作者：马树新  北京清润国际建筑设计研究有限公司          

文章为转发，原文发表于期刊《建筑知识》2012年第011期

 

       二十世纪六十年代以后，钢结构建筑进入了一个新的发展阶段。在这一阶段，建筑钢材获得了突破性进展、计算理论进一步深化、计算机开始广泛应用……钢结构建筑所具有的少费而多用(more with less)、建造周期短、使用灵活、维护费用低、抗震性能好、综合经济效益高、符合可持续发展理念等优越性充分显现出来。钢材在与钢筋凝土的竞争中，再次处于优势地位。目前，全球独领风骚的建筑材料是钢材，钢结构已是发达国家主导的建筑结构，广泛应用于高层、超高层建筑、大跨大空间建筑、量大面广的中小型工业、商业、社区、文教卫生等建筑，以及大部分的低层非居住型建筑中。

       钢结构建筑在我国的发展也十分迅速，自二十世纪八十年代沿海地区引进轻钢建筑，兴建一批钢结构厂房、体育馆、高层建筑，而获得初步繁荣之后，九十年代出现了未曾有过的兴旺景象，特别是一些标志性的高层钢结构建筑(如上海金茂大厦、深圳地王大厦等)和大跨钢结构建筑(上海浦东国际机场候机楼、厦门会展中心等）的建成，为钢结构建筑在我国的发展揭开了新的一页。2008年北京奥运会与2010年上海世博会的成功举办，使我国的钢结构建筑设计与建造水准迅速提升，其成就已是世界建筑界共识。

钢结构建筑的回顾与展望

       任何一种真正的设计都必须以超越现状为前提。了解过去发生过什么，洞察到未来要发生什么。只有当我们领会了我们的前辈们是如何地在建筑中展现其聪明才智的时候，我们才有可能创造出我们时代真正具有创新意义的建筑来。

一、十八世纪末至二十世纪初
       最早在建造房屋中使用的金属结构可以追溯到十八世纪末的英国。由于当时棉纺厂经常发生火灾，砖墙又妨碍机器的布置，因而在厂房结构中采用了铁框架。（当时人们对铁耐火性差认识不足）。李约瑟曾这样记述：“在法国某些建筑中安装巨大的铸铁屋架只不过是正当在革命之前的时候，而真正划时代的建筑物是查尔斯·贝治（Cherles Bage 1752 —1822）在1797年于斯尔斯堡(Shrewsbury)完成的一座五层的，至今仍然保存良好的亚麻工厂。铸铁的梁由铸铁的柱子来支承，并且与砖砌的半圆拱券相联，于是就构成了第一座铁框架的建筑物。”实际上是砖石-铁框架混合结构的建筑物。

       有了砖石-铁框架混合结构建筑的成功尝试后，一些要求很快建造起来的大跨单层的建筑物，如市场、火车站站棚、花房、展览馆等都纷纷采用铁结构。至19世纪中叶，欧洲出现了著名的“水晶宫”，美国出现了全铁框架的多层商业建筑。

       伦敦水晶宫（Crystal palace）为1851年世界博览会而建，是园艺师帕克斯顿(Joseph Paxton)智慧的结晶。他凭自己运用铁结构建造花房的经验，成功地解决了功能、建造速度、经济、美学等多方面的问题，显示了新材料、新结构的强大生命力，被誉为二十世纪新建筑的第一朵报春花。

       虽然伦敦水晶宫具有划时代的意义，但它毕竟是低层的铁框架结构建筑，技术尚不够成熟。直至1885年，世界上最早的铁框架高层建筑才在芝加哥诞生了，它就是由Jenney设计的10层高的家庭保险公司大楼。(图1)

 

图1 家庭保险公司大楼

       与此同时，资本主义各国的钢产量迅速增加，价格下降，钢所具有的高强度、良好的韧性和塑性使铁相形见绌。于是铁结构逐渐为钢结构所替代，再加上计算理论的进步，建筑的高度和跨度都得以大跃进。

       高度方面的跃进首推1889年为纪念法国大革命100周年而兴建的埃菲尔铁塔。铁塔高300米，有1.2万个构件，用250万个螺栓和铆钉连结成为整体，共用去7000吨优质钢铁。铁塔耸立至今已一百多年，它已成为巴黎的象征。但它不仅仅是巴黎的象征，更是人的智慧和力量的象征，是弘扬民主精神的象征。同时，它还预示着人类钢铁时代的到来。

