一位結構設計大師的審視：什么才是概念設計？

1。我們結構工程師在設計什么？
也就是民國期間，我們的建筑工程師們建造了一大批杰出的結構工程，中山紀念堂（上部鋼結構，下部混凝土結構），包括新中國建國以后的建筑結構，如北京火車站，上海同濟大禮堂等等一批當時在物資極度匱乏的境況下，研究土木工程史就知道當時處于前列，歐美的在工程師很驚訝中國的水平。當時西班牙，德國，瑞士，墨西哥等國際友人注意到了中國的結構設計水平。現(xiàn)在呢，各類軟件充斥整個設計院，真?zhèn)斡邢拊�充斥中國設計院，黑匣子充斥設計院，標準圖集充斥設計院。比如一個懸臂梁寬900，梁端部配筋50 根32，稍微有結構概念的設計師就知道，彎矩圖端部為0，根據(jù)構造配筋足以！計算機根據(jù)裂縫控制條件給出的計算結果。預埋板幾乎無法安置！比如樓梯配筋，厚度按照標準圖，要知道樓梯一般是現(xiàn)澆筑混凝土結構，與結構整體澆筑在一起，K型支撐作用哪里去了？一位助理結構工程師拍桌子講PKPM 就沒有考慮，全國都沒有考慮，你為什么讓我考慮呢？我怎么會考慮？！也罷。居然某些大院老總也如此認為！
結構程序的出現(xiàn)很大程度的減輕了計算工作量，當變成黑匣子的時候，又把設計師眼睛上蒙上了一塊黑布，標準圖又是一匹瞎馬，業(yè)主的“科學發(fā)展觀”的鞭打下，可謂“盲人騎瞎馬,夜半臨深池”！

2。距離結構真實是近了遠了？
拉丁格言：簡單是真的標志，美是真理的光輝！
近代土木工程從十七世紀中葉到二十世紀中葉的約300年間，經(jīng)歷了最初以伽利略、牛頓和虎克所創(chuàng)建的力學理論為標志的“奠基時期”(1660-1765)和以英國工業(yè)革命為標志的“進步時期”(1765-1900)以及第一次世界大戰(zhàn)前后包括20世紀30年代歐美各國大興土木的“成熟時期”(1900—1945)。尤其現(xiàn)在的計算機誕生，有限元的強大實力，一切結構成為可能！結構設計自由了！果真如此嗎？
我們大學的博士，碩士，在學習彈性，塑性，大舉進軍彈塑性的時候，又有誰去到現(xiàn)場，又有誰了解我們的建造者呢？我們的農(nóng)民兄弟！也有人稱他們是：文盲+流氓！當我們的塑性設計進入執(zhí)行階段時，是不是早已經(jīng)進入了超塑性了！歐拉、貝努力的平截面假定大大解放生產(chǎn)力的時候，當克拉夫動力學如一盞亮指引人前進時，混沌來了，抹煞一切結構工程概念，將結構變成0110 時，上帝笑了！

3。離開計算機，我們?nèi)耘f是結構工程師嗎？
一塊擋土墻，怎么設計，高端的有限剖分一下，在配筋。正好沒有計算機軟件狗，沒有辦法計算，沒有狗不行我們結構師不行呀！只有狗才行！只能這樣告訴業(yè)主。
對老少皆學習花費大量精力學習有限元，土木工程有限元，航空工程有限元的時候，學習完成之后，擺出大有登天入地之勢！如果不從結構的基本概念入手而直接進入有限元，老人學習可謂：‘百歲老翁攀枯枝。’小孩子學習可曰：‘井上轆轤臥嬰兒。’

4。當代我們結構設計缺乏什么？
有幸在今年北京遇到英國曼奇斯特的大學教授季教授，他和他伙伴和博士生的一個研究興趣之一就是分析50 年以前的結構概念設計，現(xiàn)代的計算手段進步發(fā)揮的作用遠遠不及結構概念的作用。我們?yōu)闅g呼勝利的水立方結構，結構概念的提出來自于澳洲的PTW 和澳洲ARUP，和國人的有限元計算以及試驗促使了成功！佛山世紀蓮以及深圳寶安體育場均來自德國的SChlaich 的概念設計，拉丁的格言：簡單是真的標志，美是真理的光輝！

