結構概念體系

#'?'I-'?'I-礪■匚百度凍漪1.1悉尼歌劇院簡介凡是去澳大利亞旅游的人，沒有不去悉尼的;去悉尼，必然會去參觀悉尼歌劇院。可以這樣說，悉尼歌劇院現(xiàn)在是悉尼甚至是澳大利亞的一個標志。悉尼歌劇院位于悉尼灣一側的班尼朗半島上，距港灣大橋很近,位置十分顯要，是各國船只進出港時必經(jīng)之地。它不同于一般方盒子式房屋組成的建筑群，而是在堅實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。應該說，從建筑的角度看，它是很有特色的。8個殼體分成兩組，每組4個，分別覆蓋2個大廳;另外有2個小殼體置于餐廳之上。兩組殼體對稱互靠，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。這個杰作出自38歲的丹麥建筑師伍重之手，它是從30個國家參加競賽的二百多個建筑方案中脫穎而出的，一舉奪標,不可不稱之出類拔萃。盡管有人批評它是功能遷就形式,但它能突破傳統(tǒng)的建筑形式，標新立異，刻意創(chuàng)新，大家從建筑設計的角度上大力贊美它，應該說還是不過分的。悉尼歌劇院共耗時14年，斥資1200萬澳幣，于1973年10月20日正式竣工開幕。歌劇院內(nèi)部有許多地方是用法國進口的玻璃所鑲嵌，配上澳洲獨有的建材材料，其內(nèi)部建筑結構則是仿效瑪雅文化和阿茲特克神廟。外面的玻璃是由法國制造的雙層玻璃一-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表演場地，每年舉辦約2400次活動，曾邀請紐約愛樂、德國碧娜.鮑許烏帕塔舞蹈劇場(TanztheatreWuppertalPinaBausch)、菲利浦.葛拉斯樂團(ThePhilipGlassEnsemble)等國際團體，并獲得伊麗莎白女王、美國總統(tǒng)福特、柯林頓、南非總統(tǒng)曼德拉、聯(lián)合國前安理會總理安南等眾多國際名人造訪，為歌劇院增添許多光采。2007年被聯(lián)合國教科文組織評為世界文化遺產(chǎn)。[1]1.2結構上存在的不足不過，這位杰出的建筑師對悉尼歌劇院的結構方案卻考慮的太少了。這個建筑方案中選后，邀請世界著名的結構工程師幫助作結構設計，結果經(jīng)過近三年的研究,得出的結論是:只能放棄它的殼體方案。為什么呢?因為悉尼歌劇院的建筑方案雖然好得無以復加,但其結構方案有一個致命的缺點:選錯了結構型式。大家知道如果殼體屋蓋都是凸面向上平放當受重力作用時,可通過殼體的薄膜壓應力來抵抗外荷載;當受風力作用時，所受的向上風吸力，只要小于殼體自重,一般也無害。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)應力是壓應力,對混凝土這種耐壓性能好的材料，采用殼體結構型式是十分合適的，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，其內(nèi)應力根本不是薄膜壓應力，殼體的優(yōu)越性完全沒有了。特別是受風力作用時，如風力施加于殼體凸面,則在與殼體自重的聯(lián)合作用下，更會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，而改變其結構內(nèi)涵。即悉尼歌劇院的建筑形式雖像殼體,但它本質(zhì)上不屬于殼體結構，而是由許多大小不同的三鉸拱并歹嚼接而成的“殼體”每個三鉸拱的截面從拱頂?shù)焦澳_是由Y形變化到T形,拱肋高度遠遠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，其凹面形成招風的“口袋”，因此拱在風吸力作用下，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應力才能抵消其拉力。拱在風荷載和自重作用下所引起的整體傾覆問題，則需在拱腳采取抗拉措施解決。這樣，一個外形氣殼體、實際為一系列三鉸拱并列拼接的結構,就成了今天的悉尼歌劇院。它實在違背結構的力學原理，只能說是一個湊合的結構。它成就了悉尼歌劇院的建筑外形,但不能認為是一個今后值得效仿的、比較理想的結構形式。