近百年來新型建築材料促使結構設計理念產生了怎樣的發展？

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謝邀。拖了好久，實在抱歉。

結構工程的發展，自工業革命以來發生了幾次井噴式的大發展，產生過許許多多的優秀工程師和美輪美奐的傳世之作。既然題目限定為近百年來，為方便起見，我把敘述範圍限定為自20世紀初以來大規模應用於建築結構領域的新材料，包括鋼筋混凝土、高強結構鋼、鋼索、玻璃、膜、現代意義上的工業加工木材。討論的範圍不包括新材料的本構關係與其力學性能、計算方法之間的關係，僅著眼於新材料與結構體系、結構選型之間的關係。此外，我把範圍限定在我比較熟悉的建築結構領域，不涉及不熟悉的橋樑結構、隧道結構、道路結構等其它領域。

如此一來，這個問題就相當於一篇20世紀初以來建築結構材料與建築結構形式之間的關係的綜述。水平有限，不能提綱挈領，只能管中窺豹，分成幾個部分說一下自己的理解，不當之處，還請大家指正。

鋼筋混凝土→結構藝術

鋼筋混凝土出現於19世紀末期，在20世紀初開始大規模應用於建築結構領域，並迅速得到廣大結構工程師的喜愛。即使在21世紀的今天看來，鋼筋混凝土依然是人類所能想到的最完美的建築結構材料。不僅僅是力學性能、耐久性、經濟性能優秀，更重要的是，混凝土具有前所未有的極其優異的可塑性能，讓人類終於可以完成自由形狀的結構形式。各種各樣的幾何形狀，只要你想得到，並且能用木材、塑料、或者鋼材做出模板來，在其中澆築混凝土就能得到這個形狀的混凝土結構。結構設計與雕塑藝術的界限變得模糊起來，這一點是鋼材、木材、磚石材料幾乎永遠無法做到的。

從20世紀初期一直到20世紀六十年代的這段時間可以說是鋼筋混凝土發展的黃金時期，活躍於這期間的多位「鋼筋混凝土詩人」把混凝土結構的藝術推上了一個又一個高峰。這些傑出的工程師包括但不限於：羅伯特·邁拉特、愛德華·托羅哈、費利克斯·坎德拉、奧韋·阿魯普、海因茨·伊斯拉。

最上圖是費利克斯·坎德拉1957年設計的羅斯馬南泰阿斯餐廳，跨度30米的花瓣狀殼體厚度僅為4厘米，堪稱是整個結構工程歷史上的不朽傑作。

左下圖是愛德華·托羅哈1951年設計的正十二面體煤炭倉庫，充分體現了混凝土結構的可塑性能。

右下圖是奧韋·阿魯普（奧雅納的創始人，其實奧雅納就是他名字Arup的官方文雅化的翻譯）1933年與建築師勒貝特金合作設計的倫敦動物園企鵝池，兩塊受扭的曲線混凝土板，隱喻了企鵝搖搖擺擺的憨態可掬。

雖然這些混凝土藝術品用料很省，本身又有極大的美學價值，但它們的最大缺點就是需要大量的勞動力，複雜模板的搭設、鋼筋網片的布設，這些工序必須現場手工完成，無法工業化操作。20世紀70年代以後，隨著勞動力價格的持續上漲，這類混凝土結構的施工費用水漲船高，在高度工業化的鋼結構的競爭下徹底喪失了經濟優勢，逐步退出歷史舞台。自20世紀70年代以後，除了瑞士的海因茨·伊斯拉還在堅守著混凝土藝術最後的餘輝之外，混凝土殼體幾乎銷聲匿跡。不過，近些年來約格·施萊希和其它工程研究人員和工程師提出了用充氣氣球替代傳統模板、用噴塗速凝混凝土替代傳統混凝土的工藝，也許在未來還能看到混凝土藝術重新活躍在結構工程的舞台上。

鋼筋混凝土和鋼材→結構框架與建築外皮的分離

樑柱框架可以稱之為20世紀的代表性結構體系，這樣的結構形式不可能由之前佔主導地位的磚石材料實現。框架結構的概念在20世紀初期出現，隨著彎矩分配法、D值法等力學計算方法的成熟和鋼材、鋼筋混凝土這兩種合適材料的發展而迅速普及。框架體系的意義在於使得結構骨架與建築外皮徹底分離，一定意義上，結構工程師與建築師的職責徹底分道揚鑣。對於磚石砌體結構，建築表皮和結構骨架其實是同一個東西，就是那些厚重的砌體牆。框架結構的出現，不僅僅讓結構高度可以提高、重量可以減輕，更重要的是，它讓建築物的外皮徹底解放，不再承擔任何結構作用。這一條是很多建築創作的前提，也是勒·柯布西耶現代建築五原則的必備條件。從此，建築可以不再是千篇一律的磚石牆體。裡面是同樣的結構框架，外面的表皮可以隨心所欲，玻璃、石材、磚頭、塑料、金屬、木材、竹子、泥坯、樂高...幾乎任何材料都可以充當建築牆體。

