当前位置： 沙特阿拉伯 > 沙特阿拉伯简介 > 新刊导读伞状结构发展的历史演进及当代
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摘要
鉴于国内大量车站、机场等交通枢纽以及集合市场等大跨度建筑的不断出现，提出伞状结构，并将其作为一类独特的结构形式加以研究。简要阐述了3种常见伞状结构的形式与特点，归纳梳理了20世纪伞状结构西欧与拉美发展变化的主要线索和3个主要阶段，即试验探索阶段、发展变化阶段和轻质化数字化阶段，厘清了每个阶段伞状结构的主要特征，以及主要建筑师对伞状结构的贡献及彼此间的相互影响。通过一些代表性作品重点阐明伞状结构的当代应用价值，其主要表现为结构的美观性与合理性，灵活的模块化建造方式和藉由可变性等构造策略回应地域气候3个方面，以期为建筑结构一体化设计提供启示和借鉴。
关键词
伞状结构；双曲抛物面；混凝土薄壳；树状伞；膜结构伞；结构美；模块化；气候适应性
引言
伞状结构，英文umbrellastructure，属悬臂结构的一种，是具有独立支撑的结构体或结构单元。一般由屋盖（或楼板）、一个支柱和柱下的基础组成。不同的伞状结构单元具有不同的组合形式，且单元之间的连接多为铰接。
20世纪，由于钢筋混凝土技术和悬臂式结构的发展，伞状结构开始受到结构师及建筑师的 伞状结构的常见形式有双曲抛物面伞、锥状伞和树状伞。其中，双曲抛物面伞状结构单元的经典原型（图2），由4个双曲抛物面薄壳瓣、支撑和基础所组成。由于伞面是双曲的，其结构的内应力较低。锥状伞，其伞面呈锥形，根据伞平面形状的不同，可以是圆锥或棱锥。树状伞，其主要特征在于其支撑结构呈现出类似于树木的分支状态，构件在节点处分开，在一系列“分支”中向外扩展。
图1 牛奶伞
图2 双曲抛物面伞状结构单元的经典原型
世纪以来西欧到拉美伞状结构发展的主要线索及三个阶段
20世纪以来，在西欧与拉美伞状结构的发展史上，可谓群星璀璨。其中，尤以法国工程师费尔兰德·埃蒙德（FernandAimond）、墨西哥建筑师费利克斯·坎德拉（FélixCandela）和德国建筑师弗雷·奥托（FreiOtto）影响最为深远。三位建筑师因其特殊的贡献，各自开辟和引领了伞状结构发展的３个不同阶段。即：~年的试验探索阶段，~年的发展变化阶段以及年至今的轻质化数字化阶段。
1.1埃蒙德开启的试验探索阶段（~）
在伞状结构发展早期，除了年第一把由西班牙建筑师方索设计建造的“牛奶伞”外，值得称道的当属法国工程师埃蒙德，由于他在双曲抛物面薄壳理论和实践的开创性贡献，使其当之无愧地成为双曲抛物面薄壳伞的奠基人。
理论方面，埃蒙德以年发表的《双曲抛物面无弯曲状态下薄壳的静力研究》一文为标志，形成了有关双曲抛物面伞结构的第一部较为完整的理论。实践方面，两次世界大战期间，桥梁、军用机库和仓库大量兴建。为埃蒙德混凝土薄壳结构伞的发明和其在军用机库、车间建造中的应用提供了契机。他首次将双曲抛物面混凝土薄壳伞运用于飞机库、仓库等军用建筑（图3）屋盖的设计中。由于多在军用建筑中使用，不太重视外观效果，加之其结构计算方法过于复杂，导致结构可读性不佳。因此，他的作品在当时并未引起轰动，也没有迅速扩展到民用建筑。
尽管如此，他的双曲抛物面伞的概念和设计，却深刻启发和影响了意大利建筑师乔治·巴罗尼（GiorgioBaroni）。巴罗尼在埃蒙德研究的基础上，优化和改进了薄壳结构边缘梁的设计，为其设计了非常薄的边缘。他还将双曲抛物面薄壳屋顶引入意大利，并为经典的四瓣双曲抛物面伞申请专利（图4）。年，他建造了意大利第一个伞状结构建筑——特雷西加洛的大麻仓库（图5），被形象的称为“巴罗尼树”。
