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关于一些近期的轻质结构探讨
Jorg Schlaich
Schlaich Bergermann und Partner，顾问工程师，斯图加特，德国
摘要
轻质结构是生态的，社会的，文化的。它们挑战着工程师的知识和经验并且回报给他工程的乐趣。在总结了一些著名的原则设计之后，作者将在文章中介绍一些自己经历过的近期的几项工程。
1.介绍
任何一个注入智慧与责任的结构设计都会立志做到“越轻越好”，结构的功能是去承担“活荷载”。结构本身的恒荷载是一个不可避免的麻烦。一个结构的恒荷载与其所承担的活荷载的比值越小，结构就会越轻。
我们知道一个节点缆索悬索桥会明显的轻于焊杆桁架桥更会轻于混凝土箱梁桥。因此这会让我们产生一个疑问为什么仅有那么少的悬索桥被修建并且都是大跨度的情况，直觉会告诉我们对于轻质的要求不是设计结构的唯一标准。
确实，自然荷载是轻质结构的敌人。这些结构要适应雪荷载和温度变化荷载下的严重变形，结构对于风带来的颤动很敏感，它们会出现裂缝（塔科马结构工程师的心理创伤），但是他们在地震作用方面做的很出色。轻质结构的另一个可怕的敌人是今天雇佣劳动力的昂贵和自然资源轻率使用。这些都提升了应用轻质结构的阻力。
但是在我们讨论如何设计轻质结构之前我们需要问问我们自己是否轻质结构当前值得我们努力去改善和发展。
2.为什么会有轻质结构
从生态的，社会的和文化的观点出发，轻质结构从没有像今天这样有必要应用并且符合时代的要求。
从生态学的观点来看，轻质结构是有效利用材料的，因为材料的强度得到了最好的应用，因此资源没有被浪费。轻质结构可以经常的被分解并且它们的元素
可以被循环使用，轻质结构减小了熵，因此能够更加有效的满足可持续发展的要求。
从社会学的观点来看，轻质结构可以创造更多的工作，因为精细结构的设计要求密集的劳动力在细节方面精心的设计并且在准备期和加工期花费大量的支出。脑力劳动代替了体力劳动，现在时间和技术取代了挤压式的工作，工程的乐趣代替的繁重的工作。但是只要我们的现代经济要求按劳取酬，我们就仅仅是为开采原始资源的花费付了款，而并没有全面的考虑额外费用，在同一种功能上，轻质结构可能比大体积结构更贵。因此轻质结构可能都是应用于领导者的空间。众所周知只有银行，保险公司和一些博物馆可以负担得起轻质结构，可是没有乡下的居民或者普通的工业建筑会使用这种结构。并且结构师和建筑师都沉溺于在优秀人才中显示自己（一个轻质结构先锋者精神的刻薄的对照：Buckminster Fuller，Vladimir Suchov，Frei Otto）。他们继续推行这种结构表现并且甚至没有注意到他们身边98%的结构师都在渴求他们的注视，然而他们的关注确实也在很大程度上有悖于社会。作者知道他所谈论的东西并且知道自己站在了被批评的立场上。
从文化的观点来看，有原则性和有责任心修建的轻质结构可能对一个高贵的建筑做出了巨大的贡献。轻、做工精细、柔软会比重、大体积、坚硬更加给人以舒适感。经典的轻质结构力的分布是可见的并且会启发他们理解他们所看见的东西。因此轻质结构以她们的合理的美感可能会打动技术人员，施工人员和工程师的同情心。他们会帮助我们逃离今天广为流传的千篇一律的单调的并且有可能日后将再一次成为建筑文化最核心部分的结构工程模式。
3.轻质结构的原理
当设计轻质结构时我们首先不得不记住一个恒荷载最不利的的特征：一个在弯曲应力下的梁的厚度，为了支撑它本身，厚度就不仅仅是按照梁的跨度增加（这是通常被假定的），而且是按照梁跨度的平方增加的。例如一个梁跨度10m，0.1m 厚，当跨度达到100m时它的厚度增加的就不是10倍而是10*10倍。因此这个梁不得不达到10m厚，随之它的总重量增加了1000倍。
