来源：iStructure，作者：周健 韩韬 杨笑天
2019年，小i编和几位建筑师同事针对“结构表达的关键要素”这一主题，做了一个系列的调研和对谈。本文是继”简洁(Concise)”、“秩序(Order/Sequence)”、“异规（Informal）”、“极限（Ultimate）”之后的第五篇—-高效（Efficient）。
高效，即效能高、效率高，指结构受力上的高效，或是建筑功能和空间使用上的高效。
结构高效是结构设计的基本原则之一，期望通过选择合理的结构体系、符合力学的布置等方法，使得结构材料充分发挥强度，意味着用更少的材料（资源和能量）建造。
建筑上的高效多指功能布局上的高效，这种效率体现在日常运行和使用上，不一定呈现为显著的造型视觉要素。在转自：建筑结构-公众号一体化的概念下，高效可以引申为以较少的代价获得较大的效益，它是一个综合性的评价，包括建造的经济性、建筑功能布局的合理性、造型的表现力、感观体验等，通过“紧凑”的设计传达出更多的建筑表现力。
国家体育场”鸟巢”,2008
“高效”与“低效”风格的建筑案例
高效的结构不仅仅是实现建筑所采取的技术手段，其往往也能呈现出一种独有的魅力，使得建筑表现得或轻盈、或通透、或简洁、或挑战尺度上的极限，建筑形式的“高效”与结构的合理性是密不可分的。
慕尼黑 Hellabrunn 动物园鸟舍, 1979-1980
选择结构上的“高效”，可能在某一方面获得极致，但特定的结构体系也可能对建筑的形态、空间、细部有不同程度的要求或制约。通过转自：建筑结构-公众号一体化的设计，来消除这种矛盾和制约，甚至变成建筑的特点，呈现出结构的美感。
按受力的特点可以把结构体系分为弯曲型、轴力型两大类。弯曲型包括梁式、框架、平板等，其尺度约为跨度的1/10；轴力型包括拱、薄壳、张拉索膜、折板、悬链等，其尺度约为跨度的1/100~1/1000，是非常高效的结构体系。桁架、网格、格构式结构是将结构材料离散化，单根构件以轴力为主，结构效率也比较高。
对应每一种结构体系有其适用条件，包括受力的边界条件、结构的形式、形状、材料等。例如拱和薄壳结构的效率依赖于特定的结构形态，且需保证结构的的稳定性；悬链和张拉索结构应具有强硬的边界支承条件，且索材料应具有很高的强度；弯曲型的效率较低，但其适用性更加广泛。
里斯本世博会葡萄牙馆Portugal Pavilion，EXpo1998
案例分析：里斯本世博会葡萄牙馆，最有吸引力的部分无疑是一片长67.5米，宽50多米的半开敞公共大厅。20cm厚的白色混凝土包裹着高强钢索，悬链屋面跨越了近70m，却轻盈得像是一条毛毯。结构的精妙之处在于，用极轻巧的悬索结构强化了结构的感知。
高效的结构体系并不意味着固定、缺少变化的形式，同一类型的结构也可以衍生出丰富的形式变化。以薄壳为例，伊斯勒实践了40多种不同形态的薄壳，在现代先进技术支撑下的自由曲面壳体更是拥有无限的可能性。
Pathé 基金会Pathé Foundation
高效的拱形结构
高效结构体系由于充分发挥了材料的性能，结构构件尺寸较小，使得节点细节更显突出，同时也体现在施工建造的快捷便利方面。高效”需要转自：建筑结构-公众号施工一体化、精细化的设计，尤其需要关注不同构件相连接的部位。
根据力学规律布置结构，可使得材料强度得到高效地发挥。同时，如果力学形态呈现的理性、和谐，与建筑需求能够契合，则完美诠释了“形与力的统一”。
按照弯矩图设计结构形态，既实现了合理的受力，又实现了很好的结构表达，是一种比较常用的手法。例如滑铁卢车站顶棚、柏林中心车站顶棚、旧金山国际机场航站楼等。
旧金山国际机场_San Francisco International Airport，2000
案例分析：旧金山国际机场主屋面连续桁架中间部分的跨度为116米，两端悬挑49米，总长262米。利用了空间桁架造型，兼做采光天窗。鱼腹式空间桁架首尾铰接，两端的平衡悬臂桁架为平面结构。跨中的倒三角形空间鱼腹式桁架的支点对应结构弯矩图的零点，其外形与弯矩图的外形吻合。
