结构形态学在现代建筑应用中的探讨

殷霞（云南建设学校土木工程教学部，云南　大理　671000）



结构形态学在现代建筑应用中的探讨

殷霞
（云南建设学校土木工程教学部，云南大理671000）

摘要：介绍了结构形态学的发展历程及涵盖内容，对大量的典型建筑结构体系进行了分析，并从高层和高耸结构、空间结构等方面，阐述了结构形态学在建筑设计中的应用，为今后建筑结构体系的创新发展提供了参考依据。

关键词：结构形态学，结构体系，空间结构

形态学是研究生物形体的本质特征，生物内在功能与外部形体协调统一的学说［2］。生物通过漫长的进化，演变出了能够经受住各种环境和时间考验的合理的生理结构，自然界的各种结构形成为理想的建筑构思源泉。古代建筑工匠们感受到各种生物中透出的形与力的关系，将之应用在各种古代工程中，由此建造出了很多经典的建（构）筑物，但这种联系是不自觉的，发展非常缓慢。直到1991年成立的“结构形态学”工作组（SMG）首次提出了“结构形态”（Structural Morphology）这一概念，形态学思想被正式引入建筑结构领域。随着研究的深入，结构形态学逐渐发展成为一门内容涵盖了仿生学、几何学、力学、物理、数值分析技术、建筑美学等多学科的涉及领域广泛的交叉学科。结构形态学是从整体上研究结构形式与其受力性能的相互关系，寻求二者的协调统一，实现以合理、自然、高效为目标的结构美学［2］。为适应各种建筑的需要，创造视觉上的“形态”，结构形态可以在两个方面起作用：第一是“力学上的形态”，即由平衡形状与力流得到的“形与力的结构形态”；第二是“几何学形态”，例如基本图形利用切割、倾斜、连接及相贯等拼接方式得到的各种各样的变化形态，甚至是脱离简单的几何形式，得到更自由、更有机的形态［1］。

当代，人们对建筑的需求早已不再只是遮风避雨，人们需要高品质的、有深刻文化内涵的建筑物。随着新材料、新技术、新工艺的发展和应用，现代建筑的发展日新月异，具有创新性，甚至是革命性的建筑正不断涌现，而结构形态学是推动这些新建筑实现的重要灵感源泉。以下将结合几类典型的结构体系来探讨结构形态学在现代建筑中的应用和发展。

1　高层和高耸结构

竹子、稻杆具有的特别形态（横向呈圆形中空、沿高度逐渐收进，隔一定长度有一个节）使它们成为自然界中长径比巨大，同时又能完美抵抗地球上各种作用的植物。古代的工匠将这种形态的内涵融入到“塔”（如图1所示）的建造中，用砖、石或木材这些最基本的材料建成了大量的屹立了千百年的高耸结构。在现代，结合更先进的材料、分析技术和工艺，这种结构形态逐渐发展成“筒体结构”，但随着建筑高度的不断增加，“剪力滞后”效应（如图2所示）严重影响筒体的空间工作性能。为减轻“剪力滞后”效应，法兹勒·R·坎恩将筒体结构的概念创造性的应用、延伸和发展，衍生出了“桁架筒”体系、“筒中筒”体系、“束筒”体系、“带形桁架”体系等，不仅使建筑高度翻了一番，而且材料用量也非常的节省，实现了巨大的经济效益［1］。

结构形态不仅对高层建筑的结构体系有影响，还对高层建筑的平、立面外形等具有指导意义。竹子、稻杆的截面是圆形、蜂巢的截面是正六边形、金刚石的晶体构造为极键四面体形，这些具有高度对称性的几何形状，使这些物种很好的承受了来自自然界的各种力的作用，并经受住了时间的考验。对于超高层、高耸建筑而言，承受水平作用（风荷载、地震作用等）是比承受重力作用更为突出的问题，如果这些建筑的外形规则、对称，那么它将更容易满足安全性能、使用性能、经济性能方面的要求，而这些思想也成为建筑“概念设计”哲学的重要组成部分。

图1　大理崇圣寺千寻塔

图2　剪力滞后效应

2　空间结构

空间结构包括梁肋体系、拱结构体系、桁架体系、网架体系、薄壳结构、网壳结构、悬索结构、悬挂（斜拉）结构、充气结构、索膜结构、各种杂交结构等。已有的空间结构体系按照受力情况基本上可分为：刚性体系（拱券、折板、薄壳、网架、网壳、空间桁架等）；柔性体系（索结构、膜结构、索膜结构、张拉集成体系等）；杂交体系（拉索—网架、拉索—网壳、拱—索、索—桁架、张弦梁等）和其他体系（自由曲面结构、自由拓扑结构等）。