1.3對于原設計不足的解決方案通過對悉尼歌劇院的結構分析可以知道歌劇院總體上屬于拱的大跨度結構體系,而非表面上所顯示的殼結構體系?？勺畛踅ㄖ煹脑O計不單沒有規(guī)律，各扇型結構都有不同的彎曲度，完全沒有邏輯可言，而且不同的彎曲面是互相接觸的，但在無規(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似的彎曲度，各部件只是比例上的不同。因此便可以用預制件的方式來制做各混凝土的部件，而不用在現(xiàn)場做模，品質(zhì)管制方面便容易處理。至于結構承重則是更大的問題，因為在1960年時還未有任何工程師設計過這樣的扇型的蛋型結構，而且由于室內(nèi)是劇院的關系，是不可以在柱和梁來承擔屋頂?shù)闹亓?。在最初的設計是把打算用混凝土作為結構外墻，但這樣并不能夠使這樣的外型成為獨立的安全結構，之后工程師不斷地研究不同的方法，如在屋脊上加入鋼結構框架，并屋頂建造成厚厚的結構墻。不過，最終的方法是使用了折合式的混凝土結構墻，情況就好像一個彎曲了的屏風一樣,利用折合多層的結構來支撐屋頂，每一層的折合便有如一個拱門一樣，這樣便能承重亦不破壞原有設計外型的彎曲度。通過薄殼結構形成的貝殼或者帆狀的屋頂表達了建筑師對于這一基地的特殊理解與感受力，盡管后來由于結構上的原因，將殼結構改為拱體結構，但依然表達了設計將形式與結構相統(tǒng)一的設計理念。1.4從實務角度分析其價值首先，由于這樣的外型而大跨度的結構是前所未有的，工程師都未必知道折合式的結構是否適合，所以便利用了電腦作結構分析，這亦是世界第一次使用電腦作結構計算的工程,創(chuàng)了建筑工程的先河。其次,可以說，倘若沒有這一世界頂尖結構工程公司的鼎力協(xié)助，約翰?伍重設計的歌劇院可能會成為“紙上談兵”建筑方案設計經(jīng)歷了從最初優(yōu)美的殼形但卻無法實現(xiàn)的結構到經(jīng)過幾年艱辛的探索最終采用拱結構來表達建筑師的設計理念的過程，反映了建筑師追求建筑形式與建筑結構的辨證統(tǒng)一，同時建筑結構亦成為了建筑設計欲表達寓意的豐富因子之

O最后，不得不承認其實他們很幸運，因為這項目是由國家彩票基金處支持，資金方面可謂源源不絕，否則又怎可能用12年時間來修改設計，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、組合結構優(yōu)點的完美呈現(xiàn)一一香港中銀大廈為例香港中國銀行大廈，由貝聿銘建筑師事務所設計，1990年完工。總建筑面積12.9萬平方米，地上70層，樓高315米，加頂上兩桿的高度共有367.4米。建成時是香港最高的建筑物，亦是美國地區(qū)以外最高的摩天大廈。結構采用4角12層高的巨形鋼柱支撐，室內(nèi)無一根柱子。仔細觀察中銀大廈，會發(fā)現(xiàn)許多貝氏作品慣用的設計，以平面為例，中銀大廈是一個正方平面，對角劃成4組三角形，每組三角形的高度不同，節(jié)節(jié)高升，使得各個立面在嚴謹?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、茁壯和銳意進取的精神；基座的麻石外墻代表長城，代表中國。中銀大廈樓高加上當?shù)嘏_風季節(jié)強勁的風力,使得建筑物的結構系統(tǒng)需要非比尋常的解決方式，結構工程師羅伯森，這位ENR雜志1989年的風云人物，向貝氏建議采用合成的超強結構體，即以鋼組構成盒狀，內(nèi)灌注混凝土，以之做為抗風力暨承重的主干。仔細觀察中銀大廈，會發(fā)現(xiàn)許多貝氏作品慣用的設計，以平面為例，中銀大廈是一個正方平面，對角劃成4組三角形，每組三角形的高度不同，節(jié)節(jié)高升，使得各個立面在嚴謹?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，使由下至上的三角飾線，產(chǎn)生重疊感，又在重疊中發(fā)生變化，從而有了向上的動感，形成一種頗為突出的風格。創(chuàng)意來源于竹子，中國古人有這么一句格言：寧可食無肉，不可居無竹?！必愴层懻菑闹袊?/p>

