土木工程畢業(yè)設(shè)計外文文獻翻譯--關(guān)于一些近期的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)探討（英文是圖片）

1、<p>　　附錄A 專業(yè)外文翻譯原文</p><p>　　附錄B 專業(yè)外文翻譯譯文</p><p>　　IASS 座談會2001，名古屋</p><p>　　關(guān)于一些近期的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)探討</p><p>　　Jorg Schlaich</p><p>　　Schlaich Bergermann und Part

2、ner，顧問工程師，斯圖加特，德國</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　輕質(zhì)結(jié)構(gòu)是生態(tài)的，社會的，文化的。它們挑戰(zhàn)著工程師的知識和經(jīng)驗并且回報給他工程的樂趣。在總結(jié)了一些著名的原則設(shè)計之后，作者將在文章中介紹一些自己經(jīng)歷過的近期的幾項工程。</p><p><b>　　1.介紹</b></p

3、><p>　　任何一個注入智慧與責(zé)任的結(jié)構(gòu)設(shè)計都會立志做到“越輕越好”，結(jié)構(gòu)的功能是去承擔(dān)“活荷載”。結(jié)構(gòu)本身的恒荷載是一個不可避免的麻煩。一個結(jié)構(gòu)的恒荷載與其所承擔(dān)的活荷載的比值越小，結(jié)構(gòu)就會越輕。</p><p>　　我們知道一個節(jié)點纜索懸索橋會明顯的輕于焊桿桁架橋更會輕于混凝土箱梁橋。因此這會讓我們產(chǎn)生一個疑問為什么僅有那么少的懸索橋被修建并且都是大跨度的情況，直覺會告訴我們對于輕質(zhì)的要

4、求不是設(shè)計結(jié)構(gòu)的唯一標準。</p><p>　　確實，自然荷載是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的敵人。這些結(jié)構(gòu)要適應(yīng)雪荷載和溫度變化荷載下的嚴重變形，結(jié)構(gòu)對于風(fēng)帶來的顫動很敏感，它們會出現(xiàn)裂縫（塔科馬結(jié)構(gòu)工程師的心理創(chuàng)傷），但是他們在地震作用方面做的很出色。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一個可怕的敵人是今天雇傭勞動力的昂貴和自然資源輕率使用。這些都提升了應(yīng)用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的阻力。</p><p>　　但是在我們討論如何設(shè)計輕質(zhì)結(jié)構(gòu)之前

5、我們需要問問我們自己是否輕質(zhì)結(jié)構(gòu)當前值得我們努力去改善和發(fā)展。</p><p>　　2.為什么會有輕質(zhì)結(jié)構(gòu)</p><p>　　從生態(tài)的，社會的和文化的觀點出發(fā)，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)從沒有像今天這樣有必要應(yīng)用并且符合時代的要求。</p><p>　　從生態(tài)學(xué)的觀點來看，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)是有效利用材料的，因為材料的強度得到了最好的應(yīng)用，因此資源沒有被浪費。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)可以經(jīng)常的被分解并且它們

6、的元素可以被循環(huán)使用，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)減小了熵，因此能夠更加有效的滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。</p><p>　　從社會學(xué)的觀點來看，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)可以創(chuàng)造更多的工作，因為精細結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求密集的勞動力在細節(jié)方面精心的設(shè)計并且在準備期和加工期花費大量的支出。腦力勞動代替了體力勞動，現(xiàn)在時間和技術(shù)取代了擠壓式的工作，工程的樂趣代替的繁重的工作。但是只要我們的現(xiàn)代經(jīng)濟要求按勞取酬，我們就僅僅是為開采原始資源的花費付了款，而并沒有全面的

7、考慮額外費用，在同一種功能上，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)可能比大體積結(jié)構(gòu)更貴。因此輕質(zhì)結(jié)構(gòu)可能都是應(yīng)用于領(lǐng)導(dǎo)者的空間。眾所周知只有銀行，保險公司和一些博物館可以負擔(dān)得起輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，可是沒有鄉(xiāng)下的居民或者普通的工業(yè)建筑會使用這種結(jié)構(gòu)。并且結(jié)構(gòu)師和建筑師都沉溺于在優(yōu)秀人才中顯示自己（一個輕質(zhì)結(jié)構(gòu)先鋒者精神的刻薄的對照：Buckminster Fuller，Vladimir Suchov，F(xiàn)rei Otto）。他們繼續(xù)推行這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)并且甚至沒有注意到他們身邊9