右上圖是高迪1910年設計的米拉公寓，左圖是設計於1925年的外灘12號滙豐銀行大樓，右下圖是設計於2003年的同濟大學土木學院樓。三者看上去極不相同，但在結構意義上其實是一樣的，都是鋼框架。拿掉米拉公寓的奇幻風格的外牆、滙豐銀行大樓富麗堂皇的外牆、同濟土木樓板材和玻璃的外牆，剩下的結構骨架幾乎是一樣的。

儘管像渡邊邦夫這樣的工程師認為這種隱藏結構骨架的做法是一種不誠實的設計，但總體來說，它造就了我們今天所見的建築外觀百花齊放的局面。

高強混凝土→超高層建築

20世紀30年代的紐約處在高層建築發展的井噴期，克萊斯勒大廈、帝國大廈都是這個黃金時代的產物。但這些鋼框架結構的潛力有限，帝國大廈的高度已經是這一類結構形式的極限。隨著60年代法拉茲·汗提出筒體結構的新概念，高層建築才正式步入超高層時代。

希爾斯大廈和紐約世界貿易中心雙子樓，都是鋼筒體，雖然結構效能很高，但對於工業基礎薄弱的非歐美國家來說，可能還是太過昂貴。而應運而生的高強混凝土，既能滿足筒體結構的需求，又能維持較低的結構造價，真正做到了讓超高層建築在全球範圍內遍地開花。上海浦東陸家嘴的金茂大廈和環球金融中心，都是混凝土筒體的典型。內部一個巨大的高強混凝土筒體，外部8根或者4根巨型柱，再配合加強層伸臂桁架和外圍環帶桁架，就構成了這些超高層的主要受力體系。包括台北101、馬來西亞石油雙塔、以及國內大量的類似超高層建築，都是如此。作為結構工程的里程碑，828米高的迪拜塔採用的也是混凝土束筒外加魚骨狀翼牆體系。強度等級C80乃至C100以上的混凝土的應用，讓超高層建築不再遙不可及。

高強結構鋼→超現實結構

隨著建築思潮的發展，建築的語義、文脈發生了劇烈的變化，出現了很多前所未有的設計。我用「超現實結構」這個詞，指代類似CCTV新樓、鳥巢、深圳證券交易所這樣的新奇結構。20世紀40年代到50年代是混凝土殼的鼎盛時期，現在則是空間鋼網格結構的時代。現代的高強結構鋼，以各種各樣的形式出現在建築結構中，把一個個令人瞠目結舌的設計從藍圖變為現實。

左上圖是塞西爾·巴爾蒙德為雷姆·庫哈斯操刀的CCTV新樓，俗稱「大褲衩」，拋開造價、景觀、社會影響等其它因素，單從建築結構出發，它是一個前所未有的嘗試。它的網格立面同時也是它的抗側力鋼筒體，網格布局按照應力分布進行布置和調整，傾斜雙筒體加連體大懸臂，放在以前，沒有人敢想像這樣的建築結構。

右上圖是塞西爾·巴爾蒙德所在的奧雅納為庫哈斯操刀的深圳證券交易所新樓，大體量懸挑，又是一個超現實構想。

左下圖是塞西爾·巴爾蒙德為伊東豐雄（今年普利茨克獎得主）操刀的蛇形畫廊，匪夷所思的鋼網格體系。

右下圖的仙台媒體中心也是伊東豐雄的代表作，同樣也是一個超現實鋼結構。與其合作的佐佐木睦朗設計了鋼束筒和蜂窩狀鋼樓板，用類似造船的工藝來造房子，這在以前也是不可想像的。

鋼索→張拉整體體系

從力學概念上來說，軸心拉壓的效率要遠勝受彎，但之前的磚石材料幾乎沒有受拉性能。隨著鋼索這種具有極強受拉能力的材料出現，全部構件都保持軸心受力狀態的結構體系成為現實。這也就是最早由巴克明斯特·富勒提出的所謂張拉整體體系（著名的富勒烯就是為了紀念他）。

左圖中美國藝術家 Kenneth Snelson的作品 Needle Tower 就是一件張拉整體體系的藝術品。右圖中約格·施萊希設計的羅斯托克展覽會的標誌塔也是如此。

