自工業(yè)革命以來，結構工程發(fā)生了幾次井噴式的大發(fā)展，產(chǎn)生過許多的優(yōu)秀工程師和美輪美奐的傳世之作。20世紀初，大規(guī)模應用于建筑結構領域的新材料，包括鋼筋混凝土、高強結構鋼、鋼索、索網(wǎng)、膜材料、現(xiàn)代工業(yè)化木材、橡膠材料……讓我們一起越過純理論性的新材料本構關系與力學性能、計算方法，深度著眼于新材料與結構體系、結構選型之間的微妙關系，發(fā)現(xiàn)建筑的美感。

鋼筋混凝土→結構藝術

鋼筋混凝土出現(xiàn)于19世紀末期，在20世紀初開始大規(guī)模應用于建筑結構領域，并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筑結構材料。不僅僅因為它力學性能和耐久性好，同時經(jīng)濟性能優(yōu)秀，更重要的是混凝土具有前所未有的優(yōu)異可塑性能，讓人類終于可以完成自由形狀的建筑構建。于是，各種各樣的幾何形狀，只要你想得到，并且能用木材，塑料或者鋼材做出模板來，在其中澆筑混凝土，就能得到這個形狀的混凝土結構。這使建筑結構設計與雕塑藝術界限變得模糊，也是鋼材、木材、磚石材料永遠無法做到的。

20世紀初期一直到20世紀60年代，可以說是鋼筋混凝土發(fā)展的黃金時期，活躍于這期間的多位“鋼筋混凝土詩人”，把混凝土結構藝術推上了一個又一個高峰。這些杰出的詩人般的工程師有羅伯特·邁拉特、愛德華·托羅哈、費利克斯·坎德拉、奧韋·阿魯普、海因茨·伊斯拉等。

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，但它們的重大缺點是需要大量勞動力，因此復雜模板的搭設和鋼筋網(wǎng)片的布設，這些工序必須現(xiàn)場手工完成，無法實現(xiàn)工業(yè)化操作。20世紀70年代以后，隨著勞動力價格的持續(xù)上漲，這類混凝土結構的施工費用水漲船高，在高度工業(yè)化的鋼結構競爭下，混凝土藝術品徹底喪失了經(jīng)濟優(yōu)勢，逐步退出建筑的歷史舞臺。自20世紀70年代以后，除了瑞士的海因茨·伊斯拉還在堅守著混凝土藝術的最后余輝，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及工程師，提出了用充氣氣球替代傳統(tǒng)模板、用噴涂速凝混凝土替代傳統(tǒng)混凝土的工藝。也許在不久的未來，混凝土藝術會再次重新活躍在結構工程的舞臺上。

鋼筋混凝土和鋼材→結構框架與建筑外皮的分離

梁柱框架堪稱20世紀的代表性結構體系，顯然這樣的結構形式不可能由之前占主導地位的磚石材料實現(xiàn)?？蚣芙Y構的概念在20世紀初期出現(xiàn)，隨著彎矩分配法、D值法等力學計算方法的成熟，以及鋼材、鋼筋混凝土這兩種合適材料的發(fā)展而迅速普及?？蚣荏w系的意義在于，令結構骨架與建筑外皮徹底分離，可以說，在一定意義上，將結構工程師與建筑師的職責徹底分道揚鑣。對于磚石砌體結構而言，建筑表皮和結構骨架其實是同一個東西，就是那些厚重的砌體墻?？蚣芙Y構的出現(xiàn)，不僅僅讓結構高度可以提高、重量可以減輕，更重要的是，它讓建筑物的外皮徹底解放，不再承擔任何結構作用。這一點是很多建筑創(chuàng)作的前提，也是勒·柯布西耶現(xiàn)代建筑5原則的必備條件，從此，建筑可以不再是千篇一律的磚石墻體。里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筑墻體。

米拉公寓、外灘12號匯豐銀行大樓、同濟大學土木學院樓，3者看上去極不相同，但在結構意義上其實相同，都為鋼框架。去掉米拉公寓奇幻風格的外墻、匯豐銀行大樓富麗堂皇的外墻、同濟土木樓板材和外玻璃墻，剩下的結構骨架幾乎都是一樣。

渡邊邦夫這類世界優(yōu)秀建筑工程師認為，盡管隱藏結構骨架的做法是一種不誠實的設計噱頭，但它卻間接造就了我們今天所見的建筑外觀百花齊放的局面。

高強混凝土→超高層建筑

20世紀30年代的紐約，處在高層建筑發(fā)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(chǎn)物。但這些鋼框架結構的潛力有限，帝國大廈的高度已經(jīng)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，高層建筑才正式步入超高層時代。

希爾斯大廈和紐約世界貿(mào)易中心雙子樓，都是鋼筒體。雖然結構效能很高，但對于工業(yè)基礎薄弱的非歐美國家來說，可能還是太過昂貴。同時代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，真正做到讓超高層建筑在全球范圍內(nèi)遍地開花。上海浦東陸家嘴的金茂大廈和環(huán)球金融中心，都是混凝土筒體的典型。建筑內(nèi)部1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(huán)帶桁架，就構成了這些超高層的主要受力體系。臺北101、馬來西亞石油雙塔以及國內(nèi)大量的同類超高層建筑，均是如此。作為結構工程的里程碑，828米高的迪拜塔也采用混凝土束筒外加魚骨狀翼墻體系，類似大量強度等級在C80乃至C100以上的混凝土大范圍應用，令超高層建筑不再遙不可及。