图3 埃蒙德设计的伞状结构机库（3a：利摩日-费蒂亚飞机库；3b：兰维斯托克-波尔米克飞机库）
图4 巴罗尼年申请的伞状结构屋顶系统专利（4a：形态简图；4b：柱体与边缘梁配筋图）
图5 特雷西加洛的大麻仓库
1.2坎德拉为代表的发展变化阶段（~）
双曲抛物面混凝土薄壳伞在西欧虽未被广泛应用，但在拉美却迎来了它的春天，其在拉美的成熟发展与坎德拉作为结构师独到的眼光和墨西哥战后重建的特殊国情是分不开的。
坎德拉对埃蒙德论著中所包含的公式和方程进行研究、提炼和改进，优化了埃蒙德的理论成果，年，坎德拉发表了关于研究工业建筑中薄壳结构潜力的《工业建筑中的薄壳板》一文，该文成为他双曲抛物面伞实践的理论依据。同时，坎德拉对施工支模技术做出革新，使得伞状结构单元可以被批量生产。以年他在墨西哥联邦区的特卡马查尔科建造的职业生涯中第一个尺寸为10m×10m伞状结构为标志。在接下来的10年里，他以该伞为基础，将其作为结构单元，形成了一套系统化和标准化的方法，建造了墨西哥乃至拉美地区，包括教堂、实验室、地铁站、集合市场和仓库等公共建筑，以及大量的工业建筑（图6）。可以说，伞状结构带来了墨西哥的建筑革命。其可快速形成大空间的特点和大规模模块化的建造方式，成为墨西哥用来覆盖大跨度空间最经济的建筑结构之一。
随着年墨西哥的最低工资标准颁布，劳动力成本增加，新材料和更具竞争力技术的出现，以及混凝土伞状结构自身养护和维修困难等问题，坎德拉也不得不寻求改变，并在奥托的影响下，于年提出了树状伞结构的伦敦水晶宫竞赛方案，该方案局部采用金属材料建造（图7）。随后，在年墨西哥奥运会体育馆展区方案（图8）中再次运用了这一设计。
图6 坎德拉代表的伞状结构作品（6a：神奇勋章圣母教堂；6b：牙买加食品市场）
图7 坎德拉伦敦的“水晶宫”竞赛方案
图8 墨西哥奥运会体育馆展区方案
坎德拉的成果还影响了其身后的一大批西欧和拉美的建筑师，如圣地亚哥?卡拉特拉瓦、诺曼?福斯特和委内瑞拉的阿尔瓦罗?科托?阿森霍等。
无独有偶，在拉美和他同样研究伞状结构的还有阿根廷建筑师阿曼西奥?威廉姆斯（AmancioWilliams）。他与朱利奥?皮泽蒂（GiulioPizzetti）一起于年开始最小厚度伞状结构屋盖的设想与理论研究，并于年在医院设计方案中尝试应用这种结构（图9）。~年他们开展最小厚度伞状结构屋盖物理实验（图10），建造测试了数个1:10比例的伞状结构模型，这与坎德拉的实验伞几乎出现在同一时期。年他们合作撰写的《一个新的结构单元》出版，文中说明了年未实现的科连医院的屋盖设计方案和他们的结构实验。年，在布宜诺斯艾利斯百年纪念博览会的邦吉和波恩展馆中（图11），威廉姆斯实现了这种结构。
这一阶段既有混凝土薄壳伞建造技术的成熟发展，也有轻质伞状结构建筑建造的萌芽与尝试。轻型伞状结构在第二次世界大战后的头几年里已经出现。年布鲁塞尔世博展览会的西班牙馆（图12）由个独立的轻钢骨架的六边形伞状结构组成，高达6m。这些模块自由分布，完美地适应了地形的高差以及树木的遮挡。
图9 医院设计方案
图10 最小厚度伞状结构屋盖实验的强度研究
图11 邦吉和波恩展馆
图12 布鲁塞尔世博会西班牙馆
1.3奥托引领的轻质化数字化阶段（至今）