8、8%的結(jié)構(gòu)師都在渴求他們的注視，然而他們的關(guān)注確實也在很大程度上有悖于社會。作者知道他所談?wù)摰臇|西并且知道自己站在了被批評的立場上。</p><p>　　從文化的觀點來看，有原則性和有責(zé)任心修建的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)可能對一個高貴的建筑做出了巨大的貢獻。輕、做工精細、柔軟會比重、大體積、堅硬更加給人以舒適感。經(jīng)典的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)力的分布是可見的并且會啟發(fā)他們理解他們所看見的東西。因此輕質(zhì)結(jié)構(gòu)以她們的合理的美感可能會打動技術(shù)人員，施

9、工人員和工程師的同情心。他們會幫助我們逃離今天廣為流傳的千篇一律的單調(diào)的并且有可能日后將再一次成為建筑文化最核心部分的結(jié)構(gòu)工程模式。</p><p><b>　　3.輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的原理</b></p><p>　　當設(shè)計輕質(zhì)結(jié)構(gòu)時我們首先不得不記住一個恒荷載最不利的的特征：一個在彎曲應(yīng)力下的梁的厚度，為了支撐它本身，厚度就不僅僅是按照梁的跨度增加（這是通常被假定的），而且

10、是按照梁跨度的平方增加的。例如一個梁跨度10m，0.1m厚，當跨度達到100m時它的厚度增加的就不是10倍而是10*10倍。因此這個梁不得不達到10m厚，隨之它的總重量增加了1000倍。</p><p>　　盡管Galileo Galilei 已經(jīng)了解了比例的重要性。為了說明這個他用一個小的輕的小鳥的骨頭和一個相應(yīng)的很厚重的恐龍的骨頭做比較（圖1）。這個告訴我們跨度的增長增加了結(jié)構(gòu)的重量，因此我們要避免無用的大的

11、跨度。 </p><p>　　圖1：Galilei的比例效應(yīng)的示范</p><p>　　但是這種關(guān)于比例的自然規(guī)律可能被一些伎倆所規(guī)避，那么其次避免因素就是強調(diào)桿件的軸向壓縮和拉伸有利于桿件的彎曲，也就是說對梁進行了分解。這基本上總是可能的正如桁架梁所表現(xiàn)的。繩和壓桿使整個橫截面均勻的受到削弱，沒有任何多余的。彎曲完全只讓邊緣的纖維受到應(yīng)力而中心的大塊的恒載也不得不被隨著拖動。</p

12、><p>　　這里繩索的拉伸顯然比壓桿的壓縮表現(xiàn)的更為有利，因為只有材料壞掉繩索才會壞掉然而微弱的壓桿失效是因為受到彎曲，即一個突然的側(cè)向力。這個可以用一個長的竹竿簡單的測試出來。我們不能徒手將它拉壞，但是如果我們?nèi)核芸炀蜁澢鴫牡?。這些有效的拉伸變成了第三點被強調(diào)的因素甚至是更為有效的，即為增加拉伸強度β，減小材料密度γ，也就是說增加破壞長度β/γ。這個明確的價值代表一條線的長度能夠達到其垂直的懸掛直到達

13、到它屈服于它的自身靜荷載。木頭要比鋼鐵以及自然的和人工的纖維更為有效。</p><p>　　以上這三種針對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法已經(jīng)引領(lǐng)我們進入了千頭萬緒的橋梁工程之中。我們承認（圖片2，從上部開始）解散梁到桁架然后到主要靠壓縮來承受荷載的拱結(jié)構(gòu)（左）再到拱結(jié)構(gòu)的倒置即有效的利用有利拉力的懸索結(jié)構(gòu)。在底部是最邊緣的結(jié)構(gòu)，純拱結(jié)構(gòu)和位于兩個巖石面上的懸索結(jié)構(gòu)。后面這幾個是沒有用的，因為他們在荷載下面變形過大。但是在上面的和

14、下面的結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)有很多不同的解決方法：拱和懸索被次梁和各種加固的綁扎所加強，板加強拱，支柱框架（左）和鐵索橋和懸索橋等等（右）。在圖2中越向下的結(jié)構(gòu)越輕同時風(fēng)震對其的影響也越大，同時這也代表著橋梁工程的挑戰(zhàn)與吸引力。</p><p><b>　　圖2：橋梁的發(fā)展</b></p><p>　　當今橋梁工程的熱心關(guān)注者會發(fā)現(xiàn)一個普遍存在的相當務(wù)實的態(tài)度，那就是結(jié)構(gòu)越重