       两年后（1891年）芝加哥出现22层的钢结构大楼、1898年纽约建成26层的钢结构大楼、1913年纽约241m高的渥尔华斯大厦问世（图2），真正的摩天楼时代开始了。

 

图2 渥尔华斯大厦

       在高度方面跃进的同时，建筑的跨度也在不断地跃进中。1849年，利物浦的一个车站采用铁桁架，跨度达到46.3米，首次超过罗马万神庙的跨度（43.3米）。1868年伦敦的一个车站站棚,采用铁拱形桁架,跨度达到74米。1893年美国费城的一个火车站站棚跨度达到了91.4米。一个比一个大。这些站棚很多都保留至今，有的仍作火车站用。

       进入20世纪以前，人类建造的跨度最大的建筑是1889巴黎博览会的机械陈列馆（图3）。它运用当时最先进的三铰拱结构、优质的钢材，使建筑的跨度达到115米，堪称跨度方面的大跃进！陈列馆共有20榀这样的钢拱，形成宽115米，长420米，内部毫无阻挡的庞大室内空间。这座建筑可能是当时同类建筑中最饶有兴趣和最引人入胜的建筑，要不是因为埃菲尔铁塔使之黯然失色，或许不至于在1910年被拆毁。

 

图3 1889巴黎博览会的机械陈列馆

       虽然钢结构在1 9 世纪末叶， 使建筑的高度、跨度都有了极大的跃进， 然而钢结构在向对跨度和荷载无特殊要求的建筑领域中渗透却并不顺利。原因之一是在这些领域内保守的态度、死抱住惯例和习俗的偏向都特别严重， 尤其在住宅建筑中更是如此。另一主要原因便是钢筋混凝土结构的兴起。19世纪90年代，钢筋混凝土开始用于房屋结构。最先用钢筋混凝土建造完整房屋的是德国营造者杭尼比克（F·Hennebigue，1842～1921）18。他运用钢筋混凝土结构在欧洲许多地方建造桥梁、工厂、谷仓、水利工程和百货公司等。法国在钢筋混凝土结构方面，当时处于领先地位，1894年始建的Saut- Jean de Montmartre 教堂被认为是具有艺术价值的第一座钢筋混凝土结构建筑。到二十世纪初叶，钢筋混凝土结构已较为广泛地被采用，于是它阻碍了下半个世纪钢结构的进展。

       当第一次世界大战结束后，砼建筑后来居上，而且优势保持了半个世纪之久，在很大程度也是由于技术上的原因。即使早在二十年代，钢结构工程师肯定已经觉察到，如果他们打算取胜，至少在建筑高层的和大跨度的建筑物方面对钢筋混凝土取得优势的话，就需要完善他们的技术和科学方法。在那个时期，多层建筑的钢框架差不多就在1900年美国所达到的水平上踏步不前。特别是对钢框架建筑物的结构分析更不成熟，每个楼板梁、托梁和立柱都被认为是各自独立的构件，在节点处只假设为简支。

       1930年前后，钢结构设计师只是困难地将钢筋混凝土的计算模式及其结构手法照搬过来应用（节点板、连接角钢和铆接），1931年在安特卫普（Antwerp）建成的塔式建筑托伦格博（Torengebouw）的一个典型结构节点就是显而易见的例子(图4)。将这种节点与五十年代在苏黎世（Zurich）建成的一座钢框架大楼内功能类似的节点相比较，即使外行人也一眼就能看出，为了真正完美地解决三维设计问题曾付出了多少心血，由铆接过渡到焊接和高强摩擦螺栓连接，从而改善了结构连接的方法，这又意味何等巨大的进步！

 

图4 托伦格博结构节点

二、 二十世纪初叶至二十世纪中期
       当第一次世界大战后重新开始建造房屋时，钢结构不论在数量上，还是在建筑师和他们顾主的心目中都已退居次要地位。但是，钢和钢筋混凝土之间的竞争从此就日趋激烈。从全面的效果来看，或仔细考虑建筑结构的进展，则从两种材料的竞争中所获得的只能是好处。这对于促进建筑技术和工程科学的发展大有裨益。

       二十世纪二、三十年代，多层建筑的钢框架差不多就在1900年美国所达到的水平上踏步不前。特别是对钢框架建筑的结构分析更不成熟。虽然钢结构在与钢筋混凝土结构的竞争中不断地在进步，但总得来说仍处于明显的劣势地位。这种状态持续了半个世纪之久，到50年代才有所转机。在这一时期，钢主要用于建造工厂、飞机库等，千篇一律，非常单调。当然，在钢结构建筑发展的低潮中，并非没有亮点，许多亮点便闪烁在大师的作品中。

