膜構(gòu)知識庫
新型建筑材料促使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生的發(fā)展變化歷程
結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展，自工業(yè)革命以來發(fā)生了幾次井噴式的大發(fā)展，產(chǎn)生過許許多多的優(yōu)秀工程師和美輪美奐的傳世之作。既然題目限定為近百年來，為方便起見，我把敘述范圍限定為自20世紀(jì)初以來大規(guī)模應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的新材料，包括鋼筋混凝土、高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼、鋼索、玻璃、膜、現(xiàn)代意義上的工業(yè)加工木材。討論的范圍不包括新材料的本構(gòu)關(guān)系與其力學(xué)性能、計(jì)算方法之間的關(guān)系，僅著眼于新材料與結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)選型之間的關(guān)系。
鋼筋混凝土→結(jié)構(gòu)藝術(shù)
鋼筋混凝土出現(xiàn)于19世紀(jì)末期，在20世紀(jì)初開始大規(guī)模應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，并迅速得到廣大結(jié)構(gòu)工程師的喜愛。即使在21世紀(jì)的今天看來，鋼筋混凝土依然是人類所能想到的最完美的建筑結(jié)構(gòu)材料。不僅僅是力學(xué)性能、耐久性、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)秀，更重要的是，混凝土具有前所未有的極其優(yōu)異的可塑性能，讓人類終于可以完成自由形狀的結(jié)構(gòu)形式。各種各樣的幾何形狀，只要你想得到，并且能用木材、塑料、或者鋼材做出模板來，在其中澆筑混凝土就能得到這個形狀的混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與雕塑藝術(shù)的界限變得模糊起來，這一點(diǎn)是鋼材、木材、磚石材料幾乎永遠(yuǎn)無法做到的。
鋼筋混凝土和鋼材→結(jié)構(gòu)框架與建筑外皮的分離
梁柱框架可以稱之為20世紀(jì)的代表性結(jié)構(gòu)體系，這樣的結(jié)構(gòu)形式不可能由之前占主導(dǎo)地位的磚石材料實(shí)現(xiàn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的概念在20世紀(jì)初期出現(xiàn)，隨著彎矩分配法、D值法等力學(xué)計(jì)算方法的成熟和鋼材、鋼筋混凝土這兩種合適材料的發(fā)展而迅速普及?？蚣荏w系的意義在于使得結(jié)構(gòu)骨架與建筑外皮徹底分離，一定意義上，結(jié)構(gòu)工程師與建筑師的職責(zé)徹底分道揚(yáng)鑣。對于磚石砌體結(jié)構(gòu)，建筑表皮和結(jié)構(gòu)骨架其實(shí)是同一個東西，就是那些厚重的砌體墻。框架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，不僅僅讓結(jié)構(gòu)高度可以提高、重量可以減輕，更重要的是，它讓建筑物的外皮徹底解放，不再承擔(dān)任何結(jié)構(gòu)作用。
高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼→超現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)
隨著建筑思潮的發(fā)展，建筑的語義、文脈發(fā)生了劇烈的變化，出現(xiàn)了很多前所未有的設(shè)計(jì)。我用“超現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)”這個詞，指代類似CCTV新樓、鳥巢、深圳證券交易所這樣的新奇結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)40年代到50年代是混凝土殼的鼎盛時期，現(xiàn)在則是空間鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的時代?，F(xiàn)代的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼，以各種各樣的形式出現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)中，把一個個令人瞠目結(jié)舌的設(shè)計(jì)從藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
鋼索→張拉整體體系
從力學(xué)概念上來說，軸心拉壓的效率要遠(yuǎn)勝受彎，但之前的磚石材料幾乎沒有受拉性能。隨著鋼索這種具有極強(qiáng)受拉能力的材料出現(xiàn)，全部構(gòu)件都保持軸心受力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系成為現(xiàn)實(shí)。
玻璃+索網(wǎng)→索網(wǎng)玻璃體系
一定意義上，建筑是一門操縱光的藝術(shù)。玻璃是完成這個使命的絕佳材料，早在中世紀(jì)的大教堂里，彩色玻璃已經(jīng)開始充當(dāng)極其重要的角色。但受制于玻璃本身的力學(xué)性能，其應(yīng)用受到了很多限制。
隨著現(xiàn)代鋼材的發(fā)展成熟，由纖細(xì)的金屬框格甚至是金屬索網(wǎng)搭配玻璃組成的玻璃穹頂或者幕墻得以實(shí)現(xiàn)。大家最熟悉的例子應(yīng)該是貝聿銘的盧浮宮金字塔。約格·施萊希的大批作品都堪稱是索網(wǎng)玻璃體系的精品，比如上圖中的漢堡城市歷史博物館玻璃屋頂和下圖中的慕尼黑凱賓斯基酒店玻璃幕墻。
膜材料→膜結(jié)構(gòu)/充氣結(jié)構(gòu)
20世紀(jì)涌現(xiàn)的眾多優(yōu)秀新材料之一就是膜材料，雖然過去也有類似概念的膜材料和膜結(jié)構(gòu)，比如游牧民族的氈房，但其性能、耐久性都不太令人滿意?，F(xiàn)代膜材料的出現(xiàn)為現(xiàn)代輕型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了新的選擇。弗雷·奧托與約格·施萊希設(shè)計(jì)的1972年慕尼黑奧運(yùn)會主體育場就是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)的代表作。
此外，膜材料還為充氣結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了絕佳的材料。充氣結(jié)構(gòu)可以分為兩種，第一種是作為主體結(jié)構(gòu)的充氣結(jié)構(gòu)，比如川口衛(wèi)設(shè)計(jì)的1970年日本大阪世博會上的富士館，就是一個典型的充氣結(jié)構(gòu)。日常生活常見的各種商業(yè)活動放置的充氣拱門，也可以看做這樣的充氣結(jié)構(gòu)。第二種則是作為局部結(jié)構(gòu)的充氣結(jié)構(gòu)，比如水立方的ETFE膜充氣氣泡外墻。對于水立方追求的這種特殊視覺效果，玻璃、塑料等傳統(tǒng)材料都不太合適，可能只有充氣膜能完美的達(dá)成這種朦朦朧朧的設(shè)計(jì)意圖。
現(xiàn)代工業(yè)化木材→現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)
木材是一種歷史很悠久的建筑結(jié)構(gòu)材料。在我國主要是以穿斗框架的形式存在，在北美的拓荒期則是那種原木壘成的小木頭房子。隨著現(xiàn)代木材工業(yè)的建立，天然木材進(jìn)一步深加工為類似型鋼的標(biāo)準(zhǔn)化“型木”以及其它膠合木材、復(fù)合木材，木材的利用效率和應(yīng)用范圍得到了大幅提高。尤其是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的所謂2乘4體系，在北美地區(qū)已經(jīng)成為絕對的市場主流，超過80%的北美住宅都是采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化木材的木剪力墻體系。木材的力學(xué)性能雖然不是很突出，但其強(qiáng)度質(zhì)量比相對比較高，且受拉受壓性能平均，有一定的延性，可以看作是整體弱化了的鋼材。從這一點(diǎn)出發(fā)，木材也能達(dá)成類似于鋼材的效果。