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基于结构性能的建筑设计方法是建筑师通过对于结构性能（结构稳定性、材料特点、跨度关系、抗震性能等）特性进行分析，在建筑设计过程中通过模拟、运算和优化过程找到空间形态与结构合理关系的设计过程。

文艺复兴前后期，建筑师的权责产生了标志性的变化。前期，在宗教建筑以及当时其他公共建筑设计中产生了教堂穹顶、柱廊等结构空间，充分展示了建筑原型空间与其结构特性的潜在关联。后期，工业革命使得建筑师与工程师之间的分工界限变得更为分明，建筑师则必须考虑建筑的文化影响与概念的传播。

这种分化使得传统的结构性能设计过程变成了一个被动式的设计，结构性能分析方法，作为一种新的设计方法完全可以成为建筑师设计找形的手段。在BIM平台高速发展及壮大的同时，新的协作方式正在被逐渐的寻找和建立，建筑设计和转自：结构小站-公众号的互动融合，建筑空间和结构质量的融洽结合，这正是现在以及未来建筑师的思考。

按照时间顺序，建筑师对基于结构性能的建筑设计思考分为三个阶段：静力学图解阶段，力学建构阶段，结构性能生形阶段。

静力学图解阶段

【19世纪图解静力学理论的形成】

图解静力学是在结构分析和可视化过程中，将作用于结构上的力转译为力矩图的设计方法内容。外力在每个结构受力图解中，用长度来表达承载力的大小，线段指向代表受力方向。结构的整体受力，是通过相互平行的线段和其长度变化来确定和表达的，所形成的这一力的图解被称为力矩图，通常可以通过改变力矩图，来改变这些力的约束影响。图解静力学通过图解的方法实现了一个互动、实时的建筑与转自：结构小站-公众号协同过程。

静力学是建筑师和结构工程师开创的，但是由于数学计算的瓶颈，发展一直受到桎梏。在经历了《图解静力学》（Die graphische Statik），《解析几何》(AnalyticalGeometry 1874)和《图解静力学研究》（Researchesin Graphical Statics 1878），《图解静力学理论》（Diegraphische Statik 1890），《图解静力学的应用：桁架，梁和拱》（Graphic statics, with applications to trusses,beams and arches）等直到今日仍然影响颇广的静力学著作的洗礼下，静力学时至今日依然是结构性能中不可或缺的一部分。

莫里斯·克什兰(Maurice Koechlin) 与艾美尔·楼吉尔(Emile Nougier) 在1884年6月的第一个埃菲尔铁塔概念草图

图片来源：苏黎世联邦高工（ETH）

卡尔·库尔曼（Karl Cullmann）的图解静力学（Die graphische Statik )扫描

图片来源：苏黎世联邦高工（ETH）

杰罗姆·宋德里克（Jerome Sondericker) 的图解静力学的应用：桁架，梁和拱(Graphic statics, with applications to trusses, beams and arches)

图片来源：亚马逊（Amazon）

劳恩斯泰因教授（Lauenstein Rudolf）图解静力学理论（Die graphische Statik )封面

力学建构阶段

在这个阶段，还是有很多从力学出发的建筑本体建构案例，一方面从建构出发,探索了一些有益的结构类型，如薄壳以及空间结构，全面提升了建筑大跨度空间的塑性能力；另一方面综合考虑了除了静力学以外的力学特性，例如风荷载、地震力等复合的受力关系，后期通过转自：结构小站-公众号软件来验证与实现建筑形式，被称为力学建构的后合理化时期。通过复杂和复合的力学运算，实现任何形式意义上的建筑创意。

【20世纪中期薄壳结构的发展】

此时，静力学已经不被建筑师所满足，虽然图解静力学等理论帮助高迪等建筑师在几个世纪前，创造了令人难以置信的复杂拱券结构及空间，但它不可避免的被认为是辅助分析工具。此时，薄壳结构的出现突破了原本图解静力学撑起的一片天。

薄壳结构的基础是建立在已有图解静力学知识的基础上的，满足大型公共空间的结构要求；其次，薄壳结构自身清晰的结构原理和几何原理，是快速生产与大量建造的必要条件；而且重要的是，这是一个经济合理的解决方案，使用的材料，劳动力资源和建设时间都被减少到最低限度。