1.科布西耶、密斯、赖特对钢结构建筑的探索

勒·科布西耶
       勒·科布西耶这位传奇式人物，在人们心目中一直是混凝土的大师。而实际上，他还曾潜心钻研钢结构，并对钢结构建筑的发展作出了重要贡献。遗憾的是，这鲜为人知。

       在1930～1932年为巴黎大学城设计的瑞士学生宿舍中（图5）他综合运用了钢筋混凝土结构与钢结构的优点完成设计，由此而产生了一种建筑形式。深深凹进的建筑物底层有六对间隔很宽的钢筋混凝土立柱，支承着上部四层钢结构框架，框架的细长构件在立面中清晰地显现出它的轮廓，窗间小柱和横挡的间隔具有隐约的节奏感，这是幕墙的前身。

 

图5 瑞士学生宿舍

       勒·科布西耶同一时期还运用钢结构设计了日内瓦的光明大厦，斯图加特的威逊霍夫住宅区双层钢宅及巴黎的达耳萨斯医生（Dr Dalsace）住宅等。在应用新型结构方面，他也经常走在前面。1937年，在巴黎世界博览会上，“新时代馆”（Le Pavillon des Temps Nouveaux，30米×35米）运用的是悬索结构。1939年他又提出形式更加新颖的挂幕式展览馆。可以说，勒·科布西耶在钢结构建筑方面也是一个先行者。

密斯·凡·德·罗
       密斯·凡·德·罗是运用钢与玻璃的大师。他的主要贡献在于他长年专注地探索钢与玻璃这两种现代材料在建筑设计中应用的可能性，尤其注重于发挥这两种材料在建筑艺术造型中的特性和表现力。从1929年的巴塞罗那德国馆到1968年的西柏林美术馆，从单层的范斯沃斯住宅到38层的西格拉姆大厦，他一直在继续这方面的探求。密斯的钢结构作品主要集中在50年代与60年代，其影响特别巨大，“密斯风格”的建筑（Miesian Architecture）大量涌现，就是证明。密斯的前期作品，采用钢结构的虽不多，技术上也没有后期的精湛，但同样闪烁着耀眼的光芒。

       1929年，密斯设计了著名的巴塞罗那世界博览会德国馆（Barcelona Pavilion）。这座展览馆坐落在一片不高的基座上面。主厅部分采用钢结构，八根十字形断面的镀铬钢柱支承着一片薄薄的屋面板，长25米左右，宽14米左右。隔墙为玻璃和大理石，细部处理十分简洁，位置十分灵活，从而创造出了有意味的多变的流通空间，充分体现了“少即是多”的建筑处理原则。它存在的时间虽然短暂，但对现代建筑却产生了广泛的影响。

       1930年建成的吐根哈特住宅，（图6）是密斯探索钢与玻璃艺术的早期作品之一，这所住宅的设计理念、结构形式与巴塞罗那世博会德国馆如出一辙，同样获得了极大的成功。吐根哈特住宅是继勒·科布西耶的萨沃伊别墅（1928～1930）之后，欧洲最著名的现代住宅之一。

图6 吐根哈特住宅

       1937年，密斯到美国后，专心探索钢结构的建筑设计问题。待二战一结束，便结出硕果。1945年开始设计，1950年建成的范思沃斯住宅（图7）但足以和1929年巴塞罗那德国馆相媲美，而且在钢与玻璃的运用上还有相当大的进展。这座住宅的构造细部都经过精心的推敲，它看起来非常精致考究，与其说它是一所住宅，毋宁说它是一件建筑艺术纪念品，一篇钢与玻璃的宣言书。

 

图7 范思沃斯住宅

赖特
       赖特，这位沙里文的门徒，曾参与了温赖特大楼（Wainwrigh Building，1890～1891）的设计工作。温赖特大楼是艾德勒·沙里文等的事务所设计的第一座充分成熟的钢框架结构的高层建筑。从这次实践中赖特对钢材和钢结构的理解得到了深化。

