结构概念体系

#'•'I-'•'I-礪■匚百度凍漪1.1悉尼歌剧院简介凡是去澳大利亚旅游的人，没有不去悉尼的;去悉尼，必然会去参观悉尼歌剧院。可以这样说，悉尼歌剧院现在是悉尼甚至是澳大利亚的一个标志。悉尼歌剧院位于悉尼湾一侧的班尼朗半岛上，距港湾大桥很近,位置十分显要，是各国船只进出港时必经之地。它不同于一般方盒子式房屋组成的建筑群，而是在坚实平整的基座上建造了几组活跃起伏的壳体屋盖组成的、造型奇特的建筑群，像群帆泊港，又似白鹤飞翔，格外引人注目。应该说，从建筑的角度看，它是很有特色的。8个壳体分成两组，每组4个，分别覆盖2个大厅;另外有2个小壳体置于餐厅之上。两组壳体对称互靠，外贴乳白色面砖,给人以丰富的联想:好像白帆，又如贝壳，姿同海浪，貌了以莲花。这个杰作出自38岁的丹麦建筑师伍重之手，它是从30个国家参加竞赛的二百多个建筑方案中脱颖而出的，一举夺标,不可不称之出类拔萃。尽管有人批评它是功能迁就形式,但它能突破传统的建筑形式，标新立异，刻意创新，大家从建筑设计的角度上大力赞美它，应该说还是不过分的。悉尼歌剧院共耗时14年，斥资1200万澳币，于1973年10月20日正式竣工开幕。歌剧院内部有许多地方是用法国进口的玻璃所镶嵌，配上澳洲独有的建材材料，其内部建筑结构则是仿效玛雅文化和阿兹特克神庙。外面的玻璃是由法国制造的双层玻璃一-色及黄玉色，共有700种尺寸、2000片。悉尼歌剧院是世界著名艺术表演场地，每年举办约2400次活动，曾邀请纽约爱乐、德国碧娜.鲍许乌帕塔舞蹈剧场(TanztheatreWuppertalPinaBausch)、菲利浦.葛拉斯乐团(ThePhilipGlassEnsemble)等国际团体，并获得伊丽莎白女王、美国总统福特、柯林顿、南非总统曼德拉、联合国前安理会总理安南等众多国际名人造访，为歌剧院增添许多光采。2007年被联合国教科文组织评为世界文化遗产。[1]1.2结构上存在的不足不过，这位杰出的建筑师对悉尼歌剧院的结构方案却考虑的太少了。这个建筑方案中选后，邀请世界著名的结构工程师帮助作结构设计，结果经过近三年的研究,得出的结论是:只能放弃它的壳体方案。为什么呢?因为悉尼歌剧院的建筑方案虽然好得无以复加,但其结构方案有一个致命的缺点:选错了结构型式。大家知道如果壳体屋盖都是凸面向上平放当受重力作用时,可通过壳体的薄膜压应力来抵抗外荷载;当受风力作用时，所受的向上风吸力，只要小于壳体自重,一般也无害。所以壳体的优越性是在重力作用下，其产生的大部分内应力是压应力,对混凝土这种耐压性能好的材料，采用壳体结构型式是十分合适的，但悉尼歌剧院的壳体屋盖不是平放,而是斜向悬挑，这样壳体受到重力作用时，其内应力根本不是薄膜压应力，壳体的优越性完全没有了。特别是受风力作用时，如风力施加于壳体凸面,则在与壳体自重的联合作用下，更会增加壳体的倾覆倾向。所以斜向悬挑放置的壳体屋盖,其内力不全是压力,而存在力矩,这样就不能采用厚度很薄的壳体。所以建筑师要求壳体厚度用100〜（屋顶处）和500〜（基座处）根本不可能实现。但是,悉尼歌剧院的建筑形式的确太好了，人们舍不得放弃它，只好保留其外在形式，而改变其结构内涵。即悉尼歌剧院的建筑形式虽像壳体,但它本质上不属于壳体结构，而是由许多大小不同的三铰拱并歹嚼接而成的“壳体”每个三铰拱的截面从拱顶到拱脚是由Y形变化到T形,拱肋高度远远大于建筑师期望的壳体厚度。由许多三铰拱并列而成的“壳体”，外表面呈球面形状，其凹面形成招风的“口袋”，因此拱在风吸力作用下，其受力状态与平常拱在重力荷载作用下的情况完全相反，拱内力不是受压，而是受拉，必须利用拱的自重和施加预应力才能抵消其拉力。拱在风荷载和自重作用下所引起的整体倾覆问题，则需在拱脚采取抗拉措施解决。这样，一个外形气壳体、实际为一系列三铰拱并列拼接的结构,就成了今天的悉尼歌剧院。它实在违背结构的力学原理，只能说是一个凑合的结构。它成就了悉尼歌剧院的建筑外形,但不能认为是一个今后值得效仿的、比较理想的结构形式。