古代的文學藝術中，汲取到這么一個美好的創(chuàng)意。這與貝聿銘一貫強調(diào)的建筑藝術觀相吻合的。[2]2.2整體結構特點大樓為鋼-混凝土混合結構巨型桁架體系，并充分地發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)勢，互相取長補短，達到了減低用鋼量和節(jié)約投資的良好效果。大樓的主體結構由沿正方形平面周邊和對角線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：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，沒有剪力滯后，結構效能高，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構“大型立體支撐體系”，在改進結構性能方面具有如下獨到之處:采用幾何不變的軸力代替幾何可變的彎曲桿系，來抵抗水平荷載，更加經(jīng)濟有效。2?在體型上采用了束筒的手法，單元筒體斷面為三角形，有利于減少風荷載和避免橫向風振。而且貝聿泯銘采用合成的超強結構體，即以鋼組構成盒狀，內(nèi)灌構體，即以鋼組構成盒狀，內(nèi)灌注混凝土，以之做為抗風力暨承注混凝土，以之做為抗風力暨承重的主干。這樣就大大增強了大廈的穩(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，形成一個立體支撐體系，使立體支撐在承擔全部水平荷載的同時，還承擔了高樓的幾乎全部重力，從而進一步增強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個角，從而在抵抗任何方向的水平力時，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藝術與結構的完美結合貝聿銘的創(chuàng)意，是來源于竹子一一這一點撥，我們馬上便聯(lián)想到竹筍向上的一個個三角尖片。中國古人有這么一句格言：“寧可食無肉，不可居無竹?！币簿褪钦f，居住之處務必有竹，有竹方高雅，有竹方幽靜，有竹方見人的品格一一自古以來，吟誦竹子的名詩名句，可謂數(shù)不勝數(shù)。貝聿銘正是從中國古代的文學藝術中，汲取到這么一個美好的創(chuàng)意。這也是與他一貫強調(diào)的建筑藝術觀相吻合的，他曾不止一次地指出：建筑與藝術，雖然各有不同，可其實質(zhì)卻是一致的，他的目標，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于結構組合的優(yōu)缺點說到缺點，不能不說鳥巢，它只為了追求藝術效果，完全不考慮經(jīng)濟性，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，大約達到了500kg/m2,—些同規(guī)模的體育場館，如果結構設計得合理，用鋼量會在100kg/m2以下。像這種大跨度空間結構，材料利用效率最高的應該就是索穹頂結構，同樣的跨度用鋼量會在50kg/m2左右，好像美國亞特蘭大體育館就是。再一個比較有名的就是央視大樓，完全不考慮基本的力學規(guī)律，很大跨度的懸挑，內(nèi)力可想有多大，它非常的浪費材料，而且結構形狀不規(guī)則，對抗震很不利，再一個，施工難度也會加大，成本就不用說了，關鍵它的造型這也不一定能符合大眾的審美。[:5]最后再說一下，沈陽的方圓大廈，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]缺點多的建筑很多，同樣巧妙利用了本身受力特點的建筑物也很多。類似北京石景山體育館、哈爾濱工業(yè)大學體育館、北京朝陽體育館、哈爾濱速滑館等等,他們都很好的利用了自身結構的受力特點，而且也是造型別致，是很好的科技與藝術結合的典范。四、對未來的展望目前來說，我們土木工程的方向會有向大跨房展的趨勢，而且各種建筑會越來越高，地下結構也會做的越來越大。這就需要更好的耐久性，穩(wěn)定性，材料的強度會越來越高，與此同時，結構布置的合理性要求也越來越高，一個好的結構設計不僅可以美觀，給人帶來視覺盛宴，更會利用好組合結構，節(jié)約材料，并且達到更好的穩(wěn)定性，耐久性。我們應該打扎實理論基礎，不斷學習，將結構概念體系發(fā)展到