深度好文 | 深扒结构知识体系

来源： iStructure

作者：李彦鹏  顾朝阳

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下面小i为大家整理了一下几条线的思维导图，大家先来随意感受一下。

细研究一下这三条思维线我们可以发现，它们既相互独立又相互交织，比如提到拱就会提到石拱以及材料压强拉弱的特性，提到混凝土薄壳就一定会提到坎德拉(Felix Candela)与伊斯勒(Heinz Isler)，同时说起迪埃斯特(Eladio Dieste)就不得不提砖砌体以及高斯拱。有兴趣的朋友不妨顺着几条线，回顾一下小i往期的文章。

在日常与建筑工程师交流中，年轻的建筑师总有个疑惑，建筑师掌握结构到底需要掌握到什么程度？我原来觉得这种“玄学问题”没必要回答。直到有一次建筑同事让我帮忙辅导注册考试中结构部分时，我发现“官宣”对于这个问题的答案可能稍有误导，为什么建筑师要知道一个结构几次超静定？为什么不让建筑师知道结构体系、材料特性？

其直接结果就是，部分建筑系学生都会做一套完整的参数化表皮，但内部却是一套柱网；看到苹果的玻璃盒子后，建筑方案中玻璃幕墙当剪力墙用；钢柱和混凝土柱一个尺度用等等。

小i一直提倡“美在合理近旁”，今天就以结构体系线，为大家简要梳理一下结构中常用的结构体系，由于篇幅有限本篇主要介绍大跨结构的体系。其中很多体系小i往期文章都有详细介绍，在每章末会给出“传送门”，方便有兴趣的朋友阅读。

结构体系和结构受力是分不开的，从结构受力划分主要会分为压力、拉力、弯曲三类结构体系，小i今天的介绍就从这三方面进行展开。

压力结构的故事要从拱讲起，而谈到拱的受力要先从悬索开始。在两个支座之间连一根悬索，在重力作用下悬索中只有拉力。此时将悬索翻转过来就成了拱，在重力作用下拱中产生了与拉力大小相同的压力。拱的原理就是把力流都以压力的形式传递到结构的支点（拱脚）处，充分利用材料的受压性能。因此对于石材、砖块等受压王者受拉弱鸡的材料，拱结构与之真是“天作之合”。

关于拱有一点希望建筑师注意！要让拱成立拱脚会有很大的推力。为什么会有推力？可以试试现在站起来劈叉，这时你双腿就形成了一个拱，双脚就形成拱脚，有没有感觉地很滑的时裆部的拉扯？这说明拱脚侧推力不足拱会垮掉；现在试着越劈越低，有没有感觉双脚越来越用力？这说明拱越低所需的侧推力越大。

理解了拱的受力特征之后，我们将二维的拱做一些简单的三维操作。首先对拱进行单轴拉伸，我们就得到了筒壳。筒壳继承了拱的特性，结构内以压力为主，在壳体底部两个边界会产生侧推力，且筒壳越低侧推力越大（如果有疑问，可以试试和朋友抱成一排，一起劈叉）。

早期人们用石材的“拱”建造教堂，通过两侧飞扶壁与端部厚实的拱壁来抵抗推力。

迪埃斯特将其用在砖砌体中，将数个拱连在一起形成自承重筒壳，筒壳的侧推力相互抵消。

而后混凝土、钢材等材料出现，结构工程师通过将连续的壳面离散成网格，建造了一系列“新型筒壳”，形式在变但筒壳的受力特性没有变化。

我们接下来试着把拱旋转，就得到了穹顶。同样，其力学性质与拱类似，穹顶内主要为压力，穹顶底部会有向外扩张的趋势，因此底部会形成拉力环，穹顶越低底部拉力越大。

随着时代的推进，穹顶也通过对不同材料的应用，经历了砖石、混凝土壳、混凝土网格、钢结构网壳、铝合金网壳的演变过程。

我们继续对拱进行扫掠、对曲面进行逆吊等各种操作后，又可以得到各式各样的结构，但万变不离其宗，他们都是压力结构。但此时受力就不是那么简单可以概述了，如建筑师有疑惑，可以咨询结构工程师小伙伴，也可参看小i以往的文章。

拉力的故事要从悬链讲起。形是力的图解。形与力相结合的形态，广泛存在于自然界和生活中。比如，森林中悬垂的藤蔓、粘着露水的蛛丝，以及人类建造的吊桥和输电线，都是形与力高度结合的悬链线形态。

与压力结构类似，拉力结构同样有一个很重要的问题，在张拉点会产生很大的侧向拉力。曲线越是扁平，悬链两端水平反力越大，需要强大的反力构件。

受拉结构的结构体系可分为索与膜两类，具体怎么分不多话看下图。

索与膜都被称为轻型结构，为什么被称为轻型结构？因为轻啊（调皮一下）。下面主要通过案例直观的感受各种体系，具体的介绍请通过本章末的“传送门”直达。

场馆中央跨度为126m，约为若户大桥总跨度的1/3

主索拉成吊桥形式，在其两侧看台之间架设钢结构悬挂构件，稳定索呈受拉状态。

在张拉式结构中首次引进“半刚性”（Semi-rigid）的设计思想

航站楼悬垂屋盖跨度约43米

整个大厅内部没有任何立柱

在重力荷载下，屋面自然下垂成悬链状

巨大的混凝土柱子向外倾斜，用以平衡和抵抗悬索端部的水平力

20cm厚的白色混凝土

包裹着高强钢索

跨越近70m

却轻盈得像是一条毛毯

弗雷·奥托参与蒙特利尔博览会德国馆的方案竞标

该结构是世界上当时最大的均匀网格索网结构。

张弦梁，由上弦的刚性构件(Beam)和高强度的张拉索/杆(String)，再通过若干个撑杆(Strut)连接而组成的刚柔混合结构，利用形抗和预张力抵抗外部荷载，是一种高效的大跨度空间结构体系。