1.3对于原设计不足的解决方案通过对悉尼歌剧院的结构分析可以知道歌剧院总体上属于拱的大跨度结构体系,而非表面上所显示的壳结构体系。可最初建筑师的设计不单没有规律，各扇型结构都有不同的弯曲度，完全没有逻辑可言，而且不同的弯曲面是互相接触的，但在无规律弯曲面的接合上,是很难确保施工的品质管理。为了方便工程上的管理上，各扇型的单元便归一至类似的弯曲度，各部件只是比例上的不同。因此便可以用预制件的方式来制做各混凝土的部件，而不用在现场做模，品质管制方面便容易处理。至于结构承重则是更大的问题，因为在1960年时还未有任何工程师设计过这样的扇型的蛋型结构，而且由于室内是剧院的关系，是不可以在柱和梁来承担屋顶的重量。在最初的设计是把打算用混凝土作为结构外墙，但这样并不能够使这样的外型成为独立的安全结构，之后工程师不断地研究不同的方法，如在屋脊上加入钢结构框架，并屋顶建造成厚厚的结构墙。不过，最终的方法是使用了折合式的混凝土结构墙，情况就好像一个弯曲了的屏风一样,利用折合多层的结构来支撑屋顶，每一层的折合便有如一个拱门一样，这样便能承重亦不破坏原有设计外型的弯曲度。通过薄壳结构形成的贝壳或者帆状的屋顶表达了建筑师对于这一基地的特殊理解与感受力，尽管后来由于结构上的原因，将壳结构改为拱体结构，但依然表达了设计将形式与结构相统一的设计理念。1.4从实务角度分析其价值首先，由于这样的外型而大跨度的结构是前所未有的，工程师都未必知道折合式的结构是否适合，所以便利用了电脑作结构分析，这亦是世界第一次使用电脑作结构计算的工程,创了建筑工程的先河。其次,可以说，倘若没有这一世界顶尖结构工程公司的鼎力协助，约翰•伍重设计的歌剧院可能会成为“纸上谈兵”建筑方案设计经历了从最初优美的壳形但却无法实现的结构到经过几年艰辛的探索最终采用拱结构来表达建筑师的设计理念的过程，反映了建筑师追求建筑形式与建筑结构的辨证统一，同时建筑结构亦成为了建筑设计欲表达寓意的丰富因子之

O最后，不得不承认其实他们很幸运，因为这项目是由国家彩票基金处支持，资金方面可谓源源不绝，否则又怎可能用12年时间来修改设计，成本又大幅增加数倍，可想而知其耗资的巨大，经典不是这样容易发生。二、组合结构优点的完美呈现一一香港中银大厦为例香港中国银行大厦，由贝聿铭建筑师事务所设计，1990年完工。总建筑面积12.9万平方米，地上70层，楼高315米，加顶上两杆的高度共有367.4米。建成时是香港最高的建筑物，亦是美国地区以外最高的摩天大厦。结构采用4角12层高的巨形钢柱支撑，室内无一根柱子。仔细观察中银大厦，会发现许多贝氏作品惯用的设计，以平面为例，中银大厦是一个正方平面，对角划成4组三角形，每组三角形的高度不同，节节高升，使得各个立面在严谨的几何规范内变化多端，至于平面的概念，可以溯至1973年的马德里大厦，马德里大厦亦是以方正的正面做多边的分割，分析其组合，乃系两个平等四边形的变化。外型像竹子的“节节高升”，象征著力量、生机、茁壮和锐意进取的精神；基座的麻石外墙代表长城，代表中国。中银大厦楼高加上当地台风季节强劲的风力,使得建筑物的结构系统需要非比寻常的解决方式，结构工程师罗伯森，这位ENR杂志1989年的风云人物，向贝氏建议采用合成的超强结构体，即以钢组构成盒状，内灌注混凝土，以之做为抗风力暨承重的主干。仔细观察中银大厦，会发现许多贝氏作品惯用的设计，以平面为例，中银大厦是一个正方平面，对角划成4组三角形，每组三角形的高度不同，节节高升，使得各个立面在严谨的几何规范内变化多端，至于平面的概念，可以溯至1973年的马德里大厦，马德里大厦亦是以方正的正面做多边的分割，分析其组合，乃系两个平等四边形的变化。建筑立面犹如一把锋利的剑，划破苍穹。整座大厦的立面，以蓝灰色玻璃作为幕墙，它贯灰色穿以规范的45穿以规范的450角的斜向装饰线，使由下至上的三角饰线，产生重叠感，又在重叠中发生变化，从而有了向上的动感，形成一种颇为突出的风格。创意来源于竹子，中国古人有这么一句格言：宁可食无肉，不可居无竹。”贝聿铭正是从中国