15、越合理。一個堅實的梁的跨度大約能夠達到100m，拱的跨度大約能夠達到250m。結(jié)構(gòu)能夠承受的恒荷載大約是活荷載的5倍。當跨越大約達到300m時，恒荷載就變得至關(guān)重要，因此可以選擇的只能夠保留“輕質(zhì)結(jié)構(gòu)”:跨度達到1000m的自錨式懸索橋和斜拉橋和跨度更大的回錨式懸索橋。</p><p>　　位于法國的跨度達到856m的諾曼底大橋和位于日本的跨度達到890m的多多羅橋是世界上最大的斜拉橋。世界上最大的跨度達到199

16、0m的懸索橋是位于日本的明石海峽大橋。跨越跨度達到3500m的墨西拿海峽的懸索橋使用了4根直徑達到1.7m的懸索。這些繩索要花費一半的承載能力去承擔(dān)他們自身然后用剩下的一半去承載實體橋梁和與橋與索繩的恒荷載相比微不足道的活荷載。根據(jù)定義，這些決不能算是輕重量結(jié)構(gòu)，但是在這樣大的跨度下，今天我們難以找到可以被允許的更輕的材料，我們已經(jīng)達到了極限，除非能夠用更能體現(xiàn)價值的β/γ塑料纖維去代替鋼索。</p><p>　

17、　一個有獨創(chuàng)性的達到輕便的手法應(yīng)該被簡要的說明一下，也就是說第四種預(yù)應(yīng)力的方法和那種把不利的壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)化為有利的拉應(yīng)力的方法（圖3）。例子是一個交叉的板條組成的四邊形。對角線的繩索因為欲加了拉應(yīng)力所以受到壓力不會松弛但是會分擔(dān)荷載。最初在繩索受到外部荷載之前繩索受到預(yù)拉力，因此當它受壓的時候其實它是受到了一個相應(yīng)的拉力的減小而并沒有受到壓力。這用方法可以創(chuàng)造出非常輕的索梁就像帶有拉力和壓力互相抵抗的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)和膜殼結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)的完美的結(jié)構(gòu)。

18、</p><p>　　圖片3：預(yù)應(yīng)力的原理</p><p>　　左上：未加力運動系統(tǒng)</p><p>　　右上：對角線上的壓力是松弛的，只有對角線上的拉力是起作用的</p><p>　　左下：預(yù)應(yīng)力：在荷載施加之前對角線是縮短的，也就是加了預(yù)拉力</p><p>　　右下：在一個預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)里兩個對角線都承擔(dān)荷載<

19、/p><p>　　輕質(zhì)橋梁的基本原理也可以應(yīng)用于建筑，例如大型屋頂?shù)捏w育場館和大型的工業(yè)廠房等。因為這些索梁結(jié)構(gòu)之間的空隙需要跨越的橫向曲梁作為補充，因此導(dǎo)致產(chǎn)生半重型和半輕型的屋面，因此最后一步也是不可避免的。第五點，輕重量空間結(jié)構(gòu)，純軸向力雙曲面空間結(jié)構(gòu)，也叫膜結(jié)構(gòu)（圖片4）。這些建筑不僅極輕，而且他們在建筑領(lǐng)域打開了一個全新的世界，一個無法超越的各種形式的而且是絕對不可能用盡的世界！就像橋梁，這些結(jié)構(gòu)把它們的荷

20、載主要轉(zhuǎn)移到壓縮殼或穹頂（圖片4，左），或張力索網(wǎng)和膜上（右）。在他們之間是平面空間結(jié)構(gòu)，平板和空間網(wǎng)架。</p><p>　　圖片4：輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展</p><p>　　盡管極其薄的殼體墻壁和空間穹頂形狀穩(wěn)定并且會阻止它們發(fā)生可怕的屈曲。運用預(yù)應(yīng)力可以保護異常的輕網(wǎng)和膜結(jié)構(gòu)受到風(fēng)震的影響。網(wǎng)和膜的兩個主要方向機械的互相壓迫對方而產(chǎn)生經(jīng)典的有反向曲率的馬鞍形狀，或者是由內(nèi)部空氣壓力和真

21、空產(chǎn)生的氣體作用受壓而產(chǎn)生的擁有正向曲率的拱頂形狀。這個可以由現(xiàn)代計算機控制和制造，因此，這種輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的范圍更可能被限制。雙曲面要求制造昂貴的模板和復(fù)雜的切割模板（圖片5）。張拉結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)的細節(jié)部分是復(fù)雜的并且要求極端精確的制造。</p><p>　　但是最近幾年紡織膜結(jié)構(gòu)有著顯著的發(fā)展。因為它們可以被折疊并用于可變的結(jié)構(gòu)。這標志著結(jié)構(gòu)工程的一個的隨著反復(fù)無常的氣候變化完全改變我們生活方式的全新時代的開始。