对于张弦梁的起源有许多种说法。一种是系杆拱增加竖直撑杆的“加法”演化；一种是鱼腹式桁架去掉斜腹杆的“减法”演化。在20世纪末，张弦梁形式的大跨度空间结构兴起，而斋藤公男教授被认为是现代最早尝试张弦梁结构的工程师。

张拉整体结构是一种稳定的自平衡结构体系。对受过结构分析训练的人来说，看出传统结构的传力关系是相对容易的，而张拉整体则是牵一发而动全身，更为这种结构形式增添了一份神秘。关于张拉整体结构还有一段师徒之间的八卦，有兴趣的朋友可以从本章末传送门直达《拉力海洋中的孤岛—张拉整体》。

组合张拉结构 Hybrid Tension Structure由柔性的索膜与刚性的梁、拱、撑杆、刚架等组合。盖格尔（D.H.Geiger）在富勒张拉整体思想的基础上，发明了支承于周边受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体穹顶体系，即索穹顶。

1992年建成的Georgia穹顶由Levy等人设计，作为1996年亚特兰大奥运会的主场馆。由于体系创新，该类型穹顶被称为Levy穹顶。

关于膜结构的近代史，可以认为从帐篷开始演变和启发的。膜材主要分为织物类膜材(PVC\PTFE)和非织物类膜材（ETFE）两大类。膜材的选择往往在很高程度上取决于建筑物的功能、防火要求、设计寿命和投资额。

关于膜结构小i还没有过专门的文章介绍，有兴趣的小伙伴可以踊跃投稿填补这个空白。

这里讲的弯，不是建筑师眼中的形态弯，也不是英国人眼中的取向弯，而是结构受力状态。一般在大跨度和长悬臂结构中，构件受弯是主要问题，也是建筑师和结构师争（si）论（bi）的焦点。

最常见的受弯构件就是我们日常设计中都能碰到的梁，关于梁的受力机理，小i的往期文章《从一根悬臂梁说开去》有详细介绍，这里不再赘述。用不同的材料，在截面上稍作变化，我们就可以得到不同类型的梁。

数学家和物理学家都喜欢化归法，即把新的问题转化为已经解决的问题。同理，梁受弯问题同样可以转化为拉压杆件的组合——桁架就出现了。常规的桁架是由几何不变的三角形单元组成的刚性结构，杆件主要承受轴向拉压力，结构效率很高。对于空间结构的悬挑和跨越主题，桁架结构几乎是万能的。

从桁架的历史发展来看经历了三角桁架、梁桁架、空腹桁架、空间桁架等形式。

早在两千年前，人类的祖先就发现了三角形的稳定性原理，并发明了三角桁架，广泛应用在古代住房的木制屋盖中。三角桁架与梁、拱一样，是古代建筑实现跨越的最主要方法。三角桁架形状与简支梁跨中受集中荷载的弯矩图一致，它比梁结构的效率更高，且不会像拱那样对支座产生推力。

梁桁架又称为平行弦桁架，出现于19世纪中叶，是由拱桥发展而来。到19世纪80年代，工程师们已经掌握了简洁实用的桁架设计方法。同时，材料也在不断的进步，工程师将铸铁用于受压杆，锻铁用于受拉杆，而后又以性能更好的钢材替代。越来越多的大跨度桁架结构出现，尤其是在桥梁领域。

空腹桁架是在常见桁架的基础上将斜腹杆去掉，而由竖腹杆与弦杆构成的格子状结构。由于没有斜腹杆阻挡空间，建筑师往往偏好空腹桁架。但是任何事都是有利有弊，空腹桁架的直腹杆在解放空间的同时，不得不承受很大的剪力和弯矩，桁架整体的效率不如普通桁架。

早期的桁架都是以平面形式出现，工程师一般通过布置水平支撑的方式，解决其平面外的稳定问题。而后出现的空间桁架，构件则在三个维方向布置，其横断面常为三角形或矩形等，大大提高了桁架的整体稳定性，适用于现代大跨度空间结构。

对于抗弯结构我们还有一种选择—折板。比如一张纸非常薄，因此抗弯刚度很小；而当我们折叠纸形成折板时，就形成了空间结构，通过空间形抗作用，大幅提高了结构的整体刚度。折板在受力上同样满足正弯矩侧受拉另一侧受压的基本受力特征。

小i一直在探寻建筑结构的融合，本篇对于结构体系线的总结，也是为建筑师理解结构起到抛砖迎玉的作用。

作家七堇年说过，“电影里说，‘你我之间本无缘分，全靠我死撑，我明白的。’ 以前觉得这话直抵泪点，现在却觉得，说白了，爱一个人真的就是自己一个人的事儿，得拿出过日子一样的态度。只要还想继续，就大不了哭一场，硬着头皮爱下去。世间什么缘分不缘分，都是撑来的。” 现在想来，其实做结构设计也是这样，那些近乎完美的建筑，都是各个专业上下求索的死撑才能完成的。

附上几句在2014年中日建筑结构学会议及2019年结构成就建筑之美会议上大师们的观点作为结尾。

大野博史：“要将建筑与结构统一，让人无法区分建筑和结构。”

张永和：“现在建筑学培养的学生多不懂技术，陷入自己是艺术家的幻想。”

周健：“结构形式是在各种约束条件下自然形成的，没有定式。”

斋藤公男：“日本的自然灾害频发使得日本在设计建筑时首先考虑的是安全。”

小西泰孝：“建筑师提供给我无穷的线索让我去完成结构。”