1、建筑結(jié)構(gòu)丨結(jié)構(gòu)性能的建筑設(shè)計簡史結(jié)構(gòu)性能的建筑設(shè)計簡史 基于結(jié)構(gòu)性能的建筑設(shè)計方法是建筑師通過對于結(jié)構(gòu)性能（結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、材料特點、跨度關(guān)系、抗震性能等）特性進行分析，在建筑設(shè)計過程中通過模擬、運算和優(yōu)化過程找到空間形態(tài)與結(jié)構(gòu)合理關(guān)系的設(shè)計過程。 文藝復(fù)興文藝復(fù)興前后期，建筑師的權(quán)責建筑師的權(quán)責產(chǎn)生了標志性的變化。前期，在宗教建筑以及當時其他公共建筑設(shè)計中產(chǎn)生了教堂穹頂、柱廊等結(jié)構(gòu)空間，充分展示了建筑原型空間與其結(jié)構(gòu)特性的潛在建筑原型空間與其結(jié)構(gòu)特性的潛在關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)。后期，工業(yè)革命使得建筑師與工程師之間的分工界限變建筑師與工程師之間的分工界限變得更為分明得更為分明，建筑師則必須考慮建筑的文化影響與

2、概念的傳播。這種分化使得傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計過程結(jié)構(gòu)性能設(shè)計過程變成了一個被動式的設(shè)被動式的設(shè)計計，結(jié)構(gòu)性能分析方法，作為一種新的設(shè)計方法完全可以成為建筑師設(shè)計找形的手段設(shè)計找形的手段。在BIM平臺高速發(fā)展及壯大的同時，新的協(xié)作方式新的協(xié)作方式正在被逐漸的尋找和建立，建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的互動融合，建筑空間和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的融洽結(jié)合，這正是現(xiàn)在以及未來建筑師的思考。按照時間順序，建筑師對基于結(jié)構(gòu)性能的建筑設(shè)計思考分為三個階段：靜力學(xué)圖解階段靜力學(xué)圖解階段，力學(xué)建構(gòu)階段力學(xué)建構(gòu)階段，結(jié)構(gòu)性能生形階段結(jié)構(gòu)性能生形階段。1靜力學(xué)靜力學(xué)圖解階段圖解階段19世紀圖解靜力學(xué)理論的形成 圖解靜力學(xué)圖解靜力學(xué)是在結(jié)構(gòu)分

3、析和可視化結(jié)構(gòu)分析和可視化過程中，將作用于結(jié)構(gòu)上的力轉(zhuǎn)譯為力矩圖的設(shè)計方法內(nèi)容。外力在每個結(jié)構(gòu)受力圖解中，用長度來表達承載力的大小，線段指向代表受力方向。結(jié)構(gòu)的整體受力，是通過相互平行的線段和其長度變化來確定和表達的，所形成的這一力的圖解被稱為力矩圖，通?？梢酝ㄟ^改變力矩圖，來改變這些力的約束影響。圖解靜力學(xué)圖解靜力學(xué)通過圖解的方圖解的方法法實現(xiàn)了一個互動、實時的建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)同互動、實時的建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)同過程。靜力學(xué)是建筑師和結(jié)構(gòu)工程師開創(chuàng)的，但是由于數(shù)學(xué)計算的瓶頸，發(fā)展一直受到桎梏。在經(jīng)歷了圖解靜力學(xué)圖解靜力學(xué)（Die graphische Statik），解析幾何解析幾何(Analy

4、ticalGeometry 1874)和圖解靜力學(xué)研究圖解靜力學(xué)研究（Researchesin Graphical Statics 1878），圖解靜力學(xué)理論圖解靜力學(xué)理論（Diegraphische Statik 1890），圖解靜圖解靜力學(xué)的應(yīng)用：桁架，梁和拱力學(xué)的應(yīng)用：桁架，梁和拱（Graphic statics, with applications to trusses,beams and arches）等直到今日仍然影響頗廣的靜力學(xué)著作的洗禮下，靜力學(xué)時至今日依然是結(jié)構(gòu)性能中不可或缺的一部分。莫里斯克什蘭(Maurice Koechlin) 與艾美爾樓吉爾(Emile Nougier