20世纪后期，正在混凝土薄壳伞面临危机的时候，PVC涂层聚酯膜材、强化胶合木板及轻量化钢材开始崭露头角。“轻型结构”开始活跃在市场上，悬索结构、膜结构、分支结构被大量研究和开发，并且大放异彩。奥托是最早使用轻质钢材和膜材探索分支结构和膜结构的建筑师，年和年奥托分别发表了巨著《张力结构：悬索、网格和薄膜结构建造的设计、结构与计算》的第一卷和第二卷。奠定了他在轻型结构理论方面的地位，也成为他日后轻质结构伞设计和建造的理论基础。在他主导下，“树状伞”和“膜结构伞”相继被开发，为伞状结构开辟了新的领域，把伞状结构的发展推向了轻质化数字化的阶段。
膜结构伞具有轻质、灵活可变的特点。树状伞则继承了仿生结构学的思想，使得结构受力更加优化。奥托善于从自然界中寻找形式，并使用灵活可变的物理实验模型来探索结构形式的可能性。例如其“肥皂膜模型”和“分支结构模型”。在这些试验中奥托尝试利用最少的材料来获得最大的结构强度。
（1）奥托的“分支结构模型”与树状伞
分支结构在结构性能方面优势明显，具有承载大跨度冠状物的能力。20世纪60年代早期，奥托开发了一系列分支结构。年，他在美国耶鲁大学展出了在学术研讨会期间的的可行性研究成果——一个由“分支结构”实现的展厅初步设计（图13a），并对坎德拉后来的设计产生了较大影响。70年代，奥托运用最小路径模型，系统地研究了分支结构（图13b），并将研究成果应用于年沙特阿拉伯利雅得部长理事会项目设计中，但未建成。幸运的是，这一成果最终在年德国斯图加特机场项目中得以实现。
图13 奥托的“分支结构”研究（13a：耶鲁大学展览的“分支结构”；13b：悬挂分支结构模型）
（2）奥托的“肥皂膜模型”与膜结构伞
图14显示了奥托用于理解和捕捉锥状张拉膜结构的“肥皂膜模型”，其膜表面上张力相等，因此薄膜没有褶皱。他在年科隆联邦花园展上的活动式遮阳伞（图15），以及年平克?弗洛伊德乐队巡回演唱会的舞台伞，均运用了这一结构形式。
图14 奥托的肥皂膜模型
图15 科隆联邦花园展活动式遮阳伞
在20世纪末至21世纪初，奥托主持的“轻型建筑研究所”和他的学生们将其成果继续发扬光大。
奥托的学生，建筑师托马斯?赫尔佐格（ThomasHerzog）设计了年汉诺威世博会德国馆。该馆由10个伞状模块组成，每个模块包括覆盖有半透明预应力膜的双曲木材薄壳顶以及中央支撑结构。另一个学生，马哈茂德?博多?拉什（MahmoudBodoRasch），专门从事大型敞篷伞的建造。~年间，他在埃及开罗的侯赛因清真寺、年汉诺威世博会委内瑞拉馆和沙特阿拉伯吉达的皇家航站楼等项目中均设计了轻质可活动式阳伞。
另一方面，计算机辅助设计的进步以及分形理论的数学革命，拓展了建筑师的找形手段，改进了优化建筑结构的方式，使建筑师和结构师能够更方便地将建筑外观和结构进行一体化设计。在奥托研究的基础上，以斯图加特大学为代表的欧洲高校学者采用计算机辅助的办法，在计算机上通过分支结构的拓扑找形（图16a）或应用计算机仿真技术模拟树状伞结构的受力（图16b）来进行优化设计。
图16 数字化技术的应用（16a：年，斯图加特大学使用计算机技术生成的分支结构拓扑图形；16b：年，瑞典吕勒奥理工大学使用结构计算软件评估伞状结构体系的内部压力）
2三个阶段典型伞状结构的特征归纳
从试验探索阶段、发展变化阶段和轻质化数字化阶段三个时期伞状结构的发展变化来看，结构技术和材料的进步是伞状结构发展的客观条件。古代砖石结构和木结构难以实现伞状结构的悬臂形式，直到19世纪中后期钢筋混凝土技术的出现与发展，才使得伞状结构的存在和发展成为了可能。“膜”理论、图形静力学和预应力技术的发展又为混凝土薄壳伞的出现和成熟应用奠定了理论和技术基础。20世纪后半叶，轻型结构、悬索结构的出现，又为伞状结构的发展开辟了新的领域。