尽管Galileo Galilei 已经了解了比例的重要性。为了说明这个他用一个小的轻的小鸟的骨头和一个相应的很厚重的恐龙的骨头做比较（图1）。这个告诉我
们跨度的增长增加了结构的重量，因此我们要避免无用的大的跨度。
图1：Galilei的比例效应的示范
但是这种关于比例的自然规律可能被一些伎俩所规避，那么其次避免因素就是强调杆件的轴向压缩和拉伸有利于杆件的弯曲，也就是说对梁进行了分解。这基本上总是可能的正如桁架梁所表现的。绳和压杆使整个横截面均匀的受到削弱，没有任何多余的。弯曲完全只让边缘的纤维受到应力而中心的大块的恒载也不得不被随着拖动。
这里绳索的拉伸显然比压杆的压缩表现的更为有利，因为只有材料坏掉绳索才会坏掉然而微弱的压杆失效是因为受到弯曲，即一个突然的侧向力。这个可以用一个长的竹竿简单的测试出来。我们不能徒手将它拉坏，但是如果我们去压它，它很快就会弯曲而坏掉。这些有效的拉伸变成了第三点被强调的因素甚至是更为有效的，即为增加拉伸强度β，减小材料密度γ，也就是说增加破坏长度βγ。这个明确的价值代表一条线的长度能够达到其垂直的悬挂直到达到它屈服于它的自身静荷载。木头要比钢铁以及自然的和人工的纤维更为有效。
以上这三种针对轻质结构的方法已经引领我们进入了千头万绪的桥梁工程之中。我们承认（图片2，从上部开始）解散梁到桁架然后到主要靠压缩来承受荷载的拱结构（左）再到拱结构的倒置即有效的利用有利拉力的悬索结构。在底部是最边缘的结构，纯拱结构和位于两个岩石面上的悬索结构。后面这几个是没有用的，因为他们在荷载下面变形过大。但是在上面的和下面的结构之间的结构有很多不同的解决方法：拱和悬索被次梁和各种加固的绑扎所加强，板加强拱，支柱框架（左）和铁索桥和悬索桥等等（右）。在图2中越向下的结构越轻同时风震对其的影响也越大，同时这也代表着桥梁工程的挑战与吸引力。
图2：桥梁的发展
当今桥梁工程的热心关注者会发现一个普遍存在的相当务实的态度，那就是结构越重越合理。一个坚实的梁的跨度大约能够达到100m，拱的跨度大约能够达到250m。结构能够承受的恒荷载大约是活荷载的5倍。当跨越大约达到300m 时，恒荷载就变得至关重要，因此可以选择的只能够保留“轻质结构”:跨度达到1000m的自锚式悬索桥和斜拉桥和跨度更大的回锚式悬索桥。
位于法国的跨度达到856m的诺曼底大桥和位于日本的跨度达到890m的多多罗桥是世界上最大的斜拉桥。世界上最大的跨度达到1990m的悬索桥是位于日本的明石海峡大桥。跨越跨度达到3500m的墨西拿海峡的悬索桥使用了4根直径达到1.7m的悬索。这些绳索要花费一半的承载能力去承担他们自身然后用剩下的一半去承载实体桥梁和与桥与索绳的恒荷载相比微不足道的活荷载。根据定义，这些决不能算是轻重量结构，但是在这样大的跨度下，今天我们难以找到可以被允许的更轻的材料，我们已经达到了极限，除非能够用更能体现价值的βγ塑料纤维去代替钢索。
一个有独创性的达到轻便的手法应该被简要的说明一下，也就是说第四种预应力的方法和那种把不利的压缩应力转化为有利的拉应力的方法（图3）。例子
是一个交叉的板条组成的四边形。对角线的绳索因为欲加了拉应力所以受到压力
不会松弛但是会分担荷载。最初在绳索受到外部荷载之前绳索受到预拉力，因此当它受压的时候其实它是受到了一个相应的拉力的减小而并没有受到压力。这用方法可以创造出非常轻的索梁就像带有拉力和压力互相抵抗的索网结构和膜壳结构所表现的完美的结构。
图片3：预应力的原理
左上：未加力运动系统
右上：对角线上的压力是松弛的，只有对角线上的拉力是起作用的
左下：预应力：在荷载施加之前对角线是缩短的，也就是加了预拉力
右下：在一个预应力系统里两个对角线都承担荷载