       赖特自己开业后，曾多次在住宅的结构大梁与悬挑大梁中运用钢材，并曾多次试图在公共建筑中采用钢结构。如1926年，赖特作了一个全钢结构的教堂设计草图。建筑物成多边金字塔形，钢梁从基础上直接立起，在端部以对角线相交。梁的本身略加以几何形装饰，这样上部钢结构形成优雅的图案同时，又反映出内在的结构目的。不过限于当时的技术条件，这个容纳十万人的大教堂方案是无法实现的。虽然方案不能实现， 但这并不妨碍赖特对钢材的兴趣。他深入研究了钢材的物理、化学性能及其加工工艺。1927年，他说：“这是一个钢的时代， 我们的文化已经接受了它，就象古罗马接受砖石拱券的伟大赐予一样。他批评那时许多建筑师并未真正懂得正确使用钢材，而只是因循守旧，热衷于在钢结构的外面覆盖古典主义砌体建筑的外形。针对此，赖特提出钢结构应十分科学地而且富有艺术魅力地表现出来。1938年他为南佛罗里达州立大学设计的安妮·珀菲佛尔小教堂顶部的钢架（图8）交错穿插的几何形格构充分显示了钢结构的美。

 

图8 安妮·珀菲佛尔小教堂顶部

       以今天的眼光来看，赖特对钢材性能的分析并不深透，然而努力去了解材料，并且有意识地在建筑中充分表现材料自身的特点，却是赖特留给我们的有价值的启示。

2.美国的摩天大楼
       十九世纪末芝加哥学派在美国烟消云散之后，仿古建筑之风弥漫全美，就连在功能、结构、体量、形式等方面完全不同于先前一切建筑形式的摩天大楼也不能幸免。20世纪头30年里建造的美国摩天大楼，都尽力把欧洲历史上各种建筑样式完整地或零碎地套用在自己的躯体上。1913年美国大零售商渥尔华斯公司在纽约建成高达234米的57层大楼，外形仿照欧洲中世纪哥特式教堂的细部。渥尔华斯大厦（WoolworthBuilding，New York，1911～1913，建筑师，CassGilbert）成为当时世界第一高楼（图2）。

       另一个被认为是“无与伦比的传统主义的摩天楼”是1918年芝加哥论坛报大楼（Tribune Tower）。（图9）1922～1927年，这个仿古的报社大楼在24层的顶部造了一个八角形的塔顶，有仿古的飞扶壁和各种雕饰，典型的哥特式风格。

 

图9 芝加哥论坛报大楼

       30年代之后，延续至第二次世界大战，美国摩天楼明确地改变了其建筑学概念，历史形成的细部设计以及立面顶端或过渡区的装饰都越来越少，最终被废弃，凹凸面、垂直或水平带的系统，代替了外部建筑处理的传统要素。结构系统，也即钢框架，露明在外，由此突出强有力的感觉。美国建筑文化的转型在30年代新建的几座摩天楼上显现出来。

       较早的一个例子费城储金大楼（PhiladelphiaSaving Fund Society Building）（图10），建筑师是霍埃和莱斯卡兹事务所（George Howeand William Lescaze）。大楼整个外观与内部空间吻合，不对称，没有附加的雕刻装饰，给人的印象是实用、朴素、挺直、清新，完全抛开了学院派建筑老一套的构图规则。费城储金会这这座钢结构大楼是美国和全世界第一个以现代风格建成的高层建筑。

 

图10 费城储金大楼

       既可以作那个时期创造力的代表，又高出那个时期而获得一种伟大的永恒性质的钢结构大楼群，是纽约的洛克菲勒中心（RockefellerCenter），它由R·胡德（Raymond Hood）为首的小组设计，1931年开工，一直建到第二次世界大战。洛克菲勒中心，共有15座大楼，其中最高的一座是70层的RCA无线电大楼（图11）。其次是38层的国际大厦和36层的时代与生活大厦。洛克菲勒中心的所有大楼都重复无线电大楼的基本格调和标准尺寸，使整体显得和谐统一。在这里，垂直处理没有纪念碑式的情调，仅仅流露出一丝浪漫主义的气息，呈现出一幅欢乐却又庄严的景象。它破天荒地在大型城市建筑群中使功能繁复的建筑物，现代化的钢构工程和壮观的外形取得了统一。

 

图11 洛克菲勒中心RCA无线电大楼

       在这一时期， 还有一个值得大书特书的作品——纽约帝国州大厦（“Empire  StateBuilding”，380米），（图12）设计者为史莱夫-兰布-哈蒙（Shreve，lamb，Harmon）建筑事务所。帝国州大厦是第二次世界大战以前，世界上最高的建筑物，第一次超过了巴黎埃菲尔铁塔的高度。它的形体非常简洁，没有多余的装饰，仅仅是建筑物顶端直径10米，高61米的圆塔略有装饰意味。

 

