3.結構體系的發展與結構創新

　　著名的結構專家托羅哈(Torroja,E.)曾說過：最佳結構有賴于其自身受力之形體，而非材料之潛在強度。這就是說采用高強度材料只解決問題的一個方面，還必須尋找形體合理的結構，使其能夠充分發揮材料的潛力。相應于建筑結構材料大致經歷了“土、木、石→鋼筋混凝土與鋼→新型輕質高強材料”的發展過程，建筑結構體系的發展大致經歷了“以受壓為主→受拉為主→組合(拉壓)→多功能”的路徑。以下針對近幾十年來發展比較活躍的多高層結構體系、大跨度結構體系進行說明。

　　第一，多高層結構。城市人口集中，用地緊張以及商業競爭的激烈化，促使了現代多、高層建筑的出現與發展。隨著房屋由低層到高層的發展，在風荷載和地震作用下，房屋的抗側力問題逐漸成為關鍵因素。為了提高房屋的抗側力剛度，結構的體系不斷創新和發展。1885年美國用鋼框架結構體系建成了世界上第一幢現代鋼結構高層建筑——家庭保險大樓(HomeInsuranceBuilding，高10層)，12年后，美國又建成了第一幢現代鋼筋混凝土高層建筑——因格爾斯大樓(IngallsBuilding)。此后，框架結構體系沿用多年。當人們認識到軸力桿系比彎曲桿系能夠更有效地抵抗水平荷載時，就創新地提出了支撐——框架結構體系。然而，當建筑達到一定高度時，由于支撐系統高寬比過大，抗側力剛度會顯著降低，因此又衍生出了抗側剛度更強的帶伸臂桁架的支撐——框架體系。與此同時，人們認識到用混凝土剪力墻在水平力作用下的工作猶如懸臂深梁，其抗彎慣性矩大，能夠大大提高結構的抗側剛度，這就形成了高層建筑中的剪力墻結構體系和框架——剪力墻結構體系。1968年約翰·漢考克中心(JohnHancockCenter，100層)的建成，形成一個新概念——將高層建筑看成一個巨大的、中空的，由地基升起的豎向懸臂桿，在結構上稱之為筒體結構。如果既有內筒又有外筒，則稱為筒中筒。1974年，當時的世界第一高樓西爾斯大廈的建成又將筒體結構發展為束筒體系。筒中筒和束筒結構體系減小了框筒結構剪力滯后效應，整體結構的抗側剛度得到進一步的增強。將高層結構體系的梁、柱、支撐擴展到數個樓層和開間，則可構成巨型框架結構和巨型支撐結構等巨型結構體系。1988年建成的香港中國銀行大樓，采用由桿系結構組成的巨型空間結構體系，發展了筒面由斜撐桁架組成的筒體結構體系，使得高層建筑具有更大的側向剛度。這些不斷出現的創新高層結構體系無論在建筑藝術、技術、材料、設備和施工等方面都體現了當時世界最先進的水平。其中筒體結構包括框架筒體、桁架筒體、框架——核心筒、鋼桁架——核心筒、筒中筒、成束筒和巨型柱——核心筒——伸臂桁架結構體系，巨型結構體系包括巨型框架結構和巨型桁架結構。對于鋼筋混凝土結構，除難以具備巨型結構體系外，也具有其它結構體系，但適用高度和樓層數將有所降低。

　　從美國的帝國大廈等高層鋼結構體系用鋼指標可以看出，高層結構體系創新發展的特點除了上述的抗側力能力不斷提高外，還有一個突出的標志就是隨著抗側力體系的高效發展，結構用鋼指標在大幅度降低，并得以廣泛采用。因此，用鋼指標應該成為衡量結構體系優劣的重要指標。

　　第二，大跨度結構。社會的發展不斷向建筑提出新的功能要求，為了實現結構的更大跨度，更加經濟和美觀，很自然地由平面的梁、拱向平面外擴展演變成了空間結構。相對于平面結構，空間結構具有結構形式豐富、受力合理、重量輕、造價低等優點，成為結構方面近50年來最活躍的研究領域，其結構體系不斷創新，理論研究同步發展。

　　大跨度結構由早期傳統的梁肋體系、拱結構體系、桁架體系、薄殼空間結構發展到現代的以剛性桿件組成的網架、網殼等剛性空間結構體系，以索膜等柔性材料為特征的懸索結構、薄膜結構、張拉集成體系等柔性空間結構體系，由不同典型結構體系雜交組成的新的集成結構體系——雜交空間結構體系，以及可展開結構和可折疊結構。其中雜交結構是柔性結構與剛性結構之間的組合，如拉索-網架、拉索-網殼、索-拱、張弦梁、張弦桁架和弦支網殼等。若按空間結構組成的基本單元，即殼單元、梁 柱單元、軸力單元、索單元和膜單元來分類。

　　與高層結構體系一樣，不斷創新發展的空間結構新體系在其結構受力更加合理的同時必然是體系更加經濟有效，用鋼指標在顯著下降。對于近年來采用較多的膜結構，其屋蓋重量更輕，巨大的英國倫敦“千年穹頂”(穹頂周長1千米，直徑365米)，其用鋼指標僅為20千克/平方米，又如索穹頂結構的代表作美國佐治亞穹頂(橢圓形平面240.79米×192.02米)，其用鋼指標30千克/平方米。

