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【结构大师系列】用砖块实现大跨度曲面屋盖的结构诗人——Eladio Dieste

发布于：2017-10-27 13:35:27 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

Eladio Dieste 埃拉蒂奥. 迪埃斯特（1917~2000）

迪埃斯特Eladio Dieste，1917年12月10日出生于乌拉圭。19岁进入首都蒙得维的共和国大学就读于工程学院，

毕业后任职于乌拉圭公共事务部的高速公路管理部门，参与桥梁建设。1956年，迪埃斯特与大学校友蒙坦内兹（Montanez）合伙创办了“迪埃斯特与蒙坦内兹事务所”。

迪埃斯特的所有作品都是采用配筋砖，他是这一领域当之无愧的大师，本文各位读者所看到的作品都是由砌块建造。时至今日，砌体结构是被忽视甚至是被歧视的，小I希望可以通过今天对迪埃斯特作品的介绍，给大家一个新的角度审视印象中笨重的砌体结构。

海鸥“Seagull”1976年

迪埃斯特作品中最重要的两种结构形式是自承重壳筒和高斯拱。以下我们就以这两种结构形式为线索，为大家介绍一下迪埃斯特的主要作品，看看为何他的作品能够营造“

让砖块漂浮

”的视觉冲击。为了更好的理解迪埃斯特的作品，首先请随小I大致扫略一下砌体拱的发展历史。

唐.博斯克学校体育馆

“Don Bosco SchoolGymnasium”1983年

砌体拱的前世今生

使用砌体建造拱顶的历史由来已久。从历史上看，砌体拱顶依据地域可分为三种类型：欧洲式、中东式、泰罗尼亚式，它们的结构特点如下表所示。直到19世纪末，确定砖砌拱的形状和比例依然靠估计和经验，因此拱顶都非常厚重，并且造价昂贵。

1866年，瑞士苏黎世联邦理工学院的教授卡尔.库尔曼（Carl Culmann）发表了《图解静力学》，利用等比例绘图，为工程师们提供了一种快捷的方法，确定砌体拱的合理形状和应力状况。

图解静力学找拱形示意图

自19世纪60年代末，古斯塔维诺把图解静力学用于加泰罗尼亚的传统拱顶，建造出具备经济性和科学性的砖砌穹顶。法国工程师埃菲尔也曾用图解静力学为埃菲尔铁塔找形。高迪更进一步，还利用图解静力学来确定拱底推力，并把这种方法用在圣家族教堂，同时用一套悬链模型验证了其正确性。

埃菲尔铁塔图解静力学找形手稿

20世纪40年代，迪埃斯特将数值计算方法用于砌体拱的设计，用于计算他所创造的自承重壳筒。

自承重壳筒

迪埃斯特的自承重壳筒不借助任何常规的筒壳承重体系（如扶壁、飞扶壁、连续纵墙等），仅仅几排柱子即可保证其稳定，有时甚至是单柱支撑。

图雷特公共汽车总站“Turlit Bus Terminal”1980年

为何砖砌壳体可做得如此轻盈？要理解其结构原理，我们可从横、纵两个剖面分别考察。壳体的横剖面的形状是受力最为合理的悬链线，保证筒壳内在重力荷载下只存在压力。在中间跨，左右两侧的拱脚推力可相互抵消；在边跨，设置一道水平边梁，由刚度很大的边梁汇集水平推力，并将其传递给与边柱结合的斜撑。

萨尔托公共汽车总站“SaltoBus Terminal”横剖面

壳体的纵向剖面相当于一根梁，将会产生弯曲拉应力和压应力。在柱顶支座部分，拉力出现在壳体的顶部，因此在砖砌体上面混凝土薄层中布置钢筋；如支点在壳筒两端，

在跨中部分，拉力出现在壳体较低部位，因此会在波谷位置埋设钢拉杆。

萨尔托公共汽车总站“Salto Bus Terminal”纵剖面

同时迪埃斯特在壳体内布置了预应力钢筋，预应力使壳体预先受压，可有效减小壳体拱脚的侧推力，并且可抵消结构在外力作用下所产生的拉力，从而避免开裂。值得一提的是其预应力施加方法：1. 在涂抹外上表面砂浆之前，把扁长环状的钢筋放置在砖壳顶部。2. 环状预应力筋和预先埋设在壳体内的钢筋绑扎。3. 收紧环状钢筋的中间部分，使其变成接近“8”字形，再把腰部绑扎在一起。这样施加预应力的方法类似今天我们所用的扭力扳手，所需外力，远小于沿钢筋轴向施加预应力所需拉力。

壳顶预应力钢筋示意图

施加预应力现场照片

基督圣公教堂1960年建成，是迪埃斯特自承重壳筒的代表作品。教堂墙面与屋面均采用配筋砖结构，墙体的施工不需要借助模板。墙体依靠波浪式的起伏加强水平方向的刚度。直纹曲面墙体的顶部，是钢筋混凝土边梁，帮助屋顶的荷载传递到墙体。埋设在屋顶波谷处的钢连杆，两端固定在边梁上。两侧的曲面砖墙和曲面屋顶形成一个稳定的结构整体。