图12 纽约帝国州大厦

3.工业建筑
       在二十世纪初，工业建筑是领导世界建筑新潮流的。许多工业建筑在现代建筑历史中占有重要地位，如贝仑斯设计的透平机车间，格罗庇乌斯设计的法古斯工厂等。透平机车间（图13）以其卓越的细部，坚挺的门式钢框架支柱，屋盖结构的所谓雕塑感、复杂对称的山墙端部，而具有几乎是永恒的纪念碑似的性质。法古斯工厂（图14），被列为那些年代里最先进的建筑创作，是现代建筑的先声，虽然它的承重结构不如透平机车间暴露得那么明显。但与同期的建筑相比，三层厂房大楼的全玻璃立面，连同它的凸出的透明墙角，曾经被看作是轰动一时的大胆设计。这个立面是玻璃幕墙的许多前身中最早和最重要者之一。

图13 透平机车间

 

图14 法古斯工厂

       工业建筑经过初期的辉煌之后，渐渐过渡到了平庸时期。二十年代较为著名的工业建筑是1926～1928年由汉斯·赫特莱因（Hans Hertlein）设计的西门子—舒克尔特公司的控制设备大楼（Switchgear building），其内的钢框架跨越几个连续生产区而无中间支承，立面处理强调垂直构图，具有一种幽雅宜人、庄严简朴的感觉。

       平庸时期从30年代开始，延续到50年代末，到60年代，才出现了新的动向，多方面有了提高。

三、二十世纪中期至二十世纪末
       第二次世界大战使各种民用建筑活动都几乎处于停滞状态，战后大量房屋需要新建和重建，于是出现了建材短缺（尤其是钢材短缺），钢材供应短缺直接限制了钢结构建筑的发展。而此时，钢筋混凝土结构的发展则是空前的。这种状况到50年代才有所转变，钢结构建筑开始复苏，然而进展依然十分缓慢。60年代以后，钢材的供应有了充分保证，建筑钢材亦有了突破性进展，如新型彩色压型钢板、新型高效能冷弯薄壁型钢和第三代热轧型钢——H型钢的问世等。在建筑钢材获得突破的同时，计算理论与加工手段的进展也是划时代的，当然最具有革命意义的革新还是计算机的应用。

       在计算机的帮助下，轻钢结构、空间钢结构、高层钢结构、钢砼组合结构等的发展进入了真正的黄金时期。

1.轻钢建筑
       在钢结构建筑的发展普遍受到抑制的时期，轻钢建筑却有所发展。在第二次世界大战期间，飞机库的建造曾使轻钢结构大显身手。战后当这项工业开始重新发展时，注意力主要集中在这种快速建造的建筑物的强度及低造价上，而不是改变它的外表。

       二十世纪六十年代以后，曾经是简单的没有吸引力的轻钢建筑，渐渐以令人惊讶的奇妙的颜色和曲线步入了建筑殿堂。随后在低层、多层非居住建筑市场广泛受到欢迎。轻钢建筑如今已垄断了低层非居住型建筑市场。最新的数据表明，轻钢建筑已占有美国70%以上的两层楼房以下非居住建筑的市场。

       轻钢建筑在发达国家已是随处可见，下面是几个较为优秀的实例
       (1) 法国敦刻尔克大学生餐厅（图15）

 

图15 法国敦刻尔克大学生餐厅

       (2) 法国巴黎近郊，儒勒·凡尔纳中学（图16）

 

图16 法国巴黎近郊，儒勒·凡尔纳中学

       (3) 美国某轻钢住宅（图17）

 

图17 美国某轻钢住宅

2.空间钢结构建筑
       (1) 悬索结构建筑
       二十世纪五十年代以前，门德尔松、勒·科布西耶等曾设想过悬索结构的建筑方案。到五十年代，已经有不少工程师在努力探索怎样合理地在建筑中运用悬索结构，致力于解决悬索结构的技术和经济问题。

       1952年美国北卡罗纳州的雷里竞技馆（Raleigh Arena，图18）开创了现代悬索结构的历史。

 

图18 雷里竞技馆

       伊罗·沙里宁设计的华盛顿的杜勒斯国际机场候机厅（1958～1961），与耶鲁大学冰球馆（1956～1958），是非常成功的经典之作。这两件作品在3.1.1小节中有详细介绍。

       奈尔维设计的曼图亚布尔哥纸厂（Burgo Paper Mill，Mantua，1961～1962）也是悬索结构建筑的佳作，在四个高达50米的巨大的倒丫形钢筋混凝土门架之间，悬挂了四根净跨163米的扁钢悬链，吊起了整个钢桁架屋盖，其两端又各挑出43米，这种结构适应了生产工艺的要求，造型上又新颖奇特。

