空间结构形态学的研究内容

© Written by J.Y. WANG

英国动物学家汤普森有一句名言“形是力的图解”,这句话恰恰体现了形态学的本质,即形态学认为自然界中的物体的形与其内部的结构之间构成了有机的整体;因此,结构的外部形式、内部构造和功能三者之间应该是和谐统一的。形态学就是研究各种形状与其内部结构之间关系的科学。按照结构形态学的观点,一个优秀的建筑不仅应该能够表现出建筑物本身的艺术价值,更应该具有良好的受力性能。但是在现实情况下要实现这一目标还是相当困难的,这主要源于现阶段设计步骤的不合理性,即建筑设计在先,结构设计在后。由于专业知识的局限性,由建筑设计所产生的曲面在力学性能上很可能是不合理的,而后结构工程师只能在这一不尽合理的几何形状基础上设计结构的受力构件,从而产生了最终建筑产品的不合理性。而实际上一个优秀的建筑作品应该是建筑师与结构工程师相互协作、相互促进来完成的,而不是平行进行,没有交集的机械创作[34-38]

                                          图1-5 结构形态学的研究内容
合理的结构形态应同时满足以下两方面要求[1-11]:1)丰富的建筑艺术表现形式;2)结构受力合理。一般来说,一个结构的优劣主要取决于它的内力分布模式是否合理,为评价结构的合理性,需要引入了结构形态的概念。如前所述,“结构形态”应包括两方面基本内容:第一是结构的 “形”,其次是结构的“态”。结构的“形”是指包括结构的几何外形、杆件的布置方式、以及构件尺寸等结构的外在特征;结构的“态”是指结构在外荷载作用下的内力分布状态,是结构的内在反应。具有特定几何外形的结构在荷载作用下,其内力分布状态是一定的;而已知一个特定的内力分布状态却不能确定唯一的建筑几何外形。因此,对结构形态的研究是评价结构好与坏的基本参数,一个合理的建筑几何外形才能对应有一个较优的受力状态。

对于结构形态的研究一般可分为以下三个层面:1)几何外形的创建与优化,这一层面主要研究结构的整体几何外形;2)杆件布置关系的创建与优化,这一部分主要研究以何种方式布置杆件更为合理的问题;3)杆件截面的确定与优化。从现有研究来看,第三层面的研究已经大范围的开展,而第一、二层面的内容将是未来研究的重点。

空间结构形态学的发展

© Written by J.Y. WANG

结构形态学是从整体上研究建筑形状与结构受力之间的关系,目的在于寻求二者的协调统一。空间结构形式十分丰富多彩,而且往往凭借其合理形体来实现结构的高效率,因此形态学研究对空间结构具有重要意义。空间结构形态学的发展大致分为三个阶段:

1、早期的探索与实践

                  a) 拱桥                                     b) 穹顶                                c) 悬索桥                                   d) 帐篷

图1-1 早期探索和实践的合理结构形态

人类通过长期的生产实践,发现和创造了许多合理的结构(建筑)形式。如拱桥、穹顶、悬索桥、帐篷等。

2、有意识的结构形态学研究活动

在空间结构发展早期,计算机尚未普及的时候,物理方法的应用较多,这一时期结构形态学进入了一个有意识的研究阶段。其中颇具代表性的方法是由西班牙建筑师A.Gaudi在20世纪初提出的“逆吊实验方法”,并利用其设计了一些砖石结构的教堂建筑(巴塞罗那的萨哥拉达·伐米利亚大教堂,如图1-2a所示).

   
a) 伐米丽亚大教堂 b) 戴丁根加油站
图1-2 逆吊实验法及其实践

瑞士工程师H.Isler于上世纪60、70年代,继承发展了“逆吊实验方法”设计了许多混凝土薄壳结构。图1-2b所示的戴丁根加油站即为逆吊实验法的一个工程实例。其成形过程为,对一个无初始张力的索网结构上加入石膏等易凝结的材料,在材料自重作用下结构只受到拉力的作用,待材料凝固后将整个结构翻转,此时结构在自重荷载作用下即为一个纯粹的受压结构。

虽然利用“逆吊实验方法”所得到的曲面结构形态只存在面内压应力均匀分布的凸型形状,但它突破了从传统的几何形状范围内选择的做法,实现了根据设计条件求出合理曲面结构形态的设计。

   
a) 短程线穹顶和张拉整体结构 b) 肥皂膜试验确定索膜结构
 
c) 表面平移法工程实例
图1-3 结构形态研究取得的一些成果

同样在这一阶段结构形态学在其它方面也进行了探索并取得了一定得成果。上世纪50至70年代美国发明家B.Fuller通过对一些自然现象的观察和思考,提出了短程线穹顶和张拉整体的思想,如图1-3a所示。而60、70年代时德国建筑师F.Otto 利用肥皂膜试验,解决了索膜结构的初始形态确定问题,如图1-3b所示。进入80、90年代时德国工程师J.Schlaich利用几何平移和缩放的方法,设计了许多自由曲面轻型结构,如图1-3c所示。

3、将分析方法引入结构形态学研究

上世纪80年代,日本半谷教授采用 “广义逆矩阵”理论解决了悬索结构等形状不稳定结构的初始形态确定问题(如图1-4)。90年代半谷教授在以往研究的基础上系统提出了结构形态创构概念——针对具体工程,利用分析方法,采用不同的约束条件,寻求建筑物的多种 “良好形状”。

 
图1-4 悬垂型形状确定的广义逆矩阵法

最近在国际上结构形态创构方法的理论研究开展得比较活跃,逐步得到了世界各国建筑届的重视。目前提出的理论方法有“均匀化方法”、“Bubllf法”、“成长变形法”、“适应成长法”、“渐进法(ESO)”、“遗传算法(GA)”、“悬垂型壳体形状决定法”、“以应力分布为目标函数的曲面形状创构法”等,这些方法解决了不少特定类型问题[13, 20-21]。虽然理论上远未定型,得到的结构形状非常单调,尚不能应用到工程实际,但它开辟了利用理论方法求结构形态的可能性。