从三个阶段伞状结构的典型结构类型、形态和建造特征及不同阶段的优缺点来看主要呈现出以下特征：
典型结构类型方面：试验探索阶段主要以钢筋混凝土结构为主；发展变化阶段伞状结构的类型开始呈现出多元化的趋势，以年布鲁塞尔世博会西班牙馆为代表的轻钢结构伞和以~年奈尔维设计建造的都灵劳动宫（图17）为代表的钢结构伞相继出现；进入轻质化数字化阶段后，膜结构伞和轻钢结构伞得到了广泛的应用，以年大阪世博会“蘑菇气球”（图18）为代表的气动结构伞和年斯图加特机场第三航站楼为代表的分支结构伞也陆续出现在人们的视野中。
图17 意大利都灵劳动宫
图18 年日本大阪世博会的“蘑菇气球”
形态和建造特征方面：初期探索阶段，伞面形式较为多样，未形成固定的模式，但经过结构工程师的探索和研究，力学性能较好的双曲抛物面伞逐渐成为主流；在坎德拉主导的发展变化阶段，因混凝土伞状结构理论与建造技术的成熟，伞状结构的建造呈现出模块化的建造模式，伞状结构单元以典型的四瓣双曲抛物面结构伞为主，形成了较为统一的结构单元类型；进入轻质化数字化阶段，材料与结构技术的革新促使了伞状结构形态和建造的变革，如膜结构伞、树状伞、气动伞相继出现，20世纪后期，伴随计算机技术的进步，计算机仿真模拟与找形简化了模型试验和计算验证的过程，随着试验成本的降低，形态特征和建造方式也愈发自由。
不同阶段的优缺点方面：试验探索阶段，伞状结构跨度大、呈单元式分布、组合灵活、方便扩建，但是结构较为复杂，美观性和结构简洁性不足；发展变化阶段，伞状结构得到优化，美观程度提高，为了适应工业化，大规模模块化建造的方式更为凸显，但后期混凝土伞状结构建造的劳动力成本增加且不易养护；轻质化数字化阶段，伞状结构出现了较明显的轻质特征，适应预制装配式的生产方式，且样式更加多元，构造更为复杂，建筑师开始尝试通过伞状结构自身的结构可变性来回应环境条件，或实现快速搭建的目的。
3伞状结构的当代价值
21世纪，伞状结构仍被大量研究和应用，依然延续了20世纪初期试验阶段大跨度结构的特点，以及发展变化阶段适应大规模模块化生产和轻质化数字化阶段轻质性与可变性的特征。除了结构的视觉冲击力、内部空间的节奏与韵律感和外部造型等美学价值外，在新材料新技术的不断改良下，结合绿色生态、传统文化，伞状结构仍具有兼具结构美观性与合理性、灵活的模块化建造和藉由可变性等构造策略回应地域气候等特殊优势，呈现出良好的应用前景。
3.1结构美观性与合理性
伞状结构跨度大，结构内应力小。大跨度这一特点从20世纪伞状结构诞生之初就已经被赋予，因此也广泛适用于大跨公共建筑中。其结构内应力小主要体现在双曲抛物面伞和树状伞的设计上。混凝土双曲抛物面伞由于伞面壳体是双曲的，内应力较低，只需要少量的配筋即可承受较大的荷载。而树状伞的形式往往通过垂吊模型或计算机模拟计算而获得，借助重力法则，构建受力状态与实际受力相反，但传力路径与实际状况相同的合理的结构构形，不仅可以覆盖大范围的空间，还具有极强的美学效果。代表性的如GMP事务所设计的德国斯图加特机场第3航站楼的大跨树形柱（图19），每个树状伞单元的平面尺寸为32.4m×21.6m，其分支结构柱呈三级分支，“杆件的铰接使其各分支构件只承受轴向力”。实现了结构美观性与合理性的统一。
图19 德国斯图加特机场第3航站楼（19a：室内透视；19b：树状柱底面图）
而在福斯特事务所设计的沙特阿拉伯哈拉曼高铁站和中南建筑设计院设计的太原火车南站中，采用钢结构，实现大跨度的同时，分别结合伊斯兰建筑的弧形拱门和中国传统建筑斗拱出挑的飞檐意象，将结构美学与传统文化元素巧妙结合。
