華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院海外學(xué)者前沿講座第四十八期，我們邀請到來自美國普林斯頓大學(xué)土木與環(huán)境工程系的Sigrid Adriaenssens教授。本次講座中，Adriaenssens教授她為我們帶來了一場“建筑中的結(jié)構(gòu)形式”的精彩報告，講座中Adriaenssens教授由淺入深地介紹了建筑尺度下結(jié)構(gòu)形式和工作性能的關(guān)系是什么?

當(dāng)前土木工程的發(fā)展正受普遍危機的限制：人口劇增挑戰(zhàn)：到2050年，將有至少70%的世界人口居住在城市中，需要增加65%的住宅樓建設(shè)；而建筑行業(yè)勞動力缺少現(xiàn)象逐年加重，生產(chǎn)力下降為建設(shè)行業(yè)帶來挑戰(zhàn)。資源耗費危機：笨重的鋼橋結(jié)構(gòu)建設(shè)會耗費大量的建筑工業(yè)資源，如何減少材料的使用是成本節(jié)約和“減碳”的有效途徑；建筑業(yè)占全球不可再生資源消耗量的40%，其中混凝土生產(chǎn)是主要挑戰(zhàn)因素；建筑垃圾挑戰(zhàn)：在美國，建筑行業(yè)廢棄物占據(jù)填埋垃圾的29%。氣候變化挑戰(zhàn)：全球氣候劇變之際，建筑行業(yè)建設(shè)伴隨著總量30%的CO2排放污染；與此同時，受颶風(fēng)、海嘯等極端荷載影響，大量建筑被毀壞，造成經(jīng)濟損失嚴重；而依靠大量堆疊混凝土塊體的方式構(gòu)筑綿延數(shù)里的海岸結(jié)構(gòu)，依然不能有效抵御海浪侵蝕。因此，結(jié)構(gòu)工程師肩負著在這些城市創(chuàng)想、設(shè)計和建造人類賴以生存結(jié)構(gòu)物的重任，需要重新思考“為什么而設(shè)計？如何設(shè)計？如何建造？”的問題。

回顧土木工程發(fā)展歷史，總結(jié)結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，Adriaenssens教授發(fā)現(xiàn)從早期的埃及金字塔到今天優(yōu)美的建筑作品，結(jié)構(gòu)重量逐漸發(fā)生變化，追求的始終是輕質(zhì)高強高韌目標(biāo)。結(jié)合Adriaenssens教授本人執(zhí)教普林斯頓大學(xué)之前在比利時的工作經(jīng)歷，當(dāng)時她為荷蘭海洋博物館設(shè)計新的屋頂結(jié)構(gòu)，受荷蘭航海圖上季風(fēng)曲線啟發(fā)，她用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)描繪季風(fēng)曲線，設(shè)計制造了獨具特色的穹頂結(jié)構(gòu)，以起到中空庭院遮陽采光的極致效果。

由此，應(yīng)對土木工程空間結(jié)構(gòu)、使用年限、材料受限的諸多挑戰(zhàn)，Adriaenssens教授提出以殼、膜、網(wǎng)等細長薄面結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)原型，通過結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計，探索優(yōu)越力學(xué)性能，寄希望于結(jié)構(gòu)自組裝過程，實現(xiàn)細長薄面結(jié)構(gòu)的形狀可變化、結(jié)構(gòu)可展開、剛度可調(diào)控的使用功能，同時外形優(yōu)美、承載能力優(yōu)、韌性好、具有可持續(xù)性。

可變形的柔性殼體結(jié)構(gòu)的提出和建造實現(xiàn)：Adriaenssens教授受捕蠅草等可變形生物的啟發(fā)，總結(jié)植物的5種變形策略：不均勻展開、扭轉(zhuǎn)屈曲、層間各向異性、幾何與力學(xué)、彈性能量釋放，并利用此進行屈曲分析和雙材料特性設(shè)計，建造了一種柔性殼體結(jié)構(gòu)的建筑立面，其形狀可以根據(jù)外部光照水平和太陽輻射強度的改變自適應(yīng)的關(guān)閉和打開，既能讓人感到居住舒適，又能起到40%的建筑節(jié)能效果。