       日本丹下健三设计的东京奥林匹克运动会的游泳馆和篮球馆（1964）成功地运用了悬索结构创造了富有民族特色的建筑，把悬索结构的艺术表现力提到了新的水平。

       七十年代之后，悬索结构日趋成熟，全世界范围内兴建了大量的悬索结构房屋，如苏联列宁格勒体育馆（1976年，直径160米），意大利米兰体育馆（1976年，直径140米）、沙特阿拉伯、利雅德奥林匹克城赛车馆（1977年，直径166.5米）等。

       1999年，美国匹兹堡建设的108000㎡的戴维·L·劳伦斯（David L· Lawrence）会议中心，（图19）正是受到这座城市的众多悬索桥的影响，而优先选用了悬索结构体系。

 

图19 匹兹堡戴维·L·劳伦斯会议中心

       网架结构与网壳结构建筑
       网架与网壳结构在二十世纪六十年代以后崛起于结构舞台，并很快取代了钢筋混凝土壳体结构，成为当代主要的大跨度空间结构形式。

网架结构建筑
       1964年， 贝聿铭在肯尼迪图书馆中（ 图20），大面积平板网架的应用开阔了参观者的视野，建造了一座没有纪念碑的纪念碑。

 

图20 肯尼迪图书馆

       1970年，丹下健三设计了覆盖博览会入口处“节日广场”的巨大钢屋盖，他希望用它来表达自己的建筑哲理：“为了人的交流而构筑空间，”使广场成为“人类崇高交往的场所。”他确实如愿以偿了，网架覆盖的330×120米的巨大空间，真正成为了“交流中心”。

       1980年，菲利普·约翰逊设计的“水晶教堂”（图21），大胆摒弃了教堂的传统形式，完全用空间钢网架和玻璃构成了教堂的屋顶和墙。在这儿，建筑师依靠网架技术创造了既迥然异趣，又浓烈的宗教气氛。

 

图21 水晶教堂

网壳结构建筑
       建筑构件的工业化为网壳结构的发展注入了强大的生命力。近40年来，世界各地兴建的各种形式的网壳结构建筑数不胜数。跨度越来越大，造型越来越新颖，进而可移动可闭启，真正实现了“可呼吸”的建筑。

       1958年，富勒在美国路易斯安娜州的巴登鲁设计了一个汽车修配厂，它全部笼罩在直径117米的短程线穹窿之下，是到那时为止世界上跨度最大的建筑物。

       1967年，在加拿大举行的蒙特利尔国际博览会上，富勒设计的美国馆以一个直径76m的巨大3/4球形网壳再一次开辟了巨大空间结构的先例。美国馆的设计妥善地处理了建筑、结构和构造上的不同要求，获得很大的成功。

       近年来网壳结构在体育建筑、交通建筑等大跨度建筑中的应用越来越广泛。1987～1989年建设的瑞典斯德哥尔摩格劳本体育馆，是目前世界上最大的球体建筑。

       1991年落成的伦敦第三国际机场丝丹斯戴德航空港（图22）与1998年落成的香港赤角国际机场（图23）是福斯特建筑师事务所运用网壳结构，单元进行组合，（每个单元为36m×36m），求取大空间的范例。这种化整为零的手法不但降低了造价（丝丹斯戴机场航空港的造价比同类建筑低20%），而且还使整个屋顶显得轻盈、剔透、玲珑。

图22 丝丹斯戴德航空港

 

图23 香港赤角国际机场

开合空间网壳结构建筑
       1961年建成的美国匹兹堡会堂，直径127米，高度33米，其半球形屋顶可以自由启闭，屋盖由8个网片组成，其中2个是固定的，6个是可旋转移动的。从此之后，大量的开合空间结构建筑开始建设。1989年加拿大多伦多建成了当时世界上跨度最大的开合结构天空穹顶（ Skydome），跨度205米，覆盖面积32374㎡，4年之后（1993年），这一纪录就被打破，就是跨度222m的日本福冈体育馆（图24），1993年，日本还建成了宫崎水上世界，长300m，跨度100m，高38m，开合方式为平行重叠式。

 

图24 日本福冈体育馆

(2) 张拉索结构建筑与张拉膜结构建筑
       二十世纪五十年代，伴随着张拉索结构体系的出现，张拉膜结构体系也随之诞生。1967年落成的蒙特利尔国际博览会德国馆标志着张拉索结构体系的成熟。而在1972年慕尼黑奥运会场馆（图25），体育场，体育馆和游泳馆的张拉索结构覆盖的面积和结构的最大跨度几乎都比德国馆大三倍（22000㎡/8000㎡，135米/45米）。