在實際工程領域，約格·施萊希的施梅豪森核電站索網冷卻塔和基樂斯山索網觀光塔都是張拉體系的例子。左圖中是施梅豪森核電站索網冷卻塔，建成於1974年，1991年因為電站停止運營而被炸毀。施萊希非常惋惜和遺憾，十年後，在施萊希的大力推動下，右圖的這座索網觀光塔在斯圖加特落成。一方面是為德國和諧社會添磚加瓦，另一方面也可以看作是施萊希對自己之前被強拆掉的傑作的緬懷和紀念。

即使在常規結構體系的局部也可以應用張拉體系，最常見的就是張弦梁體系，比如浦東機場的大跨度候機樓，採用的就是張弦梁。隨著高鐵建設熱潮的興起，部分新建的高鐵車站也採用了張弦梁。

玻璃+索網→索網玻璃體系

一定意義上，建築是一門操縱光的藝術。玻璃是完成這個使命的絕佳材料，早在中世紀的大教堂里，彩色玻璃已經開始充當極其重要的角色。但受制於玻璃本身的力學性能，其應用受到了很多限制。

隨著現代鋼材的發展成熟，由纖細的金屬框格甚至是金屬索網搭配玻璃組成的玻璃穹頂或者幕牆得以實現。大家最熟悉的例子應該是貝聿銘的盧浮宮金字塔。約格·施萊希的大批作品都堪稱是索網玻璃體系的精品，比如上圖中的漢堡城市歷史博物館玻璃屋頂和下圖中的慕尼黑凱賓斯基酒店玻璃幕牆。

膜材料→膜結構/充氣結構

20世紀湧現的眾多優秀新材料之一就是膜材料，雖然過去也有類似概念的膜材料和膜結構，比如游牧民族的氈房，但其性能、耐久性都不太令人滿意。現代膜材料的出現為現代輕型結構的設計提供了新的選擇。弗雷·奧托與約格·施萊希設計的1972年慕尼黑奧運會主體育場就是現代膜結構的代表作。

此外，膜材料還為充氣結構的實現提供了絕佳的材料。充氣結構可以分為兩種。第一種是作為主體結構的充氣結構，比如上圖中川口衛設計的1970年日本大阪世博會上的富士館，就是一個典型的充氣結構。日常生活常見的各種商業活動放置的充氣拱門，也可以看做這樣的充氣結構。第二種則是作為局部結構的充氣結構，比如水立方的ETFE膜充氣氣泡外牆。對於水立方追求的這種特殊視覺效果，玻璃、塑料等傳統材料都不太合適，可能只有充氣膜能完美的達成這種朦朦朧朧的設計意圖。

現代工業化木材→現代木結構

木材是一種歷史很悠久的建築結構材料。在我國主要是以穿斗框架的形式存在，在北美的拓荒期則是那種原木壘成的小木頭房子。隨著現代木材工業的建立，天然木材進一步深加工為類似型鋼的標準化「型木」以及其它膠合木材、複合木材，木材的利用效率和應用範圍得到了大幅提高。尤其是工業標準化的所謂2乘4體系，在北美地區已經成為絕對的市場主流，超過80%的北美住宅都是採用工業標準化木材的木剪力牆體系。

木材的力學性能雖然不是很突出，但其強度質量比相對比較高，且受拉受壓性能平均，有一定的延性，可以看作是整體弱化了的鋼材。從這一點出發，木材也能達成類似於鋼材的效果。

二戰前夕，因為納粹德國瘋狂備戰，民間金屬資源短缺，工程師只能採用木材代替鋼材，上圖中位於伊斯馬寧的這座純木結構的通信塔高度為驚人的164米，德國工程師的能力簡直讓人難以置信。

上圖為當代德國工程師約格·施萊希2002年設計的羅斯托克會展大廳，木結構空間網格筒殼，可以與鋼結構空間網殼相媲美，而又具有木材所帶來的特殊美感。

橡膠材料/軟鋼材料→消能減震裝置

隨著設計理論的發展，設計思路和指導思想也在發生變化，比如對於抗震設計，已經從磚石結構的「硬抗」轉為消能減震裝置的「四兩撥千斤」。隨著現代橡膠、軟鋼這些合適材料的出現，消能減震裝置真正開始大規模應用在抗震設計中。比如基礎隔震技術已經在日本得到了相當程度的推廣應用，也就是整個建築結構不與地基土接觸，所有的柱子都落在橡膠墊上。軟鋼、橡膠等各種粘滯材料構成的耗能阻尼器、耗能支撐等等也取得了大範圍的應用。

