一位当代结构设计师对于概念设计的审视

1、土木工程是一个崇高的行业。它的魅力在于把人类的想象借助科技力量加以实现,同时为人 们提供住房,创造就业机会,提高生活质量。这就是土木工程师的职责。赫伯特·胡佛(工程师,人道主义者,美国第 31任总统1。历史与现状?耶鲁大学毕业的詹天佑的历史,就是在清末和民国初年的与英国,日本,德国的工程师的抗 争,与现在的西方工程师来中国的争夺设计权和施工权毫无差异!与西方合作过的人都有深 感,其中微妙关系。詹天佑先生的人字铁路就是突破常规的想法,就是概念设计,规划的合 理设计,因地制宜,自强不息,驱除鞑虏。土木工程设计师,必看电影:詹天佑 ! !强烈推荐!现状与当时是多么的相似!清朝的王爷 千般阻

2、挠,武断指挥,克扣工程款。事情更不好办。中外合作和较量的本质。倘若詹天佑复生,看到北京南站,上海南站,武汉新站,广州新站 等一个个重大工程前期的概念设计大权旁落,天佑是何等心情?!洋人工程师就成了突破“专家审查” ,有效途径,中国专家又怕洋人,一百年都没有变!特别 新 CCTV 之后,尤其是 CCTV 新楼之后,基本给世界一个信号 :中国,钱多,人傻,快来! 专业的,非专业的,中国通洋人都来到中国,他们读的历史和中国方面的书,比中国人读书 都多, 他们深知中国的现状, 他们一直研究中国的历史, , 每月读 2本中国书, 我曾经笑着对 一位洋人工程师朋友讲:“你在中国获得成就远远比欧洲大的多!

3、”他笑点头,这句话比较 有意思的。和这位朋友打过几次交道,出现分歧的时候,拍桌子大骂发生过一次,尽管大骂过,这点和 中国人不同,他们不计较大骂,照样笑嘻嘻地,洋人厚黑功底比较深。中国的资质审查制度,只能给中国的留下施工图设计,在重大的项目工程中,尤其是典型的 建筑工程中,概念设计和方案设计基本被西方把持,留给中方的仅仅是价格低下,耗费时间和精力的一些基本上是查核规范的工作,这个又是中 方擅长的,乐不思蜀,控制权和决断权仍然要竞争。基础设施方面,李国豪等老一辈在南浦大桥的建设成功,夺回了重大桥梁的设计权,比较一下西方知名大学麻省,耶鲁,卡耐基梅隆,斯图加特,苏黎世高工与中国知名大学同 济,清华等

4、的教科书和课程表,以及哲学教育,就知道民用建筑方面需要一代甚至几代的努 力,或许会赶上,超越。也就是民国期间,我们的建筑工程师们建造了一大批杰出的结构工程,杭州钱塘大桥,中山 纪念堂(上部钢结构,下部混凝土结构 ,包括新中国建国以后的建筑结构,如北京火车站, 上海同济大礼堂等等一批当时在物资极度匮乏的境况下,研究土木工程史就知道当时处于前 列,欧美的在工程师很惊讶中国的水平。当时西班牙,德国,瑞士,墨西哥等国际友人注意 到了中国的结构设计水平。现在呢,各类软件充斥整个设计院,真伪有限元充斥中国设计院,黑匣子充斥设计院,标准 图集充斥设计院。比如楼梯配筋,厚度按照标准图,要知道楼梯一般是现浇筑混

5、凝土结构,与结构整体浇筑在一起, K 型支撑作用哪里去了?一位助理结构工程师拍桌子讲 PKPM 就没有 考虑,全国都没有考虑,也罢,居然某些大院老总也如此认为!结构程序的出现很大程度的 减轻了计算工作量,当变成黑匣子的时候,又把设计师眼睛上蒙上了一块黑布,标准图又是 一匹瞎马,业主的“科学发展观”的鞭打下,可谓“盲人骑瞎马 , 夜半临深池” !<规范加一体化结构程序 > 迫使结构设计成为东拼西凑的计算机程序的操作者和规范条 文限值的查对者 ! 汶川地震让人震惊, 震惊的是大量的框架结构并没有按照规范的屈服机制 屈服,地震烈度高不能回避对“他杀” , “自杀”的核心问题。不识大梁真面

