成自由形状的结构形式。各种各样的几何形状，只要你想得到，并且能用木材、塑料、或者钢材做出模板来，在其中浇筑混凝土就能得到这个形状的混凝土结构。结构设计与雕塑艺术的界限变得模糊起来，这一点是钢材、木材、砖石材料几乎永远无法做到的。 

 

 钢筋混凝土和钢材→结构框架与建筑外皮的分离

 

梁柱框架可以称之为20世纪的代表性结构体系，这样的结构形式不可能由之前占主导地位的砖石材料实现。框架结构的概念在20世纪初期出现，随着弯矩分配法、D值法等力学计算方法的成熟和钢材、钢筋混凝土这两种合适材料的发展而迅速普及。框架体系的意义在于使得结构骨架与建筑外皮彻底分离，一定意义上，结构工程师与建筑师的职责彻底分道扬镳。对于砖石砌体结构，建筑表皮和结构骨架其实是同一个东西，就是那些厚重的砌体墙。框架结构的出现，不仅仅让结构高度可以提高、重量可以减轻，更重要的是，它让建筑物的外皮彻底解放，不再承担任何结构作用。 

 

高强结构钢→超现实结构

 

随着建筑思潮的发展，建筑的语义、文脉发生了剧烈的变化，出现了很多前所未有的设计。我用“超现实结构”这个词，指代类似CCTV新楼、鸟巢、深圳证券交易所这样的新奇结构。20世纪40年代到50年代是混凝土壳的鼎盛时期，现在则是空间钢网格结构的时代。现代的高强结构钢，以各种各样的形式出现在建筑结构中，把一个个令人瞠目结舌的设计从蓝图变为现实。

 

钢索→张拉整体体系

 

从力学概念上来说，轴心拉压的效率要远胜受弯，但之前的砖石材料几乎没有受拉性能。随着钢索这种具有极强受拉能力的材料出现，全部构件都保持轴心受力状态的结构体系成为现实。

 

玻璃+索网→索网玻璃体系

 一定意义上，建筑是一门操纵光的艺术。玻璃是完成这个使命的绝佳材料，早在中世纪的大教堂里，彩色玻璃已经开始充当极其重要的角色。但受制于玻璃本身的力学性能，其应用受到了很多限制。

 

随着现代钢材的发展成熟，由纤细的金属框格甚至是金属索网搭配玻璃组成的玻璃穹顶或者幕墙得以实现。大家最熟悉的例子应该是贝聿铭的卢浮宫金字塔。约格·施莱希的大批作品都堪称是索网玻璃体系的精品，比如上图中的汉堡城市历史博物馆玻璃屋顶和下图中的慕尼黑凯宾斯基酒店玻璃幕墙。

 

膜材料→膜结构/充气结构

 

20世纪涌现的众多优秀新材料之一就是膜材料，虽然过去也有类似概念的膜材料和膜结构，比如游牧民族的毡房，但其性能、耐久性都不太令人满意。现代膜材料的出现为现代轻型结构的设计提供了新的选择。弗雷·奥托与约格·施莱希设计的1972年慕尼黑奥运会主体育场就是现代膜结构的代表作。

 

此外，膜材料还为充气结构的实现提供了绝佳的材料。充气结构可以分为两种，第一种是作为主体结构的充气结构，比如川口卫设计的1970年日本大阪世博会上的富士馆，就是一个典型的充气结构。日常生活常见的各种商业活动放置的充气拱门，也可以看做这样的充气结构。第二种则是作为局部结构的充气结构，比如水立方的ETFE膜充气气泡外墙。对于水立方追求的这种特殊视觉效果，玻璃、塑料等传统材料都不太合适，可能只有充气膜能完美的达成这种朦朦胧胧的设计意图。

 

现代工业化木材→现代木结构

 

木材是一种历史很悠久的建筑结构材料。在我国主要是以穿斗框架的形式存在，在北美的拓荒期则是那种原木垒成的小木头房子。随着现代木材工业的建立，天然木材进一步深加工为类似型钢的标准化“型木”以及其它胶合木材、复合木材，木材的利用效率和应用范围得到了大幅提高。尤其是工业标准化的所谓2乘4体系，在北美地区已经成为绝对的市场主流，超过80%的北美住宅都是采用工业标准化木材的木剪力墙体系。木材的力学性能虽然不是很突出，但其强度质量比相对比较高，且受拉受压性能平均，有一定的延性，可以看作是整体弱化了的钢材。从这一点出发，木材也能达成类似于钢材的效果。

 

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