總結

材料和形式是結構工程的一體兩面，缺一不可。人類歷史上罕見的天才達芬奇構想了很多新穎合理的設計，但受限於當時的材料水平，很多都無法付諸實施，只能停留在紙面上；同樣，我們有了鋼筋混凝土，但如果沒有配套的新的合理的設計理論，還是停留在用混凝土塊壘長城、壘金字塔的水平，那現代建築結構就無從談起。

其實不只是結構工程，在機械工程、航空工程、工業工程等其它領域也是如此，只有材料應用和設計理論的協同發展，才能取得新的工程學成就。

圖片來源
羅斯馬南泰阿斯餐廳 Jot Down Cultural Magazine
正十二面體煤炭倉庫 http://anengineersaspect.blogspot.com/2012/09/42-eduardo-torroja-y-miret-structures.html
倫敦動物園企鵝池 Penguin Pool London Zoo by Berthold Lubetkin
外灘滙豐銀行大樓外灘12號滙豐銀行大樓
米拉公寓德國凱撒旅遊集團
同濟大學土木大樓 http://www.panoramio.com/photo/42650818
CCTV新樓 CCTV中央電視台的新樓
深圳證券交易所新樓探營深交所新大樓
蛇形畫廊英國工黨時代的偉大建築
仙台媒體中心仙台媒體中心（伊東豐雄作品）
Needle Tower http://mathtourist.blogspot.com/2010/06/tensegrity-tower-in-new-orleans.html
羅斯托克整體張拉體系塔 http://www.sbp.de/en/build/show/1066-Tower_at_the_Fair_of_Rostock
施梅豪森索網冷卻塔 http://www.sbp.de/en/build/show/10-Cable_Net_Dry_Cooling_Tower
基樂斯山觀景塔 http://www.sbp.de/en#build/show/11-Panoramic_Tower_Killesberg
漢堡城市歷史博物館玻璃屋頂 http://www.sbp.de/en/build/show/13-Museum_for_Hamburg_History,_courtyard_roof
慕尼黑凱賓斯基酒店幕牆 http://www.sbp.de/en#build/show/9-Screenwall_Hotel_Kempinski
大阪世博會富士館科學松鼠會
伊斯馬寧木結構通信塔慕尼黑伊斯馬寧無線電基地164米高木製塔
羅斯托克會展大廳 http://www.sbp.de/en/build/show/938-Warnow_Hall_Hanse_Fair_Rostock

我來補充一個橋樑方面的。

高強鋼筋的出現促使了預應力技術的應用成為可能，並大規模應用。（這個是最切題的，恰好是100年左右）
@張智然提到這一點，但是把因果關係說反了。

19世紀80年代，就已經提出了預應力鋼筋混凝土的概念了。

但是由於當時的鋼筋強度很低，限制了鋼筋的張拉應力。

而預應力的工藝中存在預應力損失。當張拉強度不夠時，預應力損失會吃掉張拉應力，基本上沒有什麼預應力的效果。

這項技術就閑置了下來，更沒有人會用來做結構設計。

而1928年，E.Freyssinet成功將高強鋼絲用於預應力混凝土，使得19世紀80年代提出的預應力鋼筋混凝土成為現實

1928年至今，是85年，恰好是題目的近百年，

在此補充膜結構這一形式。建築師奧托一生探索膜結構，並因為獲得最新一屆的普利茨克建築獎。

AVID之前特別開展了一場「i·Otto」分享會，暢談這位建築大師對自己的影響，作為集體緬懷這位建築大師特別方式。

i·Otto，既表「愛Otto」之情，又有「我與Otto」之意，訴說「我」與Otto的故事，就從現刻開始——

設計師發聲1：Otto，讓我成為參數化設計的踐行者

參數化設計，數字化設計是如今很潮的話題，就像大家談論BIM一樣。

我們之前曾討論過「不是程序員的自然學家不是好設計師」這個話題，當時我就想到Otto和他的索膜結構。

膜結構因其應用的特殊性，我身邊閑少有設計師深入接觸過，現在想來倍感幸運，不由自主產生「自己離Otto的距離比大家近」的心理感覺。

負高斯曲面，馬鞍型...設置預應力，計算自動為膜面找型，再軟體力學分析配以拉索及鋼結構支撐，一個成體系的膜結構就基本完成了——全部通過專門軟體完成。特別是「找型」（Finding Form）過程，造型居然由不得我們完全控制，而是通過軟體自動生成的，這是我對參數化設計的初體驗。對我開展參數化設計的研究很有幫助。

人們談著他們以為的參數化設計，卻鮮有參數化設計的思維（在此不展開）。總之，參數化其實是基於對自然的研究，就像Frei Otto作品集的書籍標題那樣：Natural Design（自然設計）。

Frei Otto代表作：慕尼黑奧林匹克公園

Frei Otto的膜結構基本造型草圖

設計師發聲2：我無意當了回「預言家」

I have built little. But, I have built many castles in the air.