3.2基于预制装配式生产的灵活模块化建造
伞状结构适宜模块化的建造方案，可以分期建设，根据需要进行扩建或拆除：例如阿尔弗雷德·曼斯费尔德设计的以色列博物馆（图20），建筑师在固定网格内，设计了一系列11.2m×11.2m的伞形单元模块。博物馆的第一部分于年左右完工并开放。目前，博物馆的建筑面积在过去的50年内增加了近10倍，充分证明了这种模块化设计与建造的合理性与实用性。
图20 耶路撒冷以色列博物馆（20a：伞形单元模块；20b：整体鸟瞰）
另外，伞状结构模块化建造的灵活性，还体现在单元的自由组合和支撑体竖向高度的可调节性上，使之便于适应边界条件较为复杂的场地和有高差的地形，降低建筑对场地的干扰：如年西班牙科尔多瓦市民开放活动中心（图21）和年巴西帕纳贝伦市第四届的城市博览会展馆（图22），分别通过圆形和六边形伞状的单元模块适应了三角形的城市场地。而年布鲁塞尔世博会西班牙馆，通过高度可调节的伞状结构适应了起伏的地形。
图21 西班牙科尔多瓦市民开放活动中心
图22 巴西帕纳贝伦市第四届的城市博览会展馆
同时，藉由预制装配式的建造方式，可以实现伞状结构建筑快速批量化地搭建和拆除，节省工期，节约劳动力成本，有效减少施工污染；对于临时性的装配式伞状建筑，因可重复使用，延续了建筑的生命周期，从而实现了建筑的可持续性：例如OPEN建筑事务所年设计的临时性售楼处—HEX-SYS，采用可拆装六边形伞状结构，适应不同的功能单元。通过封闭或开放空间单元的灵活组合，形成庭院、廊架等私密或公共的空间。并且在绿色生态方面，通过六边形伞的雨水收集和自然通风等被动式策略改善了建筑的局部微气候。
3.3通过伞状结构单元的构造策略以回应地域气候
折叠式伞或气动伞等具有可变性的伞状结构，可以有效地对地域气候做出回应，改善地区微气候，实现节能：例如拉什年在沙特阿拉伯的麦地那清真寺广场设计的伞状膜结构，可以在白天打开，遮挡过量的太阳辐射，在晚上关闭，以利于快速散热和通风（图23），同样由拉什设计的年汉诺威世博会委内瑞拉馆（图24），应用了仿生学的原理，其顶蓬可以像花一样打开和关闭，“花瓣”根据天气状况调整自身的开合状态，合理地引入阳光，从而保持展馆的阴凉与干爽。
同时，通过伞状结构本身的构造设计可以使其集遮阳、太阳能光伏系统和雨水收集于一身，实现节能与节水：如阿联酋马斯达尔可持续发展城市竞赛一等奖方案的向日葵伞（图25），根据向日葵的原理设计，在白天提供可移动的遮荫系统，并储存热量，然后伞面在夜晚降温时关闭，并释放热量，实现对于该地区昼夜温差较大的气候的调节；国内，由北京建筑设计研究院设计的北京世园会国际馆，其屋面由94把花伞构成，在美观的基础上，还具备了遮阳、自然通风、太阳能光伏一体化和雨水收集作用。花伞的间隙有效改善了下部空间采光条件，使得自然采光效果和光环境舒适度大幅提高。
图23 沙特阿拉伯的麦地那清真寺广场伞状膜结构（23a：白天；23b：夜晚）
图24 年汉诺威世博会委内瑞拉馆
图25 向日葵伞的开合状态图
3.4伞状结构的应用前景
随着工程技术的进步，多样化的伞状结构形式的出现，伞状结构在国内的交通枢纽、展馆和集合市场等大跨建筑中将会作为结构的一大特色，得到更为广泛的应用。同时，伞状结构建筑在临时性建筑、景观装置、轻质阳伞、多层建筑以及基于人机互动的智能化伞状结构空间模块系统等方面也展现出良好的应用前景。