5、) 在1884年6月的第一個埃菲爾鐵塔概念草圖 卡爾庫爾曼（Karl Cullmann）的圖解靜力學(xué)（Die graphische Statik )掃描 杰羅姆宋德里克（Jerome Sondericker) 的圖解靜力學(xué)的應(yīng)用：桁架，梁和拱(Graphic statics, with applications to trusses, beams and arches) 勞恩斯泰因教授（Lauenstein Rudolf）圖解靜力學(xué)理論（Die graphische Statik )封面2力學(xué)建構(gòu)力學(xué)建構(gòu)階段階段 在這個階段，還是有很多從力學(xué)出發(fā)的建筑本體建構(gòu)案例，一方面從建構(gòu)出發(fā),探索了一些

6、有益的結(jié)構(gòu)類型，如薄殼以及空間結(jié)構(gòu)，全面提升了建筑大跨度空間的塑性能力；另一方面綜合考慮了除了靜力學(xué)以外的力學(xué)特性，例如風荷載、地震力等復(fù)合的受力關(guān)系，后期通過結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件來驗證與實現(xiàn)建筑形式，被稱為力學(xué)建構(gòu)的后合理化時期后合理化時期。通過復(fù)雜和復(fù)合的力學(xué)運算，實現(xiàn)任何形式意義上的建筑創(chuàng)意。此時，靜力學(xué)已經(jīng)不被建筑師所滿足，雖然圖解靜力學(xué)等理論幫助高迪等建筑師在幾個世紀前，創(chuàng)造了令人難以置信的復(fù)雜拱券結(jié)構(gòu)及空間，但它不可避免的被認為是輔助分析工具。此時，薄殼結(jié)構(gòu)薄殼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)突破了原本圖解靜力學(xué)圖解靜力學(xué)撐起的一片天。薄殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是建立在已有圖解靜力學(xué)知識的基礎(chǔ)上的，滿足大型公共空間的結(jié)構(gòu)要

7、求大型公共空間的結(jié)構(gòu)要求；其次，薄殼結(jié)構(gòu)自身清晰的結(jié)構(gòu)清晰的結(jié)構(gòu)原理和幾何原理原理和幾何原理，是快速生產(chǎn)與大量建造快速生產(chǎn)與大量建造的必要條件；而且重要的是，這是一個經(jīng)濟合理經(jīng)濟合理的解決方案，使用的材料，勞動力資源和建設(shè)時間都被減少到最低限度少到最低限度。迪埃斯特(Eladio Dieste)的索多紀念碑坎德拉Felix Candela的瓦倫西亞海洋館但與此同時，在薄殼結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展的這段時期，對其的批判性批判性討論討論也蓬勃展開。首先，基于物理模型的設(shè)計和造型方法，可能產(chǎn)生獨特的不可重復(fù)獨特的不可重復(fù)的設(shè)計結(jié)果，這個結(jié)果只能經(jīng)過有限數(shù)有限數(shù)量的物理試驗的迭代和驗證量的物理試驗的迭代和驗證，可

8、能難以得到預(yù)期的設(shè)計結(jié)果；其次，這些設(shè)計生成方法是在極其精確、單一的設(shè)定極其精確、單一的設(shè)定中完成的，這可能會無法在設(shè)計過程中權(quán)衡多種受力情況無法在設(shè)計過程中權(quán)衡多種受力情況，如對于地震力、風荷載等復(fù)合作用的驗證能力；最后，這些方法只能提供有限提供有限的結(jié)果的結(jié)果，使得它難以為建筑師找到潛在的美學(xué)或結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決難以為建筑師找到潛在的美學(xué)或結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決方案方案。這些問題驅(qū)使建筑師亟待尋找新的計算工具，設(shè)計技術(shù)以及設(shè)計方法。海恩茲伊斯勒（Heinz Isler）在 1959年第一屆國際輕殼結(jié)構(gòu)協(xié)會（IASS）發(fā)言 海恩茲伊斯勒（Heinz Isler）的懸吊布料及結(jié)構(gòu)模型海恩茲伊斯勒（Heinz

