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)了絕對的主導作用。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，互承結(jié)構(gòu)。

什么是互承結(jié)構(gòu)？

互承結(jié)構(gòu)這個概念首先被英國建筑師格拉漢姆·布朗提出，先后得到了諾丁漢大學約翰奇爾頓和謝菲爾德大學奧嘉波波維克等學者的認同。

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，每個構(gòu)件的一端都順次搭在下一個構(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：

１．構(gòu)件均短于總跨度，且互相支承。

２．不存在兩根構(gòu)件公用同一端點的現(xiàn)象，從而避免形成鉸接節(jié)點。

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)

因為互承結(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，避免了多個桿件交匯于一點，從而簡化了節(jié)點的構(gòu)造。再加上互承結(jié)構(gòu)通過桿件之間的相互支撐解決了彎矩傳遞的問題，并且利用小尺寸的構(gòu)件實現(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)件角度來看，互承結(jié)構(gòu)為使用直構(gòu)件提供了實現(xiàn)彎曲三維復雜形式的可能。同時，這種結(jié)構(gòu)對節(jié)點技術(shù)的要求很低，使其可以短時間內(nèi)完成搭建和拆卸。這些優(yōu)點使得互承結(jié)構(gòu)成為多種應用的可能解決方案，從短跨度頂篷到幾何形狀復雜的結(jié)構(gòu)形式，再到快速建造的緊急情況，一應俱全。

圖3. 同濟大學創(chuàng)意設(shè)計學院大廳展出的互承結(jié)構(gòu)

不僅如此，因為其結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置富有韻律美感切有很強的數(shù)學性，可以生成無數(shù)種規(guī)則的幾何形態(tài)或者自由隨機的形態(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)師對其進行了研究和實踐。但是由于這種結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)形復雜，找形困難，且形狀不可任意實現(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，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者注意�，F(xiàn)在伴隨著分析軟件的興起，不僅在找形理論方面有了長足的長進，而且能用軟件進行分析和優(yōu)化，最終建造出一些具有現(xiàn)代特點的互承結(jié)構(gòu)形式。

圖5. 同濟大學展出的互承結(jié)構(gòu)

對互承結(jié)構(gòu)體系影響最大的人之一就是文藝復興巨匠達芬奇。他較為全面的研究了互承結(jié)構(gòu)并設(shè)計里多種可能的形態(tài)，巧合的是，有一種形態(tài)與中國的虹橋結(jié)構(gòu)極為相似。達芬奇甚至還設(shè)想了這些結(jié)構(gòu)在實際工程中的應用，比如他繪制的類似虹橋的結(jié)構(gòu)是為了解決臨時軍事橋梁的架設(shè)問題。

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”系列建筑對當時的日本建筑界影響重大。他設(shè)計的幾座互承結(jié)構(gòu)建筑中，熊本縣清和文樂館的表演廳屋頂最為精巧。石井和紘的互承結(jié)構(gòu)概念主要來源于兒童游戲，他說：“小的時候，我常常將三支球棒樹立起來玩耍。”他還從一種叫騎馬戰(zhàn)的游戲中找到靈感，并將其應用到了表演廳屋頂結(jié)構(gòu)中。而在他設(shè)計的清和村物產(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)計師塞西爾·巴爾蒙德也將互承結(jié)構(gòu)運用的風生水起。在2005年的倫敦蛇形畫廊臨時展館以及美國密蘇里州圣路易斯市的森林公園展廊中，互承結(jié)構(gòu)被他運用出了新的面貌。

圖9. 2005年的倫敦蛇形畫廊臨時展館

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獲得者、也是中國美術(shù)學院建筑藝術(shù)院院長王澎教授設(shè)計的“衰變的穹頂”。

圖10. 日本六甲垂枝天文臺

圖11. 日本六甲垂枝天文臺鋼互承結(jié)構(gòu)圖

12. 王澎教授及其團隊與“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，有越來越多的學者對其進行研究，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。

對于結(jié)構(gòu)找形，通過對與基本互承單元的研究，認為桿件長度、搭接長度、坡角等是影響簡單互承結(jié)構(gòu)形狀的主要參數(shù)。即通過調(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。目前主要有物理過程模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩種方法。大部分的學者都采用后者方法來解決找形問題。比如說通過基于遺傳算法通過反復迭代找到滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)型條件的最優(yōu)解；通過遺傳算法找到拓撲構(gòu)型后采用梯度法加快收斂速度；針對構(gòu)件相同的互承結(jié)構(gòu)，提出循環(huán)搭接找形法等等。還有學者通過對比群體隨機搜索方法中的遺傳算法和單點搜索優(yōu)化方法中的擬牛頓法，認為后者具有更高的計算效率。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)知識及經(jīng)典建筑案例分享

在形態(tài)優(yōu)化方面，目前公認的是桿件搭接系數(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)計中可以通過調(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)。

與簡單框架結(jié)構(gòu)相比，互承結(jié)構(gòu)對于材料的用量更多，受力分析也更加復雜，也許會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)會有很大的機會走入人們的生活。