6、目,只缘身在此板中。陈青来先生,平法表示的确是一次创新,图纸表达方面的创新,极大解放了绘图工作,机械 部总院(中元国际 1994年邓潘荣,周廷垣教授请陈教授率先推广,复杂的问题简单化,是 一次很大的革新。国际其它发达国家采用了梁的表示方法见下图:具有借鉴之处。2。距离结构真实是近了远了?近代土木工程从十七世纪中叶到二十世纪中叶的约 300年间,经历了最初以伽利略、牛顿和 虎克所创建的力学理论为标志的 “奠基时期” (1660-1765和以英国工业革命为标志的 “进步 时期” (1765-1900以及第一次世界大战前后包括 20世纪 30年代欧美各国大兴土木的 “成熟 时期” (1900 194

7、5 。尤其现在的计算机诞生,有限元的强大实力,一切结构成为可能!结 构设计自由了!果真如此吗?我们大学的博士,硕士,在学习弹性,塑性,大举进军弹塑性的时候,又有谁去到现场,又 有谁了解我们的建造者呢?我们的农民兄弟! 也有人称他们是:文盲 +流氓! 当我们的塑性设 计进入执行阶段时,是不是早已经进入了超塑性了!欧拉、 贝努力的平截面假定大大解放生产力的时候, 当克拉夫动力学如一盏亮指引人前进时, 混沌来了,抹煞一切结构工程概念,将结构变成 0110时,上帝笑了!半个世纪前混凝土结构已经如此美妙!3。结构概念与有限元工具?对老少皆学习花费大量精力学习有限元,土木工程有限元,航空工程有限元的时候,

8、学习完 成之后,摆出大有登天入地之势!如果不从结构的基本概念入手而直接进入有限元,老人学 习可谓:百岁老翁攀枯枝。 小孩子学习可曰:井上辘轳卧婴儿。 4。当代我们结构设计缺乏什么?有幸在今年北京遇到英国曼奇斯特的大学教授季教授,他和他伙伴和博士生的一个研究兴趣 之一就是分析 50年以前的结构概念设计, 现代的计算手段进步发挥的作用远远不及结构概念 的作用。我们为欢呼胜利的水立方结构,结构概念的提出来自于澳洲的 PTW 和澳洲 ARUP ,和 国人的有限元计算以及试验促使了成功!佛山世纪莲以及深圳宝安体育场均来自德国的 SChlaich 的概念设计。5。结构工程师的出路?土木工程经历了四个时期,

9、砖石木时代,罗马的拱结构,中国的赵州桥,当时的概念设计让 现代的计算手段分析自愧不如。铁器时代:埃菲尔铁塔,中国的铁索桥,混凝土时代:sears 大厦,金贸大厦,等典范。钢索时代:布鲁克林桥,苏通大桥,水立方,世纪莲,将结构引 向轻型化方向。但也有背离的此方向的个别案例,仅仅在中国。下一个时代是什么?当欧美的大师在学习东方哲学时,近代轻型结构的始祖德国大师(Frei otto 包括前国际空间与壳体结构主席川口卫很惊讶老子的哲学,自然的哲学。我们又该是不是把目光投向东方哲学。LY Lin 先生取得了惊人的成绩时:他说 ; “我越发发现我自己有点骄傲了,因为我学会了东 方的哲学,是我土木工程创新的

10、源泉。 ”开拓空间形式和功能成为结构设计师的唯一出路 ,艺术和技术在古时是统一的 ,越来越走 到工程设计师的方向 ,留给艺术家的仅仅是装修的东西 。研读林先生的著作不能发现,他 不仅仅在概念方面著名,同时通晓制作,安装,造价等各个方面,这个就回答结构工程师的 出路问题。6。结构概念是结构设计的灵魂!结构是建筑的精髓!当今已经形成了世界的两个顶级的工程学派,斯图加特,芝加哥,如果追溯到春秋战国,空 间张拉结构的开始应源自 墨子的风筝(用于军事 ,骨架式膜结构的开始;中国木塔结构, 筒中筒结构,唐宋既有剪刀撑,早有领先西方的智慧和技术。现在结构领域一个不争的事实,西方领导东方,他们投放了大量的工具