5。結構工程師的出路？
土木工程經(jīng)歷了四個時期:(1) 磚石木時代，羅馬的拱結構，中國的趙州橋，當時的概念設計讓現(xiàn)代的計算手段分析自愧不如。 (2) 鐵器時代：埃菲爾鐵塔，中國的鐵索橋， (3) 混凝土時代：sears大廈，金貿(mào)大廈，等典范。 (4) 鋼索時代：布魯克林橋，蘇通大橋，水立方，世紀蓮，將結構引向輕型化方向。但也有背離的此方向的個別案例，僅僅在中國。下一個時代是什么？當歐美的大師在學習東方哲學時，近代輕型結構的始祖德國大師（Frei otto）包括前國際空間與殼體結構主席川口衛(wèi)很驚訝老子的哲學，自然的哲學。我們又該是不是把目光投向東方哲學。
LY Lin先生取得了驚人的成績時：他說：“我越發(fā)發(fā)現(xiàn)我自己有點驕傲了，因為我學會了東方的哲學，是我土木工程創(chuàng)新的源泉”。把結構概念運用純熟的如高迪，他已經(jīng)結構概念發(fā)揮到極致。他的教堂就是這樣建起來了。德國斯圖加特的一個展出上可窺一斑。

杰出的結構，勢必源于自然。因為自然比人類更了解結構。
德國斯圖加特的旗手在領悟自然后創(chuàng)造的杰作。這里給出的目的是睜眼看世界，三十年樹狀結構在德國已經(jīng)完美實現(xiàn)的結構，我們某些知名大學的知名教授居然要因此結構申請專利基金。更有甚至者，某知名教授，將某些結構，我知道在德國已經(jīng)有二十年了，申請中國專利，甚至到世界上評估無形資產(chǎn)價值數(shù)千萬美元。這就把概念的作用無限大了！不是寬宏大量的結構工程師所為。

從自然的角度看，近代空間結構大師（沈院士稱呼為始祖）Frei otto 的慕尼黑體育場可謂經(jīng)典中的經(jīng)典。基本可以發(fā)現(xiàn)Frei otto橫跨幾個學科，對自然的領悟到了極致。他的繼承者schlaich同樣是結構概念設計的旗幟，中文的：輕·遠——德國約格·施萊希和魯?shù)婪?middot;貝格曼的輕型結構，中文在國內(nèi)可以看到。其它的一些結構概念的文獻（很難在市面上見到，核心之一IASS 會議，其中一個分會案例之一就是結構形態(tài)與概念，通常根本無法獲得一手資料，因為沒有文字記錄）只能通過我們能夠接觸到的老師（如藍天教授等） 那里獲得一些資料，如果要進一步進取求知，恐怕需要花費不少金錢和精力了。有時候總是想，如果放下所有的世俗，那我一定去做自己喜歡的事情，到大師的所在地長期學習，領悟，這就是我現(xiàn)在的唯一奢望了。斯圖加特——夢想飛揚的地方！

水立方結構立面的靈感來源于Kelvin 的“泡沫”理論，理論物理學杰作，事情還得從1887 年說起（9 年后，首屆現(xiàn)代奧運會在雅典舉行）。當年，維多利亞時代著名的物理學家凱爾文爵士曾苦苦思索一個問題：怎樣才能以最經(jīng)濟的辦法把空間分隔成大小相同的單元，并且讓這些單元的共用面積達到最��？凱爾文提出了一種辦法，把這些單元做成14 邊體。在此后的100 多年里，凱爾文設計的結構一直是最有效率的空間劃分方式。到了1993 年，丹尼斯·韋爾和羅伯特·費倫用一種稱作“表面設計師”的計算機程序找到了解決這個問題的新方法：讓3／4的單元為14邊體，其余單元則為12邊體；所有單元的容積都相同。

這種方式比凱爾文提出的分割法節(jié)省了0．3％的面積。 10年后，韋爾和費倫創(chuàng)下的紀錄仍然沒有被打破，而耗資6000 萬英鎊的國家游泳中心也將在中國的首都建造成形。到2006 年完工時，這座場館（又名“水立方”，Water Cube）將占地7 萬平方米，可容納1．7 萬觀眾。整幢游泳館將為鋼結構，以韋爾—費倫結構的改進版本為基礎，外涂層是一種叫作ETFE（四氟乙烯）的透明特氟隆。這種簡潔的結構并非是看上去的雜亂無章，是依據(jù)WeariePhelan 給出的“無限等體積肥皂泡陳列幾何圖形學”：肥皂泡是因內(nèi)外氣壓不同而形成的一種自然結構，液體表面張力抑制肥皂泡的擴張，由于肥皂泡內(nèi)的氣壓對各向都是相等的，因此形成了最小表面積，空中肥皂泡是球形，水平面會是半球形，泡內(nèi)的壓力方向永遠與表面垂直，如果氣泡基座不是圓形，它會自動形成一個最符合泡內(nèi)、外壓力平衡及最小表面積的形狀。如果兩個肥皂泡靠在一起，中間自然形成120度的隔膜，至于隔膜之所以為平面，是因為隔膜兩方壓力相等，而勿論多少個肥皂泡連在一起，它們相接角度勢必為120 度(丹特，1971年）。a）、大小相等肥皂泡，（b）大小不等肥皂泡，（c）3-4個肥皂泡。由十四面體、十二面體基本單元沿三個正交坐標軸X、Y 和Z 生成了巨大的空間立方體。將空間立方體進行旋轉和切割，切出建筑的外邊框和內(nèi)部使用空間。十四面體、十二面體被切出的邊線形成上弦和下弦桿件，切割面之間原有的線即為腹桿。經(jīng)優(yōu)化選擇旋轉角度和切割面，形成最終的結構幾何形態(tài)。