轻质阳伞方面代表性的有纺织品制造商和咨询公司MDT-tex，他们将轻质伞产品化（图26），根据顾客需求，从设计到生产量身制定相应的模块化产品，实现预制装配式生产与施工。同时，还通过伞面的涂层材料，双层膜结构伞的设计，为伞状结构提供包括抗紫外线，防水以及自洁性等更多的附加优点。
伞状结构并不局限于单层的大空间建筑，对多层建筑而言也具有一定的适用性，如莱特设计的约翰逊制蜡公司总部、加州大学圣地亚哥分校迈耶大厅连廊和墨西哥哈利斯科州的自由市场（图27）等。
图26 MDT-tex公司下的都市阳伞产品（Typ-EV系列）
图27 墨西哥哈利斯科州的自由市场
而德国斯图加特大学计算设计与建造研究所设计的智能阳伞，为伞状结构的未来发展打开了另一条可能的路径。其伞面由具有通信和传感功能的集成电子元件单元组成，能够在无人机的帮助下，结合气候数据统计信息与人的行为模式调整电子元件单元的位置（图28），从而调整伞面的遮盖范围，实现伞面的灵活重构。并将相关信息反馈到使用者的手机应用软件中，形成具有气候感知能力的智能化伞状结构。它将伞状结构与仿生学、参数化设计、无人机建造技术和编程技术相联系，形成了使用者、无人建造机、材料构件三位一体，相互互动，构成了具有环境适应性的智能化伞状结构空间模块系统。
这一突破，使得伞状结构在可变适应性方面获得了进一步的发展。智能阳伞不仅是一个能自主移动，灵活多变的天篷，还能够主动重建自己来影响使用者。其动态的灵活性和集成的智能化产生了新的建筑行为，并迅速激活公共空间，创造出绿色、生态、充满活力的宜人环境（图29）。同时它作为跨学科技术的产物，也使得建筑师重新思考设计和建造所蕴藏的更多可能性，思考包括机器人技术、社会环境、人文科学以及新型人机协作下高效和可持续的下一代建筑系统，影响着建筑师和建筑业的未来。
图28 无人建造机根据环境信息调整电子元件单元的位置
图29 智能阳伞激活校园的公共空间
未来的伞状结构建筑设计将会更多的强调数字化、智能化及气候适应性等特点。其可变性对于需要遮挡太阳辐射和一定通风条件的我国南方亚热带地区具有极强的适用性。随着装配式建筑，模块化生产技术的不断发展和成熟，伞状建筑将在公共建筑以及临时性建筑中扮演更为重要的角色。此外通过与仿生学的结合，伞状结构在形式上逐渐突破了传统的形态类型，出现更多结构更加合理、形式更为自由、空间适应性更强的伞状结构体系。
结语
纵观20世纪伞状结构在西欧与拉美的发展历史，不难发现，除了如战争、政策和市场等因素促进了伞状结构的发展变化外，最主要的还是新理论、新材料和新技术的推动。西欧与拉美的建筑师围绕伞状结构，既有创新继承，也有相互借鉴，呈现出或平行或交叉的发展状态，构成了20世纪伞状结构研究、设计和建造的不同侧面。进入21世纪，伴随着学科交叉、人机协作、BIM技术的发展，伞状结构的设计与建造已朝着数字化、智能化、生态化的方向迈进。作为一类特殊的结构形式，相信其未来发展不但能为建筑结构一体化设计提供思路和借鉴，而且还能激发更多结构技术与建筑美学在建筑创作实践中相结合的新的可能性，带给我们更多的惊喜。
作者简介
1张墅阳 华南理工大学建筑学院、亚热带建筑科学国家重点实验室，硕士研究生
2王 扬 华南理工大学建筑设计研究院有限公司、华南理工大学建筑学院、亚热带建筑科学国家重点实验室，教授级高级工程师博士生导师
基金项目
“十三五”国家重点研发计划项目（YFC）：既有城市工业区功能提升与改造技术。
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