2.1刚性体系

拱的形状是半圆形或抛物线形，在竖向压力作用下，结构内部受力以轴压力为主，弯矩、剪力都趋于零，穹顶结构、壳体结构与拱有共同的受力特点。基于砖、石等材料砌筑的砌体结构和混凝土结构都有抗压强度高，抗拉强度低的特点，这些材料都非常适合建造以受压为主的结构。分布于西班牙、法国的罗马时代的水道桥（如图3所示）和建成距今已1400多年的我国的赵州桥（如图4所示）都采用石砌拱券，虽然东西方相隔万里，但殊途同归，令后世的工程师们心生感叹。拱向空间发展成为穹顶和穹窿结构（每当看到龟的外壳就不由得想到这种结构形式，见图5），提高了结构的整体性，空间的规模和建筑的自由度由此发生了质的变化。但这类建筑存在一个重要的问题是如果拱脚的基础或支座不能提供强大的水平推力，则会引起结构的坍塌。圣索菲亚大教堂采用8根巨大的柱子来支撑巨大的穹顶，但柱顶逐渐累积的水平位移对穹顶的威胁是严重的，并在多次地震后，穹顶都出现塌落。直到现代，工程师给穹顶加了钢箍后，水平推力的问题才得到解决。同样是为了解决拱脚水平推力问题，哥特式大教堂采取了一系列措施，首先放弃半圆形拱改为尖塔形，减小拱脚的水平推力；第二由交叉拱形成隅肋；第三采用飞扶壁，通过侧廊外墙的飞梁将拱脚产生的水平推力逐层传出，解放外墙并可直接在外墙上开窗；第四在飞梁外缘上建小尖塔，利用小尖塔产生的重力，使石砌扶壁中不产生拉力。这些精美的结构正是“材料、造型与结构的艺术”三者高度融合的产物［1］。

图3　法国嘉德水道

图4　赵州桥

图5　万神庙大穹顶

图6　罗斯马南泰阿斯餐厅（坎德拉作品）

在现代随着钢筋混凝土的大量使用，工程师受到“蛋壳”的启发，发展出由曲面形板和边缘构件（梁、拱或桁架）组成的壳体结构，被广泛的应用在大跨度建筑物顶盖、中小跨度屋面板、各种管道压力容器等各种建（构）筑物中。西班牙结构师爱德华·特罗哈1959年创立了IASS（现在的国际壳体及空间结构学会），对壳体结构的发展做出极大贡献。罗斯马南泰阿斯餐厅见图6，薄壳屋盖见图7。

图7　薄壳屋盖

图8　悬索桥

2.2柔性体系

人们可以从风中摇曳的蜘蛛网联想到悬索结构（见图8），从帆船的桅杆和风帆联想到索膜结构（见图9）。这些由柔性材料制成的结构需要通过施加适当的预张力获得稳定的形状，以构件受拉来抵抗外荷载，故统称为张力结构［1］（有趣的是将索固化反转就成拱，纯拉体系转化为纯压体系），这种结构类型具有轻盈、高效的特点。张力结构设计首先需要解决的问题是寻求符合建筑功能及美学要求且受力合理的初始形状，而初始形状的确立又取决于边界条件和预张力。在形态学发展早期，张力结构的初始形状可以用模型实验方法确定，即利用可形成纯张力作用的柔性材料或肥皂膜模拟实际结构受力状态，获得预期的建筑形状，再通过对模型的量测、按比例放大，实现工程设计［2］。当前张力结构初始形态的确定以数值分析方法为主，针对实际工程，通过初始形态分析，可获得既符合建筑功能要求，又具有合理预应力分布的初始形态。

图9　索膜结构

图10　张弦梁屋盖

2.3杂交体系/混合体系

刚性体系刚度大，但自重也很大，这会对基础设计和抗震设计不利；柔性体系质轻，但刚度过小，体系复杂、稳定性差，围护构件比较难安装；杂交体系则是受压部分采用刚性构件，而受拉部分采用柔索，既保证体系有足够的刚度和稳定性，又使结构的质量较轻，能实现体系自平衡，是目前在大跨度预应力空间结构中很有发展前景的结构体系类型。杂交体系主要包括张弦梁结构（BSS）、环形索桁结构等。

张弦梁结构（如图10所示）是一种由刚性构件（拱梁或桁架拱）形成上弦、柔性拉索形成下弦、中间连以撑杆而形成的混合结构体系［1］。张弦梁结构的受力特点是先在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，这样能减少结构在荷载作用下的最终挠度，而撑杆作为上弦压弯构件的弹性支撑，起到有效改善上弦压弯构件受力性能的作用，下弦的拉索承受所有的拱脚水平推力，减轻了支座的负担。由此可见，张弦梁结构可充分发挥刚柔两种材料的优势，改善整体结构受力性能，使压弯构件和受拉构件取长补短，协同工作，达到自平衡，形成量轻而承载力及刚度都较好的结构体系。张弦梁结构中的两类构件虽然分工明确，但复合方式多种多样，可以形成千变万化的形态，所以张弦梁结构的形态定义是很值得研究的课题。