可調(diào)剛性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)改進：在布肯卡諾湖區(qū)會布置防鯊網(wǎng)，該網(wǎng)由鐵索制成，在海浪作用下被變形很大，很容易損壞。Adriaenssen教授課題組通過對該防鯊網(wǎng)進行受力分析，發(fā)現(xiàn)四邊形的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抵抗變形能力較差，因此她們將其更換為蜂窩狀六邊形網(wǎng)格，有效的改善了其易損的問題。

增強承載能力的剛性殼體結(jié)構(gòu)的提出和驗證：在地震作用下，很多建筑的主體結(jié)構(gòu)經(jīng)常會發(fā)生損壞，但其頂層的殼體結(jié)構(gòu)卻依然可以保持完好。Adriaenssen教授課題組針對一座在西哥城地震中幾乎完好的殼結(jié)構(gòu)建筑進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)這類殼結(jié)構(gòu)的固有頻率遠大于地震頻率，不會與地震波發(fā)生共振，避免了破壞。由此，提出了一種具有平行式邊緣波紋的抗震殼體結(jié)構(gòu)，通過控制邊緣波紋的形狀和波紋數(shù)量，可以使抗震性能提高79%。

結(jié)構(gòu)找型和機器人建造整合技術(shù)的提出：建于1436年意大利佛羅倫的薩布魯內(nèi)萊斯基大教堂的穹頂是采用磚砌塊體結(jié)構(gòu)建造，沒有使用框架進行支撐卻依然穩(wěn)定的保存到現(xiàn)在，這一現(xiàn)象引起了Adriaenssen教授的好奇。通過對磚塊的排列進行分析，發(fā)現(xiàn)磚塊有兩種布置方向：當(dāng)穹頂開始向內(nèi)彎曲時，部分磚被豎起來砌進去，形成了一種徑向?qū)ΨQ的X型的類骨架自平衡結(jié)構(gòu)。通過采用超過10萬個離散單元對這一結(jié)構(gòu)進行模擬分析，證明了正是這樣獨特的磚石結(jié)構(gòu)提供了超群的穩(wěn)定性。由此，Adriaenssen教授提出了整合結(jié)構(gòu)找型和機器人建筑技術(shù)，可以減少建筑浪費。

可調(diào)剛度的加壓薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計：傳統(tǒng)的海岸結(jié)構(gòu)防止浪潮侵蝕，需要依靠大型砌體筑起綿延數(shù)里的構(gòu)筑物，既不經(jīng)濟也不靈活，Adriaenssen教授設(shè)計了通過充氣加壓的薄膜浪涌防護裝置，通過對薄膜結(jié)構(gòu)形狀進行有限元分析，根據(jù)薄膜在海水作用下的變形情況選擇幾何形狀，當(dāng)海水涌入時，可以通過為該裝置充加壓氣快速膨脹展開，還可以通過部署該薄膜屏障來抵御風(fēng)暴潮的影響。

Adriaenssens教授的研究目標(biāo)是面向未來的城市環(huán)境韌性和可持續(xù)性的需求，利用細長薄壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)越力學(xué)性能重新定義設(shè)計范式。探索細長薄面結(jié)構(gòu)與環(huán)境的交互作用，受性能、生物和歷史等啟示進行有效的結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計并建造呈現(xiàn)，以及通過計算機、數(shù)學(xué)、拓撲學(xué)和力學(xué)等交叉學(xué)科的力量追求無限可能，是Adriaenssens教授課題組——結(jié)構(gòu)找型實驗室(Form Finding Lab)，正在致力于的研究內(nèi)容。再次感謝Adriaenssens教授為我們帶來這場精彩講座所做的準(zhǔn)備，期待看見她們更多的優(yōu)秀作品。

在中國古哲學(xué)與歷史文化中，以柔克剛的原理、以少勝多的思想、效仿過去的經(jīng)驗，一直是我們受益最大的奇招和追求的目標(biāo)。放到今天的土木工程中，依然為我們追求更輕、更強、更省、更優(yōu)的結(jié)構(gòu)提供了思路，設(shè)計無限的空間，建造更多的可能，則是我們需要提出的解決方案。

講座視頻鏈接：

【The SIR Frontiers】學(xué)術(shù)前沿系列講座第四十八期：“建筑中的結(jié)構(gòu)形式”

相關(guān)文章請見Sigrid Adriaenssens教授官方主頁：https://cee.princeton.edu/people/sigrid-adriaenssens?msclkid=b278825bd06411ec90f5bcd89f81a55c

文稿｜解兵林 姚顯花 毛煒寧

排版｜馬文千

審核｜胡 ?楠