11、(BIM ,高等有限元, 流体分析, 多场耦合 , 甚至是故意 *, 占领市场, 因为他们到对中国的早时期的结构智慧感 到惊讶同时看到了我们现代的技术实力不足以与其抗争。7。少年强则国强,少年弱则国弱!梁启超先生的少年强则国强!德国斯图加特英才辈出的地方 如:莱昂哈特 邦德国桥梁结构工程和钢筋混凝土专家。 1909年生于斯图加特。 1931年毕业于斯图加特工业大学。 1933年留学美国, 在珀杜大学作研究生, 1938年以梁排的简化计算论文,获斯图加特工业大学工学博士学位。 1934年以后,莱昂 哈特在国家高速公路总局斯图加特桥梁局和国家交通部等单位任工程师。 自 1958年起任斯图 加特大学

12、教授, 1967年当选为斯图加特大学校长, 1974年退休后任名誉教授。 莱昂哈特 曾主持设计、建造过一些有名的桥梁如:德国第一座高速公路悬索桥;杜塞尔多夫克尼斜 张桥等 10座莱茵河桥;美国著名的帕斯科肯纳威克预应力混凝土斜张桥(1978年建成 , 主跨 299米,采用新颖的悬浮体系。他创造了悬臂浇筑法、顶推法等先进的桥梁施工技术而 多次获得世界桥梁设计竞赛的大奖,对桥梁,特别是对预应力混凝土桥的发展,作出了较大 贡献。 此外, 1956年莱昂哈特还设计了第一座带有塔顶旋转餐厅的斯图加特预应力混凝土电 视塔 (高 210米 等其他结构。 莱昂哈特在钢筋混凝土梁的抗剪理论方面有较深造诣。 他曾

13、先 后出版了著名的圬工结构教程 (已被译成多种文字出版 ,以及桥梁美学和造型 等著作。莱昂哈特曾任国际桥梁及结构工程协会、国际预应力协会以及国际壳体及空间结构 协会等的领导职务。 (项海帆编制注:(项海帆是世界著名力学家,桥梁学家,教育家李国豪的最得意的学生之一 ,我想 一定是项先生只所以将莱昂哈特介绍给中国,是因为深受李国豪的影响,李国豪与莱昂哈特 有相似地方,相似的教育背景,极具创造性的世界级别大师,教育家。不是在这里谈大师的成就,而是他们的年龄,德国莱昂哈特 30岁左右已经创立了 http:/www.lap- 莱昂哈特顾问事务所。而莱昂哈特打破了局限,在结构领域 翱翔。不同于中国设计院的

14、显著特征是:中国设计院基本是专业设计院,如各个部院,铁道部设计 院,交通部设计院,建设部设计院,水利部设计院,机械部设计院,电子部设计院,冶金部 设计院,电力部设计院,化工部设计院,市政设计院,或省市民用设计院,专业人才济济 , 有利有弊 。一个人完成完成大学教育 22岁,如果工作到 30岁也有 8年时间,勤奋好学也进步可以成为领域专家。 完成研究生教育 25岁,不断进取, 5年也基本成为该领域专家,完成博士生 教育 28岁,深入结构, 2年基本也可能成为该领域专家。 我们相信:机会属于那些不断改 变,调整的知识结构,不断进取的人!人的可贵的创作时间,如同生命过程其实很短暂,也就是 10年。工

15、程师的生命周期:18岁25岁,接受优良高等教育。25岁到 35岁之间是,是积累技术资源,创造性工作的最佳时期。35岁45岁,是积累社会资源的高峰期,社会性工作的最佳时期4555岁,两类资源的交叉期间,需要传承后者,培养学生。55岁65岁,学生已经到了开始的 25岁和 35岁之间,一个轮回。6575岁,桃李满门,颐养天年。8. 亲爱自然,忠诚结构!亲爱自然,忠诚结构!大师之所以大师,在于他的自然之心,宽厚仁义之心,在于他的感召力,在于探索自然的奥 秘,真实地传承后人!真实地有益于社会的发展进程。而不是将所谓的天下技术化为己有, 唯独所有。如同后人传承的极具价值的精神财富:预应力先生,林同炎在预应