迪埃斯特(Eladio Dieste)的索多纪念碑

图片来源：Wikipidea

坎德拉Felix Candela的瓦伦西亚海洋馆

图片来源：Wikipidea

但与此同时，在薄壳结构迅速发展的这段时期，对其的批判性讨论也蓬勃展开。首先，基于物理模型的设计和造型方法，可能产生独特的不可重复的设计结果，这个结果只能经过有限数量的物理试验的迭代和验证，可能难以得到预期的设计结果；其次，这些设计生成方法是在极其精确、单一的设定中完成的，这可能会无法在设计过程中权衡多种受力情况，如对于地震力、风荷载等复合作用的验证能力；最后，这些方法只能提供有限的结果，使得它难以为建筑师找到潜在的美学或结构优化解决方案。这些问题驱使建筑师亟待寻找新的计算工具，设计技术以及设计方法。

海恩兹·伊斯勒（Heinz Isler）在 1959年第一届国际轻壳结构协会（IASS）发言

图片来源：.tu-cottbus

海恩兹·伊斯勒（Heinz Isler）的悬吊布料及结构模型

图片来源：blog.buildllc.com

海恩兹·伊斯勒（Heinz Isler）的建筑实践

来源：ETH

结构性能生形阶段

一方面，图解静力学理论等传统方法已被转译成数字算法，在电脑计算的帮助下它可以进行更复杂，更广泛的应用。建筑师可以更清醒地认识这种传统的结构分析方法，同时帮助优化结构，实现在合理的预算条件下更好的结构性能；另一方面，建筑师也据此发展出基于结构性能生形工具，来创建具有高性能、高适应性和动态性的结构系统。在这个时期，建筑师在设计找形过程中，将结构性能化工具作为前置的设计方法与设计手段，实现了建筑结构一体化的运算生形过程。

【基于数字运算的结构性能算法】

在2005年由菲利普·布洛克（Philippe Block）提交的一篇论文中，他提出利用推力线专门做为拱形砖石建筑一个新的分析工具，这也是历史学家和建筑师互动学习工具。他用推力线来说明可能的结构崩溃模式，并可让砖石内的力量可视化。利用这项技术，他分析了不同的元素，比如位于犹他州国家公园的景观拱门“landscape arch“等，他提出了一种基于极限状态分析，结构分析工具为拱形砖石建筑分析，这项研究扩展了使用推力线极限分析的图解法。但此时他并没有提供三维的行为和拱形结构的机制进行全面分析。

菲利普·布洛克(Philippe Block)的壳结构分析

来源：MIT

菲利普·布洛克(Philippe Block)的Rhino Vault

来源：Block Group ETH

菲利普·布洛克(Philippe Block)的Rhino Vault

来源：Block Group ETH

菲利普·布洛克(Philippe Block)的壳结构实践

来源：Block Group ETH

【物理力学模拟和拓扑结构优化】

新的结构计算方法例如有限元法，使像马克·伯瑞（Mark Burry）和迈克·谢（Mike Xie）这样能解码并延续高迪的神秘的几何及转自：结构小站-公众号，实现圣家族教堂的继续建设工作。波林格·股哈曼·施耐德（Bollinger-Grohmann-Schneider ZT GmbH）研究的Karamba3D软件，运用有限元法对结构体系进行系统分类和精密模拟，使建筑师在设计过程中能够及时获得结构信息反馈和设计灵感。

拓扑优化方法也激发了像迈克·谢和潘·米查拉多斯（Panagiotis Michalatos）等研发BESO以及千足虫（Millipede）插件，促使建筑师在设计方案阶段，掌握并运用结构性能优化知识，以及建筑材料性能知识等，让结构性能分析工具成为形态生成与结构优化的一体化分析工具。

新的物理模拟方法也为结构性能化设计提供了有力的支持，丹尼尔·派克（Daniel Picker）的Kangroo插件，以及Maya等软件中自带的物理引擎，帮助建筑师在设计中把握对于电脑中对复杂的力学环境条件进行模拟，创造可靠的自发形成的结构形态。

扎哈建筑事务所，蛇形画廊餐厅

来源：ZHA

圣家堂的继续建设工作

来源 RMIT SIAL

威尼斯双年展Zaha展馆

来源：ZHA

Karamba3d

来源Karamba3d.com

潘·米查拉多斯（Panagiotis Michalatos）的壳结构材料计算

来源：Panagiotis Michalatos

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袁烽 胡永衡

Philip F. Yuan Yongheng(ToTo) Hu

完整文章内容发表于《时代建筑》2014年5期 袁烽 胡永衡 《基于结构性能的建筑设计简史》

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