22、未來已經(jīng)來臨了。</p><p>　　圖片5：經(jīng)典雙曲面輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的幾何形狀與制造</p><p>　　實現(xiàn)輕質(zhì)是一個負擔(dān)，因為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)著靜態(tài)理論和動態(tài)理論所設(shè)定的界限。材料將技術(shù)應(yīng)用于測試和復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)制造過程。</p><p>　　輕質(zhì)結(jié)構(gòu)誘惑著專業(yè)工程師，因為他們－這個專業(yè)的模范－同時擁有著他們的知識，能力和經(jīng)驗還有他們的幻想和直覺。工程師能夠建造出巧妙和

23、有效的結(jié)構(gòu)為建筑文化作出貢獻。</p><p>　　多年以來，作者和他的同僚們一直在努力將這些輕質(zhì)原理應(yīng)用于各種類型的建筑。出于空間的原因以下只給出最近的一些例子：</p><p><b>　　4.一些最近的例子</b></p><p>　　圖片6：萊比錫之塔，建筑師Volkwin Marg。外伸叉架結(jié)構(gòu)，中心軸壓縮外部直立的懸臂建筑物。（19

24、95）</p><p>　　圖片7：41m高的斯圖加特守望塔。一個預(yù)應(yīng)力的索網(wǎng)承載著四個平臺和一個雙螺旋的樓梯。（在討論會的時候建設(shè)并完成）</p><p>　　圖片8a+b：西班牙馬德里的Vista Alegre斗牛場，墊層直徑達50m。它的上部是透明的高度達到7m的聚酯/聚氯乙烯膜，它的內(nèi)部是下垂5m的聚硫橡膠透明膜，并且被一個由12mm纜索組成的1.5/1.5m網(wǎng)格索網(wǎng)所加強。整個墊

25、層可以被沿著12根垂直柱上的卷揚機提高11.4m，這些柱子位于內(nèi)圈永久懸臂式屋頂上，屋頂在看臺之上。</p><p>　　圖片9a-e：這些大型體育場館的膜屋頂都是基于輻條輪的原則。</p><p>　　a+b）斯圖加特戴姆勒體育場，建筑師H.Siegelund Partner和Weidleplan。(1993)</p><p>　　c）吉隆坡國科會室外體育場，建筑

26、師Weidleplan（1997）</p><p>　　d）漢堡的Volksparkstadion（2000）</p><p>　　e）德塞維利亞，建筑師Cruzy Ottis。</p><p>　　在一些大型體育館屋頂?shù)那闆r下，初級纜索結(jié)構(gòu)在應(yīng)用車輪原則的基礎(chǔ)上，這用模型使用兩個內(nèi)部的張力圈和一個外部的壓力圈，反過來也一樣。盡管是巨大的尺寸，但是要做成輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，這

27、樣膜結(jié)構(gòu)就應(yīng)運而生，并且它的透明營造了一種友好和愉快的氛圍。這是最重要的一點就是可以平息在其他地方頻繁發(fā)生的斗毆，騷亂和恐怖襲擊。1993年在斯圖加特體育館舉辦的田徑世錦賽的氣氛是最好的，感謝使氣氛變?yōu)檩p松和愉快的膜結(jié)構(gòu)。</p><p>　　鑒于斯圖加特，吉隆坡，漢堡和一些其他的剛剛被介紹的放射狀的索梁在內(nèi)部和外部的環(huán)之間作為一個初級的結(jié)構(gòu)用一個膜跨越在它們的下部（斯圖加特，哈萊）和上部（吉隆坡）的纜索之間，還

28、有一個綁緊的拱作為高一級的結(jié)構(gòu)，以Estadio Olimpico de Sevilla的屋頂為例（早期的外部屋頂，位于薩拉戈薩），膜是一個初級結(jié)構(gòu)的整體部分，這是強調(diào)在上，下纜索之間，造成一折板的幾何和承載的行為。我們意外的是在這個例子中，建筑師對一個半透明的屋頂沒有興趣，而堅持要用一個不透明的膜。很顯然膜結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和成功取決于它們的細節(jié)，清潔和簡單的細節(jié)在和諧之中與結(jié)構(gòu)成為了一個整體。這當然需要不斷的努力和包括不僅是硬件還有膜的裁剪

