自從建筑師和結(jié)構(gòu)師分工明確之后，選擇建筑的形態(tài)和結(jié)構(gòu)類型的主動(dòng)權(quán)基本都在建筑師手中，尤其是民用建筑中，框架結(jié)構(gòu)占據(jù)了絕對(duì)的主導(dǎo)作用。但是也有一些結(jié)構(gòu)類型卻能被結(jié)構(gòu)玩出了一朵花，比如說(shuō)，互承結(jié)構(gòu)。
什么是互承結(jié)構(gòu)？
互承結(jié)構(gòu)這個(gè)概念首先被英國(guó)建筑師格拉漢姆·布朗提出，先后得到了諾丁漢大學(xué)約翰奇爾頓和謝菲爾德大學(xué)奧嘉波波維克等學(xué)者的認(rèn)同。
其論述的互承結(jié)構(gòu)為一種三維格架結(jié)構(gòu)，由一圈相互支撐的構(gòu)件構(gòu)成，這些構(gòu)件圍著內(nèi)圓切線布置，每個(gè)構(gòu)件的一端都順次搭在下一個(gè)構(gòu)件上，另一端則搭在柱頭或者承重墻上．如果構(gòu)件兩端都搭在相同類型的構(gòu)件上，那么一定數(shù)量的這種結(jié)構(gòu)以相同的方式連接后就成了＂多重互承結(jié)構(gòu)＂。
圖1. 幾種互承結(jié)構(gòu)構(gòu)件的搭接方式
互承結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)：
１．構(gòu)件均短于總跨度，且互相支承。
２．不存在兩根構(gòu)件公用同一端點(diǎn)的現(xiàn)象，從而避免形成鉸接節(jié)點(diǎn)。
３．所有構(gòu)件在結(jié)構(gòu)和幾何上的重要性均相同。
圖2. 典型桿系互承結(jié)構(gòu)
因?yàn)榛コ薪Y(jié)構(gòu)是一種以桿件相互搭接為特征的桿系結(jié)構(gòu)形式，避免了多個(gè)桿件交匯于一點(diǎn)，從而簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造。再加上互承結(jié)構(gòu)通過(guò)桿件之間的相互支撐解決了彎矩傳遞的問(wèn)題，并且利用小尺寸的構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了大跨度的結(jié)構(gòu)，因此特別適用于木結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)。從構(gòu)件角度來(lái)看，互承結(jié)構(gòu)為使用直構(gòu)件提供了實(shí)現(xiàn)彎曲三維復(fù)雜形式的可能。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)節(jié)點(diǎn)技術(shù)的要求很低，使其可以短時(shí)間內(nèi)完成搭建和拆卸。這些優(yōu)點(diǎn)使得互承結(jié)構(gòu)成為多種應(yīng)用的可能解決方案，從短跨度頂篷到幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，再到快速建造的緊急情況，一應(yīng)俱全。
圖3. 同濟(jì)大學(xué)創(chuàng)意設(shè)計(jì)學(xué)院大廳展出的互承結(jié)構(gòu)
不僅如此，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)件布置富有韻律美感切有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)性，可以生成無(wú)數(shù)種規(guī)則的幾何形態(tài)或者自由隨機(jī)的形態(tài)，所以也備受建筑師青睞。
圖4. 互承結(jié)構(gòu)可生成的幾種結(jié)構(gòu)形態(tài)
互承結(jié)構(gòu)的前世今生
從古至今，放眼中外，已經(jīng)有很多建筑師和結(jié)構(gòu)師對(duì)其進(jìn)行了研究和實(shí)踐。但是由于這種結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)形復(fù)雜，找形困難，且形狀不可任意實(shí)現(xiàn)，因而隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展而逐漸被人們忽視。近年來(lái)，隨著分析技術(shù)和建造技術(shù)的發(fā)展，互承結(jié)構(gòu)又逐漸受到了一些歐洲和日本的學(xué)者注意。現(xiàn)在伴隨著分析軟件的興起，不僅在找形理論方面有了長(zhǎng)足的長(zhǎng)進(jìn)，而且能用軟件進(jìn)行分析和優(yōu)化，最終建造出一些具有現(xiàn)代特點(diǎn)的互承結(jié)構(gòu)形式。
圖5. 同濟(jì)大學(xué)展出的互承結(jié)構(gòu)
對(duì)互承結(jié)構(gòu)體系影響最大的人之一就是文藝復(fù)興巨匠達(dá)芬奇。他較為全面的研究了互承結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)里多種可能的形態(tài)，巧合的是，有一種形態(tài)與中國(guó)的虹橋結(jié)構(gòu)極為相似。達(dá)芬奇甚至還設(shè)想了這些結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，比如他繪制的類似虹橋的結(jié)構(gòu)是為了解決臨時(shí)軍事橋梁的架設(shè)問(wèn)題。