 

图25 慕尼黑奥运会场馆

       美国丹佛国际机场候机大楼（图26）1994年建成使用，是世界上最大的封闭型张拉膜结构建筑。大楼造型独特，远远望去象是丹佛外缘白雪覆盖的落矶山的延续，又宛若印第安人居住的营帐。设计者将造型与自然环境和地方文化相结合，使进出丹佛的人们能感受到独特的地方地色。

 

图26 美国丹佛国际机场候机大楼

       1996年亚特兰大奥运会体育馆的屋顶—佐治亚穹顶，是目前世界上最大跨度的索网与膜相结合构成的穹顶结构。（240×193m），该工程完工后，很多结构专家都预言二十一世纪大型体育场馆的屋盖将由这类结构体系所垄断。

3. 高层钢结构建筑
       美国的高层钢结构建筑经过 40年代的停滞之后，50年代重振雄风，密斯·凡·德·罗的影响可谓至高无上。1948～1951年的芝加哥湖宾公寓（图27）的落成使密斯1921年提出的玻璃摩天大楼的设想变成了现实。而真正意义上全玻璃外墙高层建筑是1952年落成的纽约利华大楼（Lever Building ，New York），利华大楼四面玻璃墙叫人刮目相看，备受赞扬，它甚至成为当时高层办公楼的设计意象。

 

图27 芝加哥湖宾公寓

       1958年落成的纽约西格拉姆大厦（ 图28），相当引人注意。其外表上的金属部分既不是钢也不是铝，而是铜。采用这种色调温暖的金属材料，使西格拉姆大厦在一般钢或铝的高层建筑中显得格调高雅，与众不同。

 

图28 西格拉姆大厦

       60年代，美国的坎恩（Fazler R·Khan）提出了框筒体系，这为建造超高层建筑提供了理想的结构形式。从这种体系中衍生出来的筒中筒，多束筒和斜撑筒等体系，各有特色，将高层建筑的发展推向了高潮。

       1972年落成的纽约世界贸易中心（图29，110层、411米），终于打破了帝国州大厦保持达41年之久的最高世界纪录。纽约世界贸易中心不但在规模上，而且在技术成就上都是空前的。该工程首次进行了模型风洞试验，首次用粘弹性阻尼器减震，首次采用了压型钢板组合楼板等，对后来的高层建筑有重大影响。

 

图29 纽约世界贸易中心

       在纽约世界贸易中心落成两年后，另一座更高的建筑—芝加哥的西尔斯大厦（Sears Tower，110层，443米）落成了。西尔斯大厦的结构体系是束筒结构。这种结构体系不但是最简单的抵御风力的体系，而且是最简单最动人的几何图形。钢结构特别适合于使建筑师采用清晰的几何图形作为思维手段。这正是从美国高层建筑发展中得出的经验。

       80年代以后，由于亚洲特别是环太平洋西岸地区的经济飞速发展，摩天大楼的发展重心开始向这一地区转移。

       最近落成的上海金茂大厦（88层、420.5m）与马来西亚吉隆坡佩重纳斯大厦 (95层、452米 )相当明确地说明了这一问题。

4. 钢-混凝土组合结构建筑
       70年代以前和70年代建造的超高层建筑大部分采用钢结构，在80年代增加了钢-混凝土结构的比例。这些变化除受建筑用途的影响外，主要是由于经济原因和防火要求的限制。

       吉隆坡佩重纳斯大厦、上海金茂大厦、深圳地王大厦、深圳赛格广场、上海浦东国际金融大厦等均采用钢-混凝土结构，特别值得关注。

四、二十一世纪初至今
       人类进入二十一世纪之后，在轻钢结构、空间钢结构、高层钢结构等领域，结构技术尚没有发生突破性进展。但钢结构的技术美学化倾向、仿生化倾向特别值得关注。

1.钢结构的技术美学化倾向
       科学技术是人类社会进步的阶梯,也是建筑发展的阶梯。技术手段的变革,会超越风格流派等文化因素,对建筑造型产生巨大的影响,并使得建筑创作观念和设计方法也随之发生变化。

       高技术建筑的技术基础之一便是新的结构技术。建筑师更加追求技术表现，但高技术建筑的技术表现决非简单的外露结构件，而是从技术美学出发，从巧妙运用结构，理解结构和创新结构形式出发，自然而然地表现结构，表现技术。