古代的文学艺术中，汲取到这么一个美好的创意。这与贝聿铭一贯强调的建筑艺术观相吻合的。[2]2.2整体结构特点大楼为钢-混凝土混合结构巨型桁架体系，并充分地发挥了两种材料的优势，互相取长补短，达到了减低用钢量和节约投资的良好效果。大楼的主体结构由沿正方形平面周边和对角线布置的平面巨型钢桁架形成的空间支撑体系组成，有以下一些特点：1•采用巨型空间桁架作为主要承重体系，由于桁架杆件受轴力，没有剪力滞后，结构效能高，用钢省并刚度大。整座大楼采用由8片平面支撑和5根型钢混凝土柱所组成的混合结构“大型立体支撑体系”，在改进结构性能方面具有如下独到之处:采用几何不变的轴力代替几何可变的弯曲杆系，来抵抗水平荷载，更加经济有效。2•在体型上采用了束筒的手法，单元筒体断面为三角形，有利于减少风荷载和避免横向风振。而且贝聿泯铭采用合成的超强结构体，即以钢组构成盒状，内灌构体，即以钢组构成盒状，内灌注混凝土，以之做为抗风力暨承注混凝土，以之做为抗风力暨承重的主干。这样就大大增强了大厦的稳固性厦的稳固性。3.各巨型钢桁架交汇于巨型钢骨混凝土立柱，落地的四角立柱底部截面向上逐渐减少，其中埋置属于三个桁架平面的三根丁字型钢柱。用混凝土柱体现了充分利用混凝土抗压强度的思想，大量节约了钢材。4•利用多片平面支撑的组合，形成一个立体支撑体系，使立体支撑在承担全部水平荷载的同时，还承担了高楼的几乎全部重力，从而进一步增强了立体支撑抵抗倾覆力矩的能力。将抵抗倾覆力矩用的抗压和抗拉竖杆件，布置在建筑方形平面的4个角，从而在抵抗任何方向的水平力时，均具有最大抗力矩的力偶臂。利用立体支撑及各支撑平面内的钢柱和斜杆,将各楼层重力荷载传递至角柱,加大了楼层重力荷载作为抵抗倾覆力矩平衡重的力偶臂，从而提高了作为平衡重的有效性。[3]2.3艺术与结构的完美结合贝聿铭的创意，是来源于竹子一一这一点拨，我们马上便联想到竹笋向上的一个个三角尖片。中国古人有这么一句格言：“宁可食无肉，不可居无竹。”也就是说，居住之处务必有竹，有竹方高雅，有竹方幽静，有竹方见人的品格一一自古以来，吟诵竹子的名诗名句，可谓数不胜数。贝聿铭正是从中国古代的文学艺术中，汲取到这么一个美好的创意。这也是与他一贯强调的建筑艺术观相吻合的，他曾不止一次地指出：建筑与艺术，虽然各有不同，可其实质却是一致的，他的目标，便是寻求二者之间的和谐统一。[4]三、其他具有代表性的建筑的关于结构组合的优缺点说到缺点，不能不说鸟巢，它只为了追求艺术效果，完全不考虑经济性，受力传力不合理，不明确，材料不能很好发挥其作用。用钢量巨大，大约达到了500kg/m2,—些同规模的体育场馆，如果结构设计得合理，用钢量会在100kg/m2以下。像这种大跨度空间结构，材料利用效率最高的应该就是索穹顶结构，同样的跨度用钢量会在50kg/m2左右，好像美国亚特兰大体育馆就是。再一个比较有名的就是央视大楼，完全不考虑基本的力学规律，很大跨度的悬挑，内力可想有多大，它非常的浪费材料，而且结构形状不规则，对抗震很不利，再一个，施工难度也会加大，成本就不用说了，关键它的造型这也不一定能符合大众的审美。[:5]最后再说一下，沈阳的方圆大厦，也是大跨度悬挑，只为了造型的好看，不考虑内力，材料用量大，施工难度大。[6]缺点多的建筑很多，同样巧妙利用了本身受力特点的建筑物也很多。类似北京石景山体育馆、哈尔滨工业大学体育馆、北京朝阳体育馆、哈尔滨速滑馆等等,他们都很好的利用了自身结构的受力特点，而且也是造型别致，是很好的科技与艺术结合的典范。四、对未来的展望目前来说，我们土木工程的方向会有向大跨房展的趋势，而且各种建筑会越来越高，地下结构也会做的越来越大。这就需要更好的耐久性，稳定性，材料的强度会越来越高，与此同时，结构布置的合理性要求也越来越高，一个好的结构设计不仅可以美观，给人带来视觉盛宴，更会利用好组合结构，节约材料，并且达到更好的稳定性，耐久性。我们应该打扎实理论基础，不断学习，将结构概念体系发展到