“美麗的建筑不只局限于精確，它們是真正的有機體，是心靈的產(chǎn)物，是利用最好的技術完成的藝術品。”——賴特
有限元誕生之后，并沒有改變原有建筑材料的自然性，以及結構形態(tài)。橋梁：梁，拱，剛架，懸索，斜拉。房屋相對多樣，基本形態(tài)并沒有改變。有限元的誕生：走路的腳，和腳下的路都沒有改變，改變的是腳上的鞋子。稍微對歷史研究的就知道，世界上的建筑大師無不是對建筑材料的本質(zhì)屬性以及對該材料所能達到的最佳形態(tài)的深度理解的基礎上獲得。杰出的建筑大師的建筑設計本質(zhì)上講是對建筑材料本質(zhì)最佳形態(tài)的結構概念設計。如建筑師大師賴特。
美國著名建筑評論家保羅·戈德伯格（Paul Goldberger）在紀念他逝世二十周年所寫的文章中也指出：“可以毫不夸張地說，在他之后，美國還沒有別的建筑師可以與他相比。路易斯·康，埃羅·沙里寧，凱文·羅歇，貝聿銘，菲利浦·約翰遜都不能與他相比，即使上述這些人加在一起，他們在建筑藝術上所具有的影響，也比不過賴特不尋常的七十二個年頭的建筑職業(yè)生涯所造成的巨大影響。”
1867（1869）年6 月8日生于威斯康星州里奇蘭森特。（年代不詳）在威斯康星大學攻讀土木工程，但成績平平，差3 個月畢業(yè)時即離校。1888 年進入建筑師D.阿特勒和L.沙利文的建筑事務所。賴特曾經(jīng)表示喜好用鋼筋混凝土仿照植物的結構來設計建筑，結構中間是一個樹干(trunk)，深埋在地下，每層樓好像足在樹干上長出來一樣，層層加上，陽光從上至下穿過天窗進入室內(nèi)，造成自然照明的感覺，日光與月光都有類似的效果。

賴特認為一切美感均源于自然，因此比較強調(diào)建筑設計應當尊重天然環(huán)境，每幢建筑物都應當順應和表現(xiàn)自然力來實現(xiàn)最佳境界。賴特，曾在日本設計Imperial Hotel，在這座酒店，賴特設計了著名的“船形基礎”抗震結構，并且附設了水池，可以成為火災時的救助設施。帝國飯店在1922年建成，1923年達8.3級的Kanto大地震——它基本上把整個東京都毀了，帝國飯店經(jīng)住了考驗并在火海中成為附近人們的一個安全島。一次機會與美國建筑師大師路易斯康的學生合作設計一個方案，他自豪的講他是路易斯康的學生，那么看看這位路易斯康到底是何等大師！
薩克研究所：
1：空腹大梁當時在美國是頗為先進的技術。它有桁架傳力明確的特點，又不象桁架那樣高，豎桿也承受一定彎矩。更主要的是實驗室的繁多管道可以從中穿過，而不需要另外搞設備層吊平頂。

2：考慮該地區(qū)常有地震，用了一種比較特殊的結構構造:將鉛鋅包鋼板夾于空腹大梁和柱之間，使柱筋有適當?shù)难由煨�，這就形成了區(qū)別于剛性結點的彈性鉸。1965 年建成后，拉霍亞發(fā)生過一次大地震，周圍房子全塌了，而薩克研究所卻安然無恙，連裂縫也沒有，主要是結構的柔性體系幫了大忙。當?shù)卣鹚�平推力產(chǎn)生時，空腹梁與柱之間產(chǎn)生相對滑動，地震力消失后，依靠柱筋的彈性恢復力將梁拉回原處。時值康從達卡返美途經(jīng)拉霍亞，見到這奇景，連連夸耀結構師的功績。
我們不妨從該結構懸挑構建來看，懸挑端部小，根部大，彎矩形態(tài)與結構形態(tài)高度統(tǒng)一。所以我對這位遠方來的建筑朋友頓生十分敬意。moshe設計的展覽館以及前蜘蛛，概念非常明確。肋拱效應非常顯著，彎矩與形態(tài)吻合。