29、模式。如果經(jīng)過精心設(shè)計，幾何形狀的接縫可以反映力的流動，從而改善膜屋頂?shù)耐庥^。三個最近建成的屋頂可以作為例子告訴我們應(yīng)該怎樣去嘗試這種想法：</p><p>　　圖片10a-d：膜屋頂</p><p>　　a-b）Hamburg-Stellingen上空滑冰場屋頂?shù)耐獠恳咕?；建筑師Silcher，Werner，Redante和Partner。（1994）</p><p&

30、gt;　　c）奧爾登堡一個正面看臺上的屋頂（1996）</p><p>　　d）吉隆坡室內(nèi)水池；建筑師Weidleplan。</p><p>　　Hamburg-Stellingen滑冰場屋頂覆蓋著一塊冰面。僅有附加索支撐的四個桅桿讓這種結(jié)構(gòu)的外表顯得很輕盈。當膜接近這些單一的支撐，它的接縫聚集成一個加勁條形成的同心環(huán)形，這樣可以可視化集中力。</p><p>　　

31、圖11a-d：a）從內(nèi)部看玻璃網(wǎng)穹頂?shù)膬?nèi)卡蘇姆的室內(nèi)游泳池，建筑師，K.Bechler（1989），b）從內(nèi)部看漢堡歷史博物館庭院的玻璃穹頂網(wǎng)格，建筑師，Volkwin Marg（1989），c）施潘道火車站車庫，建筑師，M.von Gerkan（1999），d）柏林動物園河馬房水池上部的屋頂，建筑師，J.Griebl（1999）</p><p>　　奧爾登堡看臺上部的屋頂懸臂結(jié)構(gòu)用到了很多桿，這些桿用由索支撐的

32、橫向柱并且中間放上模板，模板又向下綁在桿上。從遠距離看它是相當簡單而有幾何美感的，然而在下面看它又顯示出潔凈和令人愉快的外表，真是膜結(jié)構(gòu)的代表。</p><p>　　為了解決膜的單一支撐這個困難，我們做的另一個努力導(dǎo)致在吉隆坡體育館附近出現(xiàn)了一個苜蓿葉屋頂?shù)氖覂?nèi)游泳池。最后我們來到玻璃屋頂，為此我們發(fā)展了我們所說的網(wǎng)格穹頂。再一次基于方形網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)原理，這樣的網(wǎng)格可以適應(yīng)雙曲面任何形狀的角度變化。首先這樣一個純穹

33、頂網(wǎng)殼被建造起來并且后來通過對角線上的纜索使之強度提高?？ㄌK姆玻璃穹頂室內(nèi)游泳池是一個純幾何球面。以漢堡歷史博物館庭院上部的屋頂為例，這個屋頂?shù)膬蓚€柱與上部的圓盤相交形成一個自由過渡表面的圓頂形狀。這兩個屋頂以及后面更多的例子，都在說明這種殼體結(jié)構(gòu)的輕便。常見的雙曲面玻璃所覆蓋的網(wǎng)格穹頂自然要求球曲面玻璃嵌板，一個真正的問題是四邊的網(wǎng)格是不是在一個平面內(nèi)，特別是雙層玻璃是必需的。在卡蘇姆我們確實真的實現(xiàn)了球形雙層玻璃頂穹頂，但是永遠不會

34、再有了。在漢堡我們得到了簡單的光滑面并且對玻璃加力使其產(chǎn)生必要的變形。</p><p>　　圓柱殼屋頂，通過端部隔板或者通過輻條圈進行加強，以及他們的反演，懸挑屋頂，當然克服這個問題用到一個微不足道的方式，在我們的外立面直接將玻璃加到索網(wǎng)節(jié)點上。</p><p>　　然而，只有平移的平面能夠真正的解決問題，并提供大面積的雙曲面四角網(wǎng)格，每個網(wǎng)格在一個平面里，任何幾何形狀都可以選擇。柏林動物

35、園的河馬房游泳池屋頂，在兩個范圍內(nèi)加入了不同的尺寸，是一個好的現(xiàn)實的方法的例子。</p><p>　　圖12a-b：DG-銀行，柏林 ，建筑師Frank O.Gehry,1999</p><p>　　網(wǎng)格穹頂，網(wǎng)格殼，網(wǎng)殼，作為在這里討論或是換句話說，Bauersfeld, Fuller, Wachsmann, Schwedler, Mengeringhausen, Otto和其他人的工作