16、力混凝土结构,以及结构 概念与体系,德国莱昂哈特的,混凝土结构,桥梁美学等等杰出大师,托罗佳的结构哲学的 著作,人类的财富!9. 概念不是经验的简单累计!概念不是经验的简单累计 , 而是先验 , 更是直觉 ( insight 。 杰出的工程师之所以具有直觉是 在融合自身所有的优点和社会结合的最佳点。下面摘录“工具革命,结构创新”金土木交流会 2009 成都 11.6.7 部分稿件。在结构概念运用纯熟的如高迪,他已经结构概念发挥到极致。他的教堂就是这样建起来了。 德国斯图加特的一个展出上可窥一斑。杰出的结构,势必源于自然。因为自然比人类更了解结构。德国斯图加特的旗手在领悟自然后创造的杰作。这里给

17、出的目的是睁眼看世界,三十年树状 结构在德国已经完美实现的结构,我们某些知名大学的知名教授居然要因此结构申请专利基 金。更有甚至者,某知名教授,将某些结构,我知道在德国已经有二十年了,申请中国专利,甚至到世界上评估无形资产价值数千万美元。这就把概念的作用无限大了!不是宽宏大量的结构工程师所为。每一个人心中的经典都不一样,从自然的角度看,近代空间结构大师 (沈院士称呼为始祖 Frei otto的慕尼黑体育场可谓经典中的经典。基本可以发现 Frei otto横跨几个学科,对 自然的领悟到了极致。 他的继承者 schlaich 同样是结构概念设计的旗帜, 中文的:轻·远 德国约格·

18、;施莱希和鲁道夫·贝格曼的轻型结构,中文在国内可以看到。其它的一些结构 概念的文献 (很难在市面上见到, 核心之一 IASS 会议, 其中一个分会案例之一就是结构形态 与概念,通常根本无法获得一手资料,因为没有文字记录只能通过我们能够接触到的老师 (如蓝天教授等 那里获得一些资料, 如果要进一步进取求知, 恐怕需要花费不少金钱和精 力了。有时候总是想,如果放下所有的世俗,那我一定去做自己喜欢的事情,到大师的所在地长期 学习,领悟,这就是我现在的唯一奢望了。斯图加特梦想飞扬的地方!稍微简单介绍一下 Frei otto他家是雕塑世家,本人是飞行员出身,精通新材料和空气动力学知识附带介绍水

19、立方的数学知识:水立方结构立面的灵感来源于 Kelvin 的“泡沫”理论,理论物理学杰作,事情还得从 1887年说起(9年后,首届现代奥运会在雅典举行 。当年,维多利亚时代著名的物理学家凯尔文 爵士曾苦苦思索一个问题:怎样才能以最经济的办法把空间分隔成大小相同的单元,并且让 这些单元的共用面积达到最小?凯尔文提出了一种办法, 把这些单元做成 14边体。 在此后的 100多年里,凯尔文设计的结构一直是最有效率的空间划分方式。到了 1993年,丹尼斯·韦 尔和罗伯特·费伦用一种称作“表面设计师”的计算机程序找到了解决这个问题的新方法:让 3/4的单元为 14边体, 其余单元则为

20、 12边体; 所有单元的容积都相同。 这种方式比凯尔 文提出的分割法节省了 0. 3%的面积。 10年后,韦尔和费伦创下的纪录仍然没有被打破, 而耗资 6000万英镑的国家游泳中心也将在中国的首都建造成形。到 2006年完工时,这座场 馆(又名“水立方” , Water Cube将占地 7万平方米,可容纳 1. 7万观众。整幢游泳馆将 为钢结构,以韦尔费伦结构的改进版本为基础,外涂层是一种叫作 ETFE (四氟乙烯的透 明特氟隆。这种简洁的结构并非是看上去的杂乱无章, 是依据 WeariePhelan 给出的 “无限等体积肥 皂泡陈列几何图形学” :肥皂泡是因内外气压不同而形成的一种自然结构,

21、 液体表面张力抑制 肥皂泡的扩张,由于肥皂泡内的气压对各向都是相等的,因此形成了最小表面积,空中肥皂 泡是球形,水平面会是半球形,泡内的压力方向永远与表面垂直,如果气泡基座不是圆形, 它会自动形成一个最符合泡内、 外压力平衡及最小表面积的形状。 如果两个肥皂泡靠在一起, 中间自然形成 120度的隔膜,至于隔膜之所以为平面,是因为隔膜两方压力相等,而勿论多 少个肥皂泡连在一起,它们相接角度势必为 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个肥皂泡。由十四面体、 十二面体基本单元沿三个正交坐标轴 X 、 Y 和 Z 生成了巨大的空间立方体。 将空