       近年来，高技术建筑又融入了生态美学的思想，也更加关注地域文化，其技术表现的内容扩大了，生态技术、地域文化也纳入了表现的范围。

       技术美学思想强调技术与艺术的结合，具有结构理性的特征，所以被广为接受。当今世界建筑的主流派，多以钢结构技术及其它高强技术为技术手段，沿着技术与艺术有机融合的通路深入发展。

       苏州博物馆：贝聿铭先生设计的苏州博物馆新馆是传统苏州风格和现代建筑文化互相融合的标志性建筑，既体现出中国水墨画的简洁和底蕴，又体现出西方现代抽象画的装饰美和平面美。（图30）

 

图30 苏州博物馆

       鸟巢：鸟巢是2008年奥运会的主场馆。其外观看上去就仿若树枝织成的鸟巢。体育场结构体系似乎没有规律，其实不然，其结构体系是非常清晰的。（图31）在这里，中国传统文化中镂空的手法、陶瓷的纹路、红色的灿烂与热烈，与现代最先进的钢结构设计完美地相融在一起。

 

图31 鸟巢结构体系

       整个建筑如同一个巨大的容器，赋予体育场以不可思议的戏剧性和无与伦比的震撼力。（图32）

 

图32 鸟巢鸟瞰

2.钢结构的仿生化倾向
       世博会英国馆:2010年上海世博会最具魅力的场馆就是英国馆（图33）别名蒲公英，种子圣殿。

 

图33 上海世博会英国馆

       它由托马斯·赫斯维克设计，其创意和创新令人叹为观止。英国馆由钢结构体系支撑，周身插满约6万根透明的亚克力杆，它们向外伸展，就像一只在风中舞动的蒲公英。白天6万根透明的亚克力杆将阳光导入室内；夜晚则将灯光导出室外，点亮整个建筑，其幻化出神奇的光影，令人流连忘返。

       美国密尔沃基博物馆（Milwaukee Art Museum）由卡拉塔瓦设计，卡拉塔瓦以结构仿生与极强的个性著称于世。美国密尔沃基博物馆是其建筑生涯中最为璀璨的代表作之一。

       博物馆的形体用一座11m高的拱架、玻璃屋顶以及不锈钢构架组成。博物馆屋顶上的“羽翼”造型最具特色，看起来就像一只飞翔中的海鸥。这个形如鸟翅骨架、重达115t的可折叠结构是一个可移动的太阳屏，可以根据风速和天气情况调节开启或者闭合。有时它会像翅膀一样慢慢展开以遮蔽建筑，有时它又闭合收回附着在其下的双曲线型屋面上。这个屋面从中间分成两部分，每部分由36个钢条排列组成，这些钢条长度由32m随曲线变化逐渐递减到8m，从而完成了这个特殊的屋面造型。（图34）

图34 美国密尔沃基博物馆

五、对钢结构建筑的展望
       由于钢结构建筑具有很大的优越性，许多国家都在研究发展这种建筑。有几种趋势特别值得注意：

1. 平面结构多被空间结构所代替
       许多设计师认为:目前我们正处于一个重大建筑革命的前夜，它标志着从过去的二维结构改变为现在和将来的三维结构。

2．加工朝精细化方向发展
       钢结构建筑的动人魅力，是与其精密的加工密不可分的。钢构件及其节点，受力明确、比例优美、交接精细，充分展示金属的细腻、光洁的质感。这样，钢结构就克服了忽视人情、形象冷漠的缺陷，使高技术与高情感有机结合起来。

3．钢结构技术与生态技术相结合
       钢结构技术与生态技术相结合，是在生态危机背景下的必然选择。关于钢结构技术与生态技术相结合，也必然是今后较长一段时间内，钢结构建筑的主要发展方向。

4．钢与混凝土组合的趋势
       钢结构与砼结构各有所长，综合利用这两种结构的优点为钢结构与砼结构的发展开辟了一条新途径。统计分析表明，高层建筑采用钢—混凝土组合结构的用钢量约为钢结构的70%，而施工速度与全钢结构相当，在综合考虑施工周期、结构占用使用面积等因素后，混合结构的综合经济指标优于全钢结构和全混凝土结构的综合经济指标。

       我国目前已建成或在建的高层钢结构建筑（约有40余幢）中有一半以上采用的是钢—混凝土混合结构。最近建设部和国家冶金工业局在颁布的《建筑用钢技术政策》中，将钢—混凝土混合结构列为要大力推广的建筑新技术，可以预见，混合结构在高层办公楼、学校、医院及住宅等建筑中将有较广泛的应用。