　　從已建成的大跨度結構可以看出，大跨度結構發展過程的特征是在整體上出現從較重體系向輕型體系發展，從剛性體系向柔性體系發展。同時，在大跨度結構的發展中，采用了大量新材料、新工藝、新技術，結構體系不斷創新，而且向著“柔”性化發展，這使得結構表現出很強的非線性特征，因而每一種新結構體系的出現，都可能引出全新的問題需要解決。正因為如此，大跨度結構的發展充分反映了當代建筑結構設計計算理論和施工技術以及科學技術的發展水平，成為了反映一個國家建筑科學技術水平的重要標志。

　　從多高層結構體系、大跨度結構體系的創新發展過程可以看出，工程中每種新的結構體系的出現，往往是在原有結構體系的基礎上，結合某些新的結構概念發展起來的，各種結構體系和設計概念相互滲透與融合，促進了結構體系的創新與發展。

　　從以上內容可以看出，結構體系的發展是結構創新的核心。

　　4.結構功能的發展與結構創新

　　第一，安裝控制裝置的結構。為了有效地減輕建筑結構在風、地震等動力作用下的反應和損傷累積，有效地提高結構的抗震能力和抗災能力，結構工程領域的工作者將融合了材料、機械、傳感與數據處理、計算機與控制系統等多領域高新技術的振動控制技術應用到建筑結構中，出現了基礎隔震結構、被動消能減振結構以及主動、半主動和智能控制結構。隔震橋梁和建筑已在國內外建成了上千座;被動消能減振是繼基礎隔震之后走向成熟和工程應用，國內外均有大量的工程實例，北美至2000年已建成100余座被動消能減振建筑與橋梁，中國至2003年也已有20余座新建或加固的被動消能減振建筑與橋梁;國內外至2003年主動、半主動和智能控制的高層建筑、電視塔和橋梁等大型結構已經建造有70余座。這些防災設計采用了具有創新思想的控制結構，在臺風和地震作用下初步經受了考驗，顯示出了良好的抗風和抗震性能。隨著現代科學技術的發展，還將形成振動控制設備的新興產業，顯示出智能結構系統的美好前景。

　　第二，安裝健康監測系統的結構。結構在實際使用過程中會出現不同程度的損傷或性能退化，因此為了保障結構的安全性、耐久性和使用性，需要通過某種手段對使用中的結構性能進行檢查和監測，以評估其健康狀況，必要時采取措施修復或加固。隨著現代傳感技術、計算機與通訊技術、信號分析與處理技術以及結構動力分析理論的迅速發展，人們提出了結構健康監測的概念。如同聽診器、X光，CT發明給人類帶來的進步一樣，結構健康監測技術也將給土木工程的建設理念帶來革命性的變化。結構健康監測系統通過在結構上安裝各種傳感器，自動、實時地測量結構的環境、荷載、響應等，對結構的健康狀況進行評估，科學有效地提供結構養護管理的決策依據，確保結構安全運營，延長結構使用壽命。國內外近年新建的許多大型橋梁都安裝了結構健康監測系統，我國一些大跨度空間結構也安裝了結構健康監測系統，如深圳市民中心、北京奧運國家游泳中心等。

　　第三，具有可展開折疊、開合功能的結構。利用機電、控制、信息、傳感、計算機仿真等技術來實現結構的各類現代使用功能的另一個突出的表現就是可展開、可折疊、可開合大跨度結構的建成。

　　可展開折疊式結構是在未使用時可收縮折疊成捆狀或其他形狀儲存或運輸，使用時可在現場展開成型，迅速構成整體結構。該體系特別適用于中小跨度的臨時性結構或流動性結構，如抗震救災緊急需要的現場指揮部及生活用房，流動展覽廳等。開合結構是為滿足能在各種氣候條件下進行體育、文藝和展覽等活動的要求而產生的。開合屋蓋建筑既能保證不受自然界不利氣候影響，又能保持自然氣息，使人們重歸自然懷抱，因此，可開合結構已成為現代體育建筑的重要發展趨勢。具有代表性的開合結構有1988年建成的跨度205米的加拿大多倫多的天空穹頂，它是當時世界跨度最大的開合結構，為平行移動和回轉重疊式的空間開合鋼網殼結構;2001年建成的日本大分體育場是2002年世界杯足球賽賽場之一，其直徑達274米，開合方式為空間平行移動式，它是現代開合屋蓋建筑中利用剛性屋蓋單元實現開合的最大規模建筑。我國2006年建成的最大跨度達254米的南通體育會展中心主體育館是國內第一個采用活動開啟式球冠鋼屋蓋的體育場，也是世界上首次將機電液壓技術、移動臺車多點支撐用于巨型開合結構的工程，其固定屋蓋和開啟屋蓋均為網殼結構。有關開合空間結構移動荷載作用下的計算方法和動力反應是此類結構所特有的技術問題，需要建筑師、結構工程師和機械工程師的全力合作。

　　從以上內容可以看出，結構功能的發展為結構創新提供了新的需求。