9、Isler）的建筑實踐 3結(jié)構(gòu)性能生形階段結(jié)構(gòu)性能生形階段一方面，圖解靜力學(xué)理論圖解靜力學(xué)理論等傳統(tǒng)方法已被轉(zhuǎn)譯成數(shù)字算法轉(zhuǎn)譯成數(shù)字算法，在電腦計算的幫助下它可以進行更復(fù)雜，更廣泛的應(yīng)用。建筑師可以更清醒地認識這種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析方法，同時幫助優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在合理的預(yù)算條件下更好的結(jié)構(gòu)性能；另一方面，建筑師也據(jù)此發(fā)展出基于結(jié)構(gòu)性能生形工具，來創(chuàng)建具有高性能、高適應(yīng)性和動態(tài)性的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在這個時期，建筑師在設(shè)計找設(shè)計找形形過程中，將結(jié)構(gòu)性能化工具作為前置前置的設(shè)計方法與設(shè)計手段，實現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)一體化建筑結(jié)構(gòu)一體化的運算生形過程。2005年由菲利普菲利普布洛克布洛克（Philippe Block）提

10、交的一篇論文中，他提出利用推力線推力線專門做為拱形磚石建筑一個新的分析工具，這也是歷史學(xué)家和建筑師互動學(xué)習工具。他用推力線來說明可能的結(jié)構(gòu)崩潰模式，并可讓磚石內(nèi)的力量可視化。利用這項技術(shù)，他分析了不同的元素，比如位于猶他州國家公園的景觀拱門“魔鬼的花園“等，他提出了一種基于極限狀態(tài)分析，結(jié)構(gòu)分析工具為拱形磚石建筑分析，這項研究擴展了使用推力線極推力線極限分析的圖解法限分析的圖解法。但此時他并沒有提供三維的行為和拱形結(jié)構(gòu)的機制進行全面分析。菲利普布洛克(Philippe Block)的殼結(jié)構(gòu)分析 菲利普布洛克(Philippe Block)的Rhino Vault 菲利普布洛克(Philippe

11、 Block)的Rhino Vault 菲利普布洛克(Philippe Block)的殼結(jié)構(gòu)實踐 新的結(jié)構(gòu)計算方法例如有限元法有限元法，使像馬克伯瑞（Mark Burry）和邁克謝（Mike Xie）這樣能解碼并延續(xù)高迪的神秘的幾何及結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)圣家族教堂的繼續(xù)建設(shè)工作。波林格股哈曼施耐德（Bollinger-Grohmann-Schneider ZT GmbH）研究的Karamba3D軟件，運用有限元法對結(jié)構(gòu)體系進行系統(tǒng)分類和精運用有限元法對結(jié)構(gòu)體系進行系統(tǒng)分類和精密模擬，使建筑師在設(shè)計過程中能夠及時獲得結(jié)構(gòu)信息反饋和密模擬，使建筑師在設(shè)計過程中能夠及時獲得結(jié)構(gòu)信息反饋和設(shè)計靈感設(shè)計靈感。拓撲優(yōu)化方法拓撲優(yōu)化方法也激發(fā)了像邁克謝和潘米查拉多斯（Panagiotis Michalatos）等研發(fā)BESO以及千足蟲（Millipede）插件，促使建筑師在設(shè)計方案階段，掌握并運用結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化知識，以及建筑材料性能知識等，讓結(jié)構(gòu)性能分析工具成為形態(tài)生成與結(jié)結(jié)構(gòu)性能分析工具成為形態(tài)生成與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一體化分析工具構(gòu)優(yōu)化的一體化分析工具。新的物理模擬方法物理模擬方法也為結(jié)構(gòu)性