基督圣公教堂“Church Of Christ The Worker”1960

基督圣公教堂“ChurchOf Christ The Worker”1960

屋顶拱壳单元内部埋有钢连杆吸收一部分水平推力。教堂横向剖面的形状，暗合在自重作用下门式钢架的弯矩图（画在受压一侧），从而充分发挥材料的力学性能。这一独创的形式纯粹基于结构受力，体现了结构艺术家的思考方式。

迪埃斯特设计的这类结构，横向最大跨度12.6米，纵向最大跨度32米，最大悬挑16.2米。即使在今日，不管是从结构概念还是建筑艺术，这些砖块凝聚的大跨度结构仍令我佩服不已。

高斯拱

在一定跨度条件下，筒壳的矢高相对较大，但随着跨度增加，筒壳截面厚度增加自重过大，因而不适用于大跨度结构（实际应用的跨度上限是15米）。但是，大跨度低矢高的薄壳，内部压应力也随之增大，容易受压失稳。一般有多种方法可避免拱壳失稳，如加大结构的厚度，但会增加结构自重，同时加大水平推力；或者增加提高刚度的支撑肋，但粗壮笨拙的肋破坏了光滑的结构表面。上面两种方法都不符合迪埃斯特“稳固取决于形式”的目标，迪埃斯特的选择是高斯拱。

高斯拱“

Gaussian

vault

”

沿跨度方向剖切高斯拱，截面是一条悬链线。当剖切面垂直于跨度方向移动时，悬链线的矢高随之变化，呈斜放“S”形。它起伏的波峰出现在最容易发生失稳的跨中，中点的波浪形加强了壳体刚度，避免结构的失稳。而在跨度的两端，曲面完全变平，与两侧的墙体容易衔接。同时，大跨度低矢高的高斯曲面，将产生强大的水平推力，因此需布置拉杆平衡推力。

唐.博斯克学校体育馆

“Don Bosco SchoolGymnasium”1983年

一组壳体单元收尾相连，相邻“S”形的高低端之间，形成建筑横向狭长的月牙状空隙，也是理想的自然采光面，所以迪埃斯特利用这个狭长的月牙形布置通长的玻璃天窗。使整个屋面显得通透、轻薄，自然光洒在砌体上漫反射形成自然而原始的光晕，对屋面起到了画龙点睛的效果。

港口仓库“Port Warehouse”1979年

海鸥（Seagull）

“海鸥”顾名思义形似海鸥，仅有一根柱子支撑的四边悬挑砖结构顶棚，是迪埃斯特最令小I叹服的作品。虽然它是由自承重壳筒发展而来，但他并不是一个壳筒，而是两个相互平衡的翼状体。在两翼交汇的波谷处设有钢筋，并沿着翼状体的纵向施加预应力。因此，在纵向和横向剖面，海鸥的受力模式都如一根施加预应力的悬臂梁。由于资料有限，小I对于海鸥的理解也非十分全面，可以留给各位读者思考，并欢迎大家在文末留言讨论。

海鸥“Seagull”1976年

海鸥“Seagull”设计手稿

有感而发

特罗哈在他的《结构类型的原理》中写道“每一种材料都有它自己显著和独特的个性，而每一种形状都对应一种受力状态。解决某一问题最理想也是最自然的方式，是一种不带刻意奇巧的艺术，并且同时满足技术和艺术方面的需求……在开始任何计算之前，应当先建立比计算更

重要的整体构想，使材料处于理想的受力状态下，完成各自的使命。”

在今天这个技术高度发达的时代，每一个问题似乎都能轻而易举地解决时，大师留给我们的教诲显得尤为可贵。在20世纪的建筑界，钢与混凝土的应用已经成为建筑结构的前提，它使得工程师与建造者只认识平板的组合。迪埃斯特抛弃了平板式的建筑思维，用空间曲面建造壳体，并用原始的砖块材料替代混凝土，打破了世人公认的前提。

一面墙通常被理解成一个铅直的平面。然而，对于迪埃斯特和高迪而言，一面墙可以是一个直纹曲面。曲面自身的起伏产生稳定性，避免了薄壳常见的失稳。创新的道路就在眼前，只需我们做好出发的准备。

迪埃斯特“建筑与建造”节选

平板在技术领域的统治地位，极大影响了后来建造方式的演变及随之而来建筑形式的演变……

直到今天，大多数建筑仍被设计成平板组合的框架。结构科学可以分析这样的建筑，它们几乎是我们的工程学院、建筑学院传授的唯一建筑类型。许多古代建筑，例如圣索菲亚大教堂和哥特时期的大教堂，都不是平板式的结构。只有从三维的角度，才能理解和分析它们的结构，这显然比分析平板体系困难许多。

事实上，将平板的建筑画成图纸要容易得多，而这一点造成了严重的后果……建筑的本质是它实在的结构，而不是那些图纸。假如我们有充分的理由支撑一个好的想法，而图纸无法表达它，那么我们舍弃的不应当是想法

……例如，双曲拱壳的屋顶就很难用图纸表达清楚，然而实际建造过程却是既容易掌握又很经济节省。由于结构工程师要做的第一步就是画图，很多时候我们思考的对象变成了图纸，而不是结构本身。更准确地说，我们必须借助图纸才能思考结构。