对于超高层建筑，在风荷载或地震作用下的倾覆力矩呈上小下大的形态。人们从直观感觉也能够判断上小下大的建筑更加稳固，比如埃及金字塔，巴黎埃菲尔铁塔，伦敦利德贺大厦。
伦敦利德贺大厦_The Leadenhall Building，2014
案例分析：伦敦利德贺大厦整体呈三角形，钢结构立柱、横梁和斜撑构成了稳定的三角形桁架形态，并在建筑外立面上地清晰地表达出来。结构与建筑布置采用统一的模数。
布拉加市政球场是根据建筑平面、功能、形态选择符合力学的布置方式的一个案例。球场平面呈长方形，看台对称布置在球场两侧，常规方案的悬挑雨棚效率较低，用钢量大。本项目创新地沿长向的平行布置悬索跨越整个球场，台上方的悬索上铺金属屋面板防雨遮阳，球场草坪上方完全透空而不妨碍草地接受阳光雨水，是建筑功能和结构力学统一的表现。
布拉加市政球场_Braga Municipal Stadium
随着高强结构材料在工程中应用，结构设计可以用更少的材料实现更大的承载力，从而达到节省材料、提高效率的目的。
为了改善混凝土的抗拉性能和延性，研制了纤维增强混凝土。常见的有钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维混凝土等。有研究表明：钢纤维掺量的体积分数在1~2％左右，混凝土的抗拉强度可提高40~80％，塑性变形能力大幅提高。斯图加特联邦园艺展览会(Federal GardenExhibition)，用玻璃纤维混凝土建造的跨度26m的壳体结构，平均厚度仅15mm，展示了纤维增强混凝土的潜力。
高强钢索则促进了张弦梁和索网结构的应用，发展出更加纤细高效的结构。碳纤维、玻璃纤维的强度可达钢材的10~20倍，综合考虑纤维和基体的强度差异，FRP材料的强度/重量比通常可达钢材的4倍以上，使得FRP大跨结构的极限跨度比传统结构大2~3倍。
慕尼黑凯宾斯基机场酒店：高强钢索用于弦弦梁屋面和索网幕墙
早期的玻璃多用于建筑围护中，但随着产品性能不断改进，高性能玻璃用作结构材料成为现代建筑中的一个新亮点，也是高效的一种体现。
案例分析：2014年建成的伊斯坦布尔苹果店玻璃盒子，有着更极致的透明度。四面墙均仅为一块10m长×3m高、3×12mm厚SGP夹胶钢化玻璃。屋面为一块带反拱碳纤维增强塑料(CRFP)，中心处高出210mm以便排水。使用硅酮结构胶连接，没有任何连接件影响建筑的透明度。
苹果剧院_SteveJobs Theater：应用高性能玻璃和FRP
案例分析：乔布斯剧院整个碳纤维屋盖自重仅80t，可采用整体吊装方式施工。按屋盖直径约47m计算，折合每平米平均重46kg，仅相当于约6mm厚的钢板。如此惊人的减重效果，才使得屋面承重于周边结构玻璃成为可能，造就了令人惊叹的空间效果。
城市的土地资源是有限的，尤其对于人口密集的大型都市的核心区，其土地资源更为稀缺。因此，人们很早就开始向天空要资源，建筑的高度随着技术的发展不断攀升，超高层建筑应运而生。
超高层建筑的兴起就是设计师更高效利用土地的一种最直接、最常见的方式，其设计的核心内容之一就是结构体系的确定，结构形式的安全性与效率分析。近年来超高层建筑得以飞速发展，根据世界高层建筑与都市人居学会（CTBUH）年度报告，2019年全球有127座超过200m的高层建筑完工，其中有57座在中国，占总数的45%。
此外，通过建筑与结构的一体化设计，充分挖掘建筑内部的每一寸空间，来提升空间的利用效率，也是“高效”在精细化设计中的一个体现。位于东京的Tatsumi公寓就是一个典型的案例。
案例分析：这栋10层的混凝土建筑的基地面积仅有47.97平方米，室内仅有34平方米的空间。考虑到东京地区的建筑抗震要求，以及阻隔来自街道的噪声和降低临近地铁站引起的地面震动，建筑采用了钢筋混凝土结构。相比极小的标准层平面面积，结构梁柱的构件尺寸则显得很大。