22、间立方体进行旋转和切割，切出建筑的外边框和内部使用空间。十四面体、十二面体被切出 的边线形成上弦和下弦杆件， 切割面之间原有的线即为腹杆。 经优化选择旋转角度和切割面， 形成最终的结构几何形态。 “美丽的建筑不只局限于精确，它们是真正的有机体，是心灵的产物，是利用最好的技术完 成的艺术品。 ”赖特 有限元诞生之后，并没有改变原有建筑材料的自然性，以及结构形态。桥梁： 梁，拱，刚架， 悬索，斜拉。房屋相对多样，基本形态并没有改变。有限元的诞生：走路的脚，和脚下的路 都没有改变，改变的是脚上的鞋子。 稍微对历史研究的就知道，世界上的建筑大师无不是对建筑材料的本质属性以及对该材料所 能达到的最佳形态

23、的深度理解的基础上获得。杰出的建筑大师的建筑设计本质上讲是对建筑 材料本质最佳形态的结构概念设计。 如建筑师大师赖特， 美国著名建筑评论家保罗·戈德伯格（Paul Goldberger）在纪念他逝世二十周年所写的文章 中也指出： 可以毫不夸张地说， “ 在他之后， 美国还没有别的建筑师可以与他相比。 路易斯· 康， 埃罗·沙里宁，凯文·罗歇，贝聿铭，菲利浦·约翰逊都不能与他相比，即使上述这些人加 在一起，他们在建筑艺术上所具有的影响，也比不过赖特不寻常的七十二个年头的建筑职业 生涯所造成的巨大影响。 ” 1867（1869）年 6 月 8 日生

24、于威斯康星州里奇兰森特。 （年代不详）在威斯康星大学攻读土木 工程，但成绩平平，差 3 个月毕业时即离校。1888 年进入建筑师 D.阿特勒和 L.沙利文的建 筑事务所。 赖特曾经表示喜好用钢筋混凝土仿照植物的结构来设计建筑，结构中间是一个树干(trunk， 深埋在地下，每层楼好像足在树干上长出来一样，层层加上，阳光从上至下穿过天窗进入室 内，造成自然照明的感觉，日光与月光都有类似的效果。 赖特认为一切美感均源于自然，因此比较强调建筑设计应当尊重天然环境，每幢建筑物都应 当顺应和表现自然力来实现最佳境界。 赖特，曾在日本设计 Imperial Hotel，在这座酒店，赖特设计了著名的“船形基础

25、”抗震结 构，并且附设了水池，可以成为火灾时的救助设施。帝国饭店在 1922 年建成，1923 年达 8.3 级的 Kanto 大地震它基本上把整个东京都毁了，帝国饭店经住了考验并在火海中成为附 近人们的一个安全岛。 一次机会与美国建筑师大师路易斯康的学生合作设计一个方案，他自豪的讲他是路易斯康的 学生，那么看看这位路易斯康到底是何等大师！ 萨克研究所： 1：空腹大梁当时在美国是颇为先进的技术。它有桁架传力明确的特点，又不象桁架那样高， 竖杆也承受一定弯矩。更主要的是实验室的繁多管道可以从中穿过，而不需要另外搞设备层 吊平顶。 2：考虑该地区常有地震，用了一种比较特殊的结构构造:将铅锌包钢板夹于空腹大梁和柱之 间，使柱筋有适当的延伸性，这就形成了区别于刚性结点的弹性铰。1965 年建成后，拉霍亚 发生过一次大地震，周围房子全塌了，而萨克研究所却安然无恙，连裂缝也没有，主要是结 构的柔性体系帮了大忙。当地震水平推力产生时，空腹梁与柱之间产生相对滑动，地震力消 失后，依靠柱筋的弹性恢复力将梁拉回原处。时值康从达卡返美途经拉霍亚，见到这奇景， 连连夸耀结构师的功绩。 我们不妨从该结构悬挑构建来看，悬挑端部小，根部大，弯矩形态与结构形态高度统一。所 以我对这位远方来的建筑朋友顿生十分敬意。 moshe 设计的展览馆以及前蜘蛛，概念非常明确。 肋拱效应非常显著，弯矩