从车轮辐条结构概念提出的环形索桁结构也是在大跨度空间结构中应用较多的杂交体系（见图11）。环形索桁结构是由外部受压环与内部受拉环通过辐射的受拉索桁架连接形成的自平衡体系［3］。该体系按屋面形状可分为内凹形和外凸形。依据车轮辐条原理，环形索桁结构还可以延拓出一系列丰富多彩的结构形式。

2.4其他体系

空间结构的传统造型都是基本图形利用切割、倾斜、连接、旋转及相贯等方式得到的各种各样的形态，例如：球面、柱面、鞍面等规则曲面及其组合。“自由曲面”是指无法用单个或几个解析函数表达的曲面，即为那些明显区别于传统造型的曲面［5］。“形态创建”是生成有机形态的自由曲面，并实现曲面多样性与受力合理性有机结合的前提。自由曲面形态创建的方法分为：模型实验方法和基于优化思想的数值方法等。在计算机普遍应用于工程之前，模型实验方法是实现结构形态创建的主要方法。高迪的“倒吊挂试验”［1］应用在圣家族教会大教堂（如图12所示）的结构找形中，不仅创造了耀眼夺目的奇特造型，而且实现力、材料和构筑方法的合理统一。伊斯拉采用“反吊原理”（即逆吊实验法）［1］对RC壳曲面找形（如图13所示），通过调整约束条件，可以获得符合要求的各种自由曲面。现在随着计算机技术的发展，“皂膜实验”“反吊实验”可以通过数值模拟实现，并逐渐形成了基于优化思想的数值形态创建方法，其基本思路是将自由曲面的几何建模技术与结构优化算法结合，以结构的合理受力为优化目标，采用适当的优化算法，获得一系列符合要求的，可供建筑师选择的自由曲面形态。

图11　外凸式环形索桁结构

图12　圣家族大教堂内部（高迪采用倒吊挂实验法为结构找形）

自由拓扑结构是基于优化思想的数值分析方法，形成构件布置或开洞情况等明显与传统规则方式不相同的结构形态。自由拓扑结构与传统结构形态比较，具有造型更自由新颖、构件受力更合理高效的特点，在实际工程中得到越来越多的应用，是新型结构形态创建的热点方向之一。自由拓扑结构可分为：连续型自由拓扑结构（例如北京奥运会场馆：“水立方”）、离散型自由拓扑结构（例如北京奥运会场馆：“鸟巢”）和树状结构［6］（如图14所示）等。

图13　逆吊实验法

图14　树状结构

3　结语

当代的建筑是国际化和地方性完美融合的建筑，是节能的、与自然共生的、可持续发展的“生态建筑”。结构体系的创新将是推动当代建筑向着这些目标迈进的重要因素之一。好的结构体系不仅有新颖的结构形式，还应该能很好的满足建筑功能要求，满足受力合理、体形优美和经济高效的要求，同时还能符合建筑技术（包括材料、构造和工艺等）的发展。对结构形态的研究可以培养出良好的结构直觉，为结构体系的创新提供不断的灵感源泉，而结构体系的实践反过来可以充实、发展结构形态学。基于当前计算机强大的功能，关于结构形态的研究已经进入一个崭新的、异彩纷呈的时代。当然，值得所有工程人员注意的是，结构体系的创新需要有新奇创意的思想，但更需要严肃审慎的态度，只有同时具备了这两个条件，建筑的发展才会有美好的未来。

参考文献：

［1］斋藤公男.空间结构的发展与展望：空间结构设计的过去·现在·未来［M］.季小莲，徐华，译.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［2］沈世钊，武岳.结构形态学与现代空间结构［J］.建筑结构学报，2014，35（4）：1-10.

［3］潘秀珍.空间结构［M］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［4］高立人，方鄂华，钱稼茹.高层建筑结构概念设计［M］.北京：中国计划出版社，2005.

［5］李欣，武岳，崔昌禹.自由曲面结构形态创建的NURBSGM方法［J］.土木工程学报，2011，44（10）：60-66.

［6］武岳，张建亮，曹正罡.树状结构找形分析及工程应用［J］.建筑结构学报，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

中图分类号：TU-05

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0042-04

收稿日期：2015-12-18

作者简介：殷霞（1977-），女，工程硕士，讲师，国家一级注册结构师