为了充分利用室内的空间，设计团队动了很多脑筋。在平面上，充分利用柱间的小空间作为卫生间、橱柜等功能，将方正的空间留给客厅、卧室等主要功能。在剖面上，布置了很多下凹或上凸的空间，这些空间的尺度刚好可以作为板凳、台面等，家具的布置与结构的限定结合起来，既符合人体使用的舒适要求，也契合日本传统居所设置和室，席地而坐的使用习惯。通过设计师的精心设计，充分发掘了空间的利用效率。
S：在建筑材料和资源较匮乏的年代，结构设计的重要目标之一是尽可能用最少的材料实现建筑建造，高效结构是一种必然的选择。如果结构设计在满足建筑功能和空间需求的同时，还能增强建筑的表现力，或结构本身即具有表现力，可省去建筑装饰，则进一步达到节能节材的目的。
A：两千年前，罗马建筑师维特鲁威提出了建筑的三原则——“坚固、实用、美观”；我国建国后，建设部提出了建筑的三原则——“适用、经济、在可能的条件下注意美观”；在改革开放后随着我国经济的快速发展，这一原则变成“经济、适用、美观”；进入21世纪，又转变为“安全、适用、经济、美观”。由建筑设计基本原则的变迁可以看出，随着人民生活水平的提高，对生活及生活空间的需求逐渐由物质层面，转变为更高的物质层面和精神层面。因此，现在一个建筑会为实现其主要的设计意图及表现力，在资源配置上做出倾斜，有可能会以牺牲“效率”为代价。当然，这并不是我们所提倡的，任何建筑都必须以安全作为首要原则。
S：力学上最为合理的结构并不一定是最美观适用的，高效往往是相对的。虽然如拱壳、索膜结构的效率很高，但未必能满足建筑功能、空间和造型的需要，建造难度和成本也未必最低。转自：建筑结构-公众号一体化的高效应当是综合全面的，为了满足建筑的需求，结构进行适当的妥协，有可能简化设计和建造的难度，甚至带来新形式上的创意。例如东京代代木综合体育场和纽伦堡国际博览集团3C展厅，是在略微偏离高效合理基础上的创新。正如坪井善胜所说“美在结构合理性的近旁”。
A：这里提出了一个非常有意思的观点，即“科学不一定是美的”。科学，即结构的受力特点可以定量分析，但是美就很难定性判断。建筑中的美是靠建筑师和结构师合力去发掘的。
S：结构设计的主要目标是获得适当的有效水平而不是最高水平。正如瑞士结构工程师约格·康策特（Jürg Conzett，1956～）所认为的：“效率妥协于力学、材料和形式之间。”（Effectivecompromisesbetween the static conception, materials and forms）。结构的效率虽然存在一个理论上的最佳值，但它并不是孤立的，需要综合美学与经济性等其它方面的因素来权衡。甚至在一些特定情况下，效率较低的结构也可能表现出独特的魅力。
A：建筑的效率和表现力之间并没有绝对的相关性，一个功能使用上高效的建筑，其结构不一定采用最高效的结构形式，而采用了高效的结构形式的建筑，也不一定具有“高效”的表现力。“高效”是设计师们追求的目标之一，效率不一定最终都转化成了形式，在外观上并不一定得到体现。如虹桥交通枢纽，作为一个旅客流量大的综合交通枢纽，其是“高效”的典范，但从外观来看，是朴素而理性的。“高效”往往不是使用者和大众所关注的，大众更多关注的是形式。因此，也有很知名的建筑，其实很浪费。
1. 采用合理而高效的结构体系，或采用符合力学分布的结构形式，可使材料强度得到充分发挥，结合建筑空间营造的需要，构建“形与力相统一”的建筑表现。
2. 选用高强的材料，可用更少的材料实现更大的承载力，实现突破原有尺度的空间体验。
3. 高效的结构可能对建筑的形态、空间有不同程度的要求或制约。转自：建筑结构-公众号一体化设计的目标是消除这种矛盾和制约，找到一个平衡点，在结构合理性的近旁寻找美的表现。
4. 通过建筑与结构的一体化设计，实现对空间利用的高效，既可以体现在大尺度空间的覆盖、跨越、延展，也可以体现在对细小尺度的充分挖掘利用，“突破极限”和“精细化”都是高效在设计中的体现。
参与本课题调研和对谈的建筑师和结构师
结构师：周健、王洪军、张耀康、杨笑天、李彦鹏、彭超
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