轻质桥梁的基本原理也可以应用于建筑，例如大型屋顶的体育场馆和大型的工业厂房等。因为这些索梁结构之间的空隙需要跨越的横向曲梁作为补充，因此导致产生半重型和半轻型的屋面，因此最后一步也是不可避免的。第五点，轻重量空间结构，纯轴向力双曲面空间结构，也叫膜结构（图片4）。这些建筑不仅极轻，而且他们在建筑领域打开了一个全新的世界，一个无法超越的各种形式的而且是绝对不可能用尽的世界！就像桥梁，这些结构把它们的荷载主要转移到压缩壳或穹顶（图片4，左），或张力索网和膜上（右）。在他们之间是平面空间结构，平板和空间网架。
图片4：轻质空间结构的发展
尽管极其薄的壳体墙壁和空间穹顶形状稳定并且会阻止它们发生可怕的屈曲。运用预应力可以保护异常的轻网和膜结构受到风震的影响。网和膜的两个主要方向机械的互相压迫对方而产生经典的有反向曲率的马鞍形状，或者是由内部空气压力和真空产生的气体作用受压而产生的拥有正向曲率的拱顶形状。这个可以由现代计算机控制和制造，因此，这种轻质空间结构的范围更可能被限制。双曲面要求制造昂贵的模板和复杂的切割模板（图片5）。张拉结构和膜结构的细节部分是复杂的并且要求极端精确的制造。
但是最近几年纺织膜结构有着显著的发展。因为它们可以被折叠并用于可变
的结构。这标志着结构工程的一个的随着反复无常的气候变化完全改变我们生活
方式的全新时代的开始。未来已经来临了。
图片5：经典双曲面轻质结构的几何形状与制造
实现轻质是一个负担，因为轻质结构挑战着静态理论和动态理论所设定的界限。材料将技术应用于测试和复杂的三维结构制造过程。
轻质结构诱惑着专业工程师，因为他们－这个专业的模范－同时拥有着他们的知识，能力和经验还有他们的幻想和直觉。工程师能够建造出巧妙和有效的结构为建筑文化作出贡献。
多年以来，作者和他的同僚们一直在努力将这些轻质原理应用于各种类型的建筑。出于空间的原因以下只给出最近的一些例子：
4.一些最近的例子
部直立的悬臂建筑物。（1995）
个双螺旋的楼梯。（在讨论会的时候建设并完成）
图片8a+b：西班牙马德里的Vista Alegre斗牛场，垫层直径达50m。它的上部是透明的高度达到7m的聚酯聚氯乙烯膜，它的内部是下垂5m的聚硫橡胶透明膜，并且被一个由12mm缆索组成的1.51.5m网格索网所加强。整个垫层可以被沿着12根垂直柱上的卷扬机提高11.4m，这些柱子位于内圈永久悬臂式屋顶上，屋顶在看台之上。
图片9a-e：这些大型体育场馆的膜屋顶都是基于辐条轮的原则。
a+b）斯图加特戴姆勒体育场，建筑师H.Siegelund Partner和Weidleplan。(1993)
c）吉隆坡国科会室外体育场，建筑师Weidleplan（1997）
d）汉堡的V olksparkstadion（2000）
e）德塞维利亚，建筑师Cruzy Ottis。
在一些大型体育馆屋顶的情况下，初级缆索结构在应用车轮原则的基础上，这用模型使用两个内部的张力圈和一个外部的压力圈，反过来也一样。尽管是巨大的尺寸，但是要做成轻质结构，这样膜结构就应运而生，并且它的透明营造了一种友好和愉快的氛围。这是最重要的一点就是可以平息在其他地方频繁发生的斗殴，骚乱和恐怖袭击。1993年在斯图加特体育馆举办的田径世锦赛的气氛是最好的，感谢使气氛变为轻松和愉快的膜结构。
鉴于斯图加特，吉隆坡，汉堡和一些其他的刚刚被介绍的放射状的索梁在内部和外部的环之间作为一个初级的结构用一个膜跨越在它们的下部（斯图加特，哈莱）和上部（吉隆坡）的缆索之间，还有一个绑紧的拱作为高一级的结构，以Estadio Olimpico de Sevilla的屋顶为例（早期的外部屋顶，位于萨拉戈萨），膜是一个初级结构的整体部分，这是强调在上，下缆索之间，造成一折板的几何和承载的行为。我们意外的是在这个例子中，建筑师对一个半透明的屋顶没有兴趣，而坚持要用一个不透明的膜。很显然膜结构的质量和成功取决于它们的细节，清洁和简单的细节在和谐之中与结构成为了一个整体。这当然需要不断的努力和包
