杆系结构形态建立方法研究

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1、杆系结构形态建立方法研究-->第1章绪论1.1课题背景1.1.1建筑与结构建筑是人们从事生产、生活、集会等活动的场所，其目的是为人类提供必要的使用空间。建筑是形式与内容的对立统一体，形式主要包括建筑样式和空间形式，而内容则主要包括建筑的功能、审美方面的要求和技术手段对这两方面要求的支持情况[1]。结构是构成建筑空间的骨架，是承受荷载的主体[2,3]，建筑功能的实现离不开结构。结构形态的选择影响建筑的安全、经济、使用、审美等多方面对建筑的要求，在建筑方案设计阶段起至关重要的作用。建筑与结构设计始终有着密切的联系，长期以来其理论各自独立快速发展。虽然两者之间存在区别和相对独立性，但两者也具有相互

2、制约相互影响的方面。合理的结构隐藏着美得多样统一，不应在建筑中被遮蔽，应充分利用合理结构给予“使用功能”与“视觉效果”的积极影响。要实现建筑合理性与结构合理性的统一，相互协调，就必须实现建筑与结构的沟通。它不仅仅是建筑师与结构工程师的沟通，更是现代结构技术与建筑意图的沟通，也是力的传递路径与建筑功能、建筑美的沟通。随着结构技术的发展和大跨度空间建筑的广泛应用，人们逐渐认识到在大跨空间结构建筑中不论结构遮蔽程度如何，结构都直接决定着建筑的空间形式，如图1-1所示的武汉火车站。结构形状对建筑效果的积极影响逐渐被重视起来。建筑师和结构设计者都开始从新审视建筑与结构的协调问题，从已发展的结构技术角度

3、出发，寻求建筑与结构的协调，探讨结构可为建筑效果提供哪些贡献。遵循结构中的力学规律，因势利导利用结构的合理几何形体来限定人们的视觉空间范围，造成新颖的空间形态，是结构技术与建筑发展相适应的现代建筑表现技巧之一。这要求建筑师拥有丰富的结构知识和利用结构知识创作的意愿。考察目前结构形式和建筑形式的关系可知，壳体结构、膜结构、悬索结构、拱等具有建筑形式与结构形式高度统一的特点。这些结构形式很大程度上直接决定了建筑形式，这是结构设计者可以广泛发挥作用的场所。然而，通常的结构形式只是这些结构的简单组合，往往不能满足人们对建筑美学的不断追求。随着计算机技术的发展，当前的结构设计分析手段已比较成熟，但是，

4、寻求合理结构的过程依然是过去以经验为主的方式。..........................1.2结构形态创构方法的发展现状1.2.1结构形态创构发展现状从人类在开始学会搭建构筑物的时刻起，就在不断地探索结构的合理形态。通过长期生产实践，创造了许多合理的结构形式，如通过烤食物而对人字构件的认识，了解到三角形的良好受力性能，通过逐步改进，形成了三角形桁架，逐步演化成了复杂桁架结构。其他的结构，如帐篷、应县木塔、赵州石拱桥等结构形式均体现了形与力的完美融合。由于其所处的人类发展阶段决定了这一时期的人们对结构形态的认知是朴素的、纯经验性的。随着社会经济的发展，人口增加导致的居住的需要，以及由

5、宗教活动等产生的对大空间的需求，人们于20世纪初期开始了真正有意识的结构形态学研究活动。逆吊实验方法是一种有效的结构形态创构方法，它首先由西班牙建筑师A.Gaudi提出，多座教堂建筑[9,10]都是利用此方法设计的。图1-5a所示是西班牙巴塞罗那的圣家教堂(LaSagradaFamilia)，它采用“悬挂垂线”的方法设计。在“悬挂垂线”方法的基础上瑞士工程师H.Isler进一步发展，利用“悬挂薄膜”的方法在1960、70年代设计了很多混凝土薄壳结构[9]，如图1-5b所示的是Deitingen加油站，这样的混凝土薄壳没有边部加强构件，建筑造型更加轻巧。德国建筑师F.Otto通过“逆吊索网”的

6、方法设计出了著名建筑“曼海姆大篷”，其结构形式是格构式壳，用木结构完成建造[11](图1-5c)。进入20世纪中叶，“模型”是设计主角，以F.Otto为代表的很多学者受蜘蛛网、气泡等很多自然形态的启发，通过肥皂泡、网格布、铁丝网等物理模型方法提出了确定索膜结构初始形态的极小曲面理论。这些研究使得悬索结构与薄膜结构等柔性体系得到了极大的发展。从这时起，由形态分析理论得到合理结构形态的研究开始受到重视。直到60年代末期，进行索膜结构初始形态分析的主要方法仍是物理模型法[11]，1972年慕尼黑奥林匹克运动会主体育场就是采用该方法设计的典型建筑。F.Otto提出了这样的观点：“了解存在于自然之中的

7、生成过程并人工的完成这种过程乃是设计之道”。这种观点表明的哲学思想是建筑美是孕育于自然美之中的。与F.Otto同时代的美国发明家B.Fuller在结构形态学领域也开展了具有重大意义的工作，他善于观察与思考自然和宇宙，提出了设计科学的思想，认为“自然界存在能以最少结构提供最大强度的向量系统”，即所谓“最美的形式也是最经济的形式”。Fuller在此思想指导下提出了短程线穹顶[12](图1-6)和张拉整体的概念。后