--Frei Otto

我很激動，因為早在去年我就期待Otto能夠獲得普利茲克獎。緣由是當時獲獎人坂茂的經典之作德國漢諾威日本館的屋面便是由Otto完成的，我不禁想到這位老人，他的建築成就與公益心。經查證後，發現他居然是一顆普利茲克獎的遺珠，在可惜中開始了對大師的暗暗期待與祝福。

膜結構多是臨時建築，就像世博會的諸多膜結構場館，無論開展時多麼熙攘熱鬧，但結束後仍然面臨拆除。辛苦設計的建築被拆，不免令人扼腕！而這恰恰是Otto研究的目標：實現一個能夠迅速安裝和拆除，並且可以反覆利用的臨時性建築結構，極具經濟性與功能性。

正如Otto的獲獎感言說自己從事建築事業的動力是希望能設計出新的建築類型來幫助窮困的人，尤其是那些遭受了自然災害和大災難的人們。這個我堅信！

1984年手稿「自然是什麼？生存、愛與笑」

Frei Otto代表作：德國漢諾威展覽會日本館

設計師發聲3：Otto，讓我知道膜結構的力與美

因為坂茂，我們知道硬紙管；因為安藤，我們知道清水混凝土；因為蓋瑞，我們知道金屬板，而因為Otto，我們知道有一種白雲般的材料叫Membrane（膜材），有一種輕制結構叫Membrane Structure（膜結構）。

也許大家對於諸如世博會類型的臨時會館，F1賽車場類型的體育場館這些大型建築，採用造型多異的膜結構已習以為常，甚至一些設計師在遇到這樣的項目類型時，把採用膜結構看作是不二首選，優先考慮。我覺得Otto在其中起了巨大的推動作用，事實上，他亦確實終身致力於此。

我曾站在巨大的膜結構下，感嘆它的智慧：如此大體量、大跨度，就靠幾根鋼結構撐起一片浮雲般輕盈柔和的膜布，就完美解決問題了！不僅如此，膜體造型曲面變化多端，抽象現代，充滿了美的張力。

有人說，建築師偏愛某種建材，是一種主觀的偏執，帶著不負責任的成分。而我恰恰認為，這種偏愛更多是正面的——對於建築師與建材來說，是一種幸運，對於普羅大眾，是一種受惠，對於我們年輕建築師，是一種領路與榜樣。

Frei Otto代表作：曼海姆聯邦園林展

設計師發聲4：「傘」下的日子——建築和結構一體化

坂茂的「紙管結構」，隈研吾的「千鳥結構」，Otto的「膜結構」，這些都是建築和結構一體化的經典案例。Otto致力於用最輕的材料，最接近自然的特性，創造最大的使用空間，塑造始終充滿宇宙張力感的造型，注重人、自然與景觀的開放與融合，是我非常敬佩的建築師。

他能結合建築與結構，藝術與技術，美觀與實用於一身，這對於無論哪個時代的建築師，都實屬不易，背後的心血與付出更不可計量。表面上他的靈感來自自然現象，諸如肥皂泡、蜘蛛網，大家也對絲襪做建築模型而興趣萬分，實則膜結構是個複雜敏感的力學結構，Otto花了漫長的時間去開發它，其建築大師的境界以及耐得住寂寞和失敗的過程最是值得我們建築師學習的。

當我站在慕尼黑奧林匹克體育場，忍不住拿起相機，抓取書本資料中不曾展現，正待挖掘的完美角度。這也許是Otto的作品直到今天看來還被視為具有未來性的原因。

Frei Otto作品：利雅得外交俱樂部

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20世紀以來混凝土結構取得的最大進步應該是預應力技術逐步走向成熟。預應力技術的出現才使得高強鋼筋（鋼絞線）和高強度混凝土得以充分發揮自身的優越性能。
預應力混凝土結構大大減輕了結構自重，極大地提升了混凝土結構的跨越能力，以其低廉的造價在一定範圍內對鋼結構造成強有力衝擊。

土木工程每一次的進步都是得益於材料的進步，希望高強環保材料的到來。

學習了，我現在正好再找關於結構的話題，親的這個科普很有建設性~~~~