高強結構鋼→超現(xiàn)實結構

隨著建筑思潮的發(fā)展，建筑的語義、文脈發(fā)生了劇烈變化，出現(xiàn)了很多前所未有的顛覆設計。筆者用“超現(xiàn)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，正是混凝土殼的鼎盛時期，現(xiàn)在則是空間鋼網(wǎng)格結構時代?，F(xiàn)代的高強結構鋼，以各種各樣的形式出現(xiàn)在建筑結構里，將一個個令人瞠目結舌的設計方案從藍圖變?yōu)楝F(xiàn)實。

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(xiàn)，全部構件都保持軸心受力狀態(tài)的結構體系成為現(xiàn)實，這就是最早由巴克明斯特·富勒提出的張拉整體體系（著名的富勒烯定義就是為了紀念他）。

在實際工程領域，約格·施萊希的施梅豪森核電站索網(wǎng)冷卻塔，以及基樂斯山索網(wǎng)觀光塔，都是張拉體系的典型例子。

下圖左是施梅豪森核電站索網(wǎng)冷卻塔，建成于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，10年后，在施萊希對比的大力推動下，下圖右的這座索網(wǎng)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杰作的緬懷和紀念。

即使在常規(guī)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，采用的就是張弦梁。隨著高鐵建設熱潮的興起，部分新建的高鐵車站也采用了張弦梁。

玻璃+索網(wǎng)→索網(wǎng)玻璃體系

建筑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(jīng)開始充當極其重要的角色，但由于玻璃本身的力學性能，使其應用受到了很多限制。

隨著現(xiàn)代鋼材的發(fā)展成熟，由纖細的金屬框格甚至是金屬索網(wǎng)搭配玻璃，組成玻璃穹頂或者幕墻得以實現(xiàn)。大家最熟悉的貝聿銘的盧浮宮金字塔，就是這種構造。約格·施萊希的大批作品，也都堪稱是索網(wǎng)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墻。

膜材料→膜結構/充氣結構

20世紀涌現(xiàn)出的眾多優(yōu)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、耐久性都不令人滿意?，F(xiàn)代膜材料的出現(xiàn)，為現(xiàn)代輕型結構的設計提供了新選擇。

此外，膜材料還為充氣結構的實現(xiàn)提供了絕佳材料。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，比如中川口衛(wèi)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。同時，日常生活常見的各種商業(yè)活動放置的充氣拱門，也可以看為這樣的充氣結構。第二種充氣結構，則是作為局部結構的充氣結構，比如水立方的ETFE膜充氣氣泡外墻。對于水立方追求的這種特殊視覺效果，玻璃、塑料等傳統(tǒng)材料都不太合適，可能只有充氣膜能完美達成這種朦朧的設計意境。

橡膠材料/軟鋼材料

→消能減震裝置

隨著設計理論的發(fā)展，設計思路和指導思想也在發(fā)生變化，比如對于抗震設計，已經(jīng)從磚石結構的“硬抗”，轉(zhuǎn)為消能減震裝置的“四兩撥千斤”。隨著現(xiàn)代橡膠、軟鋼材料的適時出現(xiàn)，消能減震裝置開始大規(guī)模應用在抗震建筑設計中。基礎隔震技術，已經(jīng)在日本得到了相當程度的推廣應普及，由于其整個建筑結構不與地基土接觸，所有的柱子都落在橡膠墊上，因此加大緩沖效果。此外，軟鋼、橡膠等各種粘滯材料構成的耗能阻尼器、耗能支撐等，也取得了大范圍的應用。

材料和形式，可謂是結構工程中的一體兩面，缺一不可。在人類歷史上，罕見的天才達芬奇構想了很多新穎、合理的建筑設計，但受限于當時的材料水平，很多無法付諸實施，只能的遺憾停留在紙面。同樣，如果我們有了鋼筋混凝土，沒有配套的創(chuàng)新設計理念，仍處于用混凝土壘長城、砌金字塔的思維模式，現(xiàn)代建筑結構也就無從談起。因而，材料應用和設計理論要彼此融匯，共同協(xié)調(diào)發(fā)展，才能取得建筑工程學源源不斷的新成就。

現(xiàn)代工業(yè)化木材→現(xiàn)代木結構

木材是一種歷史很悠久的建筑結構材料。在我國木材主要是以穿斗框架的形式存在，在北美的拓荒期，則是那種用原木壘成的木頭房子。隨著現(xiàn)代木材工業(yè)的建立，天然木材進一步深加工，成為類似型鋼的標準化“型木”以及其它膠合木材、復合木材，使得木材的利用率和范圍得到大幅提高。尤其是工業(yè)標準化的所謂2乘4體系，在北美地區(qū)已經(jīng)成為絕對的市場主流，超過80%的北美住宅都是采用工業(yè)標準化木材的木剪力墻體系。

木材的力學性能雖然不很突出，但其強度、質(zhì)量比相對較高，且受拉受壓性能平均，有一定的延伸性，可以看作是整體弱化了的鋼材，因此，木材也能達成類似于鋼材的效果。

二戰(zhàn)前夕，因為納粹德國瘋狂備戰(zhàn)，民間金屬資源短缺，工程師只能采用木材代替鋼材，例如位于伊斯馬寧的純木結構的通信塔，高度為驚人的164米，德國工程師登峰造極的設計創(chuàng)意令人難以置信。

材料和形式，可謂是結構工程中的一體兩面，缺一不可。在人類歷史上，罕見的天才達芬奇構想了很多新穎、合理的建筑設計，但受限于當時的材料水平，很多無法付諸實施，只能遺憾的停留在紙面。同樣，如果我們有了鋼筋混凝土，沒有配套的創(chuàng)新設計理念，仍處于用混凝土壘長城、砌金字塔的思維模式，現(xiàn)代建筑結構地就無從談起。因而，材料應用和設計理論要彼此融匯，共同協(xié)調(diào)發(fā)展，才能取得建筑工程學源源不斷的新成就。