圖6. 張擇端畫中的虹橋結(jié)構(gòu)
日本一著名建筑師石井和紘多年來(lái)致力于日本傳統(tǒng)建筑文化的挖掘和創(chuàng)新，他那后現(xiàn)代味道十足的“54”系列建筑對(duì)當(dāng)時(shí)的日本建筑界影響重大。他設(shè)計(jì)的幾座互承結(jié)構(gòu)建筑中，熊本縣清和文樂(lè)館的表演廳屋頂最為精巧。石井和紘的互承結(jié)構(gòu)概念主要來(lái)源于兒童游戲，他說(shuō)：“小的時(shí)候，我常常將三支球棒樹(shù)立起來(lái)玩耍。”他還從一種叫騎馬戰(zhàn)的游戲中找到靈感，并將其應(yīng)用到了表演廳屋頂結(jié)構(gòu)中。而在他設(shè)計(jì)的清和村物產(chǎn)館和直島綜合福利社游泳館中則使用了類似虹橋的編木結(jié)構(gòu)。
圖7. 熊本縣清和文樂(lè)館的表演廳屋頂
圖8. 清和村物產(chǎn)館頂
著名的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師塞西爾·巴爾蒙德也將互承結(jié)構(gòu)運(yùn)用的風(fēng)生水起。在2005年的倫敦蛇形畫廊臨時(shí)展館以及美國(guó)密蘇里州圣路易斯市的森林公園展廊中，互承結(jié)構(gòu)被他運(yùn)用出了新的面貌。
圖9. 2005年的倫敦蛇形畫廊臨時(shí)展館
其他的具有代表性的互承結(jié)構(gòu)還有日本六甲垂枝天文臺(tái)鋼互承結(jié)構(gòu)以及２０１０年第十二屆威尼斯建筑雙年展上普利茲克建筑獎(jiǎng)獲得者、也是中國(guó)美術(shù)學(xué)院建筑藝術(shù)院院長(zhǎng)王澎教授設(shè)計(jì)的“衰變的穹頂”。
圖10. 日本六甲垂枝天文臺(tái)
圖11. 日本六甲垂枝天文臺(tái)鋼互承結(jié)構(gòu)圖
12. 王澎教授及其團(tuán)隊(duì)與“衰變的穹頂”合影
互承結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
前面提到，互承結(jié)構(gòu)作為前沿課題，有越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，相關(guān)的工作主要是互承結(jié)構(gòu)的找形方法和結(jié)構(gòu)形態(tài)的優(yōu)化。
對(duì)于結(jié)構(gòu)找形，通過(guò)對(duì)與基本互承單元的研究，認(rèn)為桿件長(zhǎng)度、搭接長(zhǎng)度、坡角等是影響簡(jiǎn)單互承結(jié)構(gòu)形狀的主要參數(shù)。即通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)可以匯總啊到符合建筑形態(tài)要求的結(jié)構(gòu)整體形狀。目前主要有物理過(guò)程模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩種方法。大部分的學(xué)者都采用后者方法來(lái)解決找形問(wèn)題。比如說(shuō)通過(guò)基于遺傳算法通過(guò)反復(fù)迭代找到滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)型條件的最優(yōu)解；通過(guò)遺傳算法找到拓?fù)錁?gòu)型后采用梯度法加快收斂速度；針對(duì)構(gòu)件相同的互承結(jié)構(gòu)，提出循環(huán)搭接找形法等等。還有學(xué)者通過(guò)對(duì)比群體隨機(jī)搜索方法中的遺傳算法和單點(diǎn)搜索優(yōu)化方法中的擬牛頓法，認(rèn)為后者具有更高的計(jì)算效率。目前結(jié)構(gòu)找形的難題是雖然這些算法適用性強(qiáng)也可以智能搜索，但是效率不高、收斂性不好、容易陷入局部最優(yōu)解。
圖13. 互承結(jié)構(gòu)的基本單元互承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)及經(jīng)典建筑案例分享
在形態(tài)優(yōu)化方面，目前公認(rèn)的是桿件搭接系數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度和網(wǎng)格疏密程度是影響互承結(jié)構(gòu)形狀的主要參數(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)使結(jié)構(gòu)形態(tài)更好的符合建筑造型并獲得更豐富的結(jié)構(gòu)形態(tài)。
與簡(jiǎn)單框架結(jié)構(gòu)相比，互承結(jié)構(gòu)對(duì)于材料的用量更多，受力分析也更加復(fù)雜，也許會(huì)成為其推廣的一大障礙。但是小編相信隨著木結(jié)構(gòu)的再次發(fā)展和分析軟件以及算法的研究不斷深入，互承結(jié)構(gòu)會(huì)有很大的機(jī)會(huì)走入人們的生活。