括不仅是硬件还有膜的裁剪模式。如果经过精心设计，几何形状的接缝可以反映力的流动，从而改善膜屋顶的外观。三个最近建成的屋顶可以作为例子告诉我们应该怎样去尝试这种想法：
图片10a-d：膜屋顶
a-b）Hamburg-Stellingen上空滑冰场屋顶的外部夜景；建筑师Silcher，Werner，Redante和Partner。（1994）
c）奥尔登堡一个正面看台上的屋顶（1996）
d）吉隆坡室内水池；建筑师Weidleplan。
Hamburg-Stellingen滑冰场屋顶覆盖着一块冰面。仅有附加索支撑的四个桅杆让这种结构的外表显得很轻盈。当膜接近这些单一的支撑，它的接缝聚集成一个加劲条形成的同心环形，这样可以可视化集中力。
图11a-d：a）从内部看玻璃网穹顶的内卡苏姆的室内游泳池，建筑师，
K.Bechler（1989），b）从内部看汉堡历史博物馆庭院的玻璃穹顶网格，建筑师，V olkwin Marg（1989），c）施潘道火车站车库，建筑师，M.von Gerkan（1999），d）柏林动物园河马房水池上部的屋顶，建筑师，J.Griebl（1999）奥尔登堡看台上部的屋顶悬臂结构用到了很多杆，这些杆用由索支撑的横向柱并且中间放上模板，模板又向下绑在杆上。从远距离看它是相当简单而有几何美感的，然而在下面看它又显示出洁净和令人愉快的外表，真是膜结构的代表。
为了解决膜的单一支撑这个困难，我们做的另一个努力导致在吉隆坡体育馆
附近出现了一个苜蓿叶屋顶的室内游泳池。最后我们来到玻璃屋顶，为此我们发
展了我们所说的网格穹顶。再一次基于方形网格的结构原理，这样的网格可以适应双曲面任何形状的角度变化。首先这样一个纯穹顶网壳被建造起来并且后来通过对角线上的缆索使之强度提高。卡苏姆玻璃穹顶室内游泳池是一个纯几何球面。以汉堡历史博物馆庭院上部的屋顶为例，这个屋顶的两个柱与上部的圆盘相交形成一个自由过渡表面的圆顶形状。这两个屋顶以及后面更多的例子，都在说明这种壳体结构的轻便。常见的双曲面玻璃所覆盖的网格穹顶自然要求球曲面玻璃嵌板，一个真正的问题是四边的网格是不是在一个平面内，特别是双层玻璃是必需的。在卡苏姆我们确实真的实现了球形双层玻璃顶穹顶，但是永远不会再有了。在汉堡我们得到了简单的光滑面并且对玻璃加力使其产生必要的变形。
圆柱壳屋顶，通过端部隔板或者通过辐条圈进行加强，以及他们的反演，悬挑屋顶，当然克服这个问题用到一个微不足道的方式，在我们的外立面直接将玻璃加到索网节点上。
然而，只有平移的平面能够真正的解决问题，并提供大面积的双曲面四角网格，每个网格在一个平面里，任何几何形状都可以选择。柏林动物园的河马房游泳池屋顶，在两个范围内加入了不同的尺寸，是一个好的现实的方法的例子。
图12a-b：DG-银行，柏林，建筑师Frank O.Gehry,1999
网格穹顶，网格壳，网壳，作为在这里讨论或是换句话说，Bauersfeld, Fuller, Wachsmann, Schwedler, Mengeringhausen, Otto和其他人的工作特点是寻求有效
的网状空间网格结构与尽可能多的缝翼和节点平等的大小和形状为一个经济的预制和装配。“感谢”CAD, CAM, CNC这些已经都显得陈旧了。现在，任何一个曲面都可以覆盖一个三角形网格几何结构，在那里任何一个板和节点都是不同的，但是在任何情况下都可以完成一个完美的支撑。不利的是浪费了很多玻璃。它表明，缺乏原则的几何形状上的限制绝不能有混沌的形状，但可以取代自我强
加的秩序，导致清洁和美丽的结构。