结构体系有哪些 ——看图说话
作者&投稿：宗圣福 （若有异议请与网页底部的电邮联系）
在日常与建筑工程师交流中，年轻的建筑师总有个疑惑，建筑师掌握结构到底需要掌握到什么程度？我原来觉得这种“玄学问题”没必要回答。直到有一次建筑同事让我帮忙辅导注册考试中结构部分时，我发现“官宣”对于这个问题的答案可能稍有误导，为什么建筑师要知道一个结构几次超静定？为什么不让建筑师知道结构体系、材料特性？
其直接结果就是，部分建筑系学生都会做一套完整的参数化表皮，但内部却是一套柱网；看到苹果的玻璃盒子后，建筑方案中玻璃幕墙当剪力墙用；钢柱和混凝土柱一个尺度用等等。
小i一直提倡“美在合理近旁”，今天就以结构体系线，为大家简要梳理一下结构中常用的结构体系，由于篇幅有限本篇主要介绍大跨结构的体系。其中很多体系小i往期文章都有详细介绍，在每章末会给出“传送门”，方便有兴趣的朋友阅读。
结构体系和结构受力是分不开的，从结构受力划分主要会分为压力、拉力、弯曲三类结构体系，小i今天的介绍就从这三方面进行展开。
▲古罗马斗兽场
压力结构的故事要从拱讲起，而谈到拱的受力要先从悬索开始。在两个支座之间连一根悬索，在重力作用下悬索中只有拉力。此时将悬索翻转过来就成了拱，在重力作用下拱中产生了与拉力大小相同的压力。拱的原理就是把力流都以压力的形式传递到结构的支点（拱脚）处，充分利用材料的受压性能。因此对于石材、砖块等受压王者受拉弱鸡的材料，拱结构与之真是“天作之合”。
关于拱有一点希望建筑师注意！要让拱成立拱脚会有很大的推力。为什么会有推力？可以试试现在站起来劈叉，这时你双腿就形成了一个拱，双脚就形成拱脚，有没有感觉地很滑的时裆部的拉扯？这说明拱脚侧推力不足拱会垮掉；现在试着越劈越低，有没有感觉双脚越来越用力？这说明拱越低所需的侧推力越大。
理解了拱的受力特征之后，我们将二维的拱做一些简单的三维操作。首先对拱进行单轴拉伸，我们就得到了筒壳。筒壳继承了拱的特性，结构内以压力为主，在壳体底部两个边界会产生侧推力，且筒壳越低侧推力越大（如果有疑问，可以试试和朋友抱成一排，一起劈叉
）。
早期人们用石材的“拱”建造教堂，通过两侧飞扶壁与端部厚实的拱壁来抵抗推力。
▲教堂与飞扶壁
迪埃斯特将其用在砖砌体中，将数个拱连在一起形成自承重筒壳，筒壳的侧推力相互抵消。
▲自承重筒壳
而后混凝土、钢材等材料出现，结构工程师通过将连续的壳面离散成网格，建造了一系列“新型筒壳”，形式在变但筒壳的受力特性没有变化。
▲飞机库（钢筋混凝土斜交网格筒壳）
▲都灵展览馆B厅
我们接下来试着把拱旋转，就得到了穹顶。同样，其力学性质与拱类似，穹顶内主要为压力，穹顶底部会有向外扩张的趋势，因此底部会形成拉力环，穹顶越低底部拉力越大。
随着时代的推进，穹顶也通过对不同材料的应用，经历了砖石、混凝土壳、混凝土网格、钢结构网壳、铝合金网壳的演变过程。
▲万神庙维（维持了1700多年世界最大穹顶的记录）
▲罗马奥运会小体育馆（混凝土穹顶）
▲南京牛首山穹顶（铝合金结构）
我们继续对拱进行扫掠、对曲面进行逆吊等各种操作后，又可以得到各式各样的结构，但万变不离其宗，他们都是压力结构。但此时受力就不是那么简单可以概述了，如建筑师有疑惑，可以咨询结构工程师小伙伴，也可参看小i以往的文章。
▲马德里赛马场（混凝土薄壳）
▲混凝土薄壳大师
▲混凝土壳最后的荣耀
▲大英博物馆（钢结构网壳）
传送门：
《拱的力量》《世界十大穹顶建筑盘点》《混凝土壳体的新生》《结构大师系列-Eladio Dieste》
拉力的故事要从悬链讲起。形是力的图解。形与力相结合的形态，广泛存在于自然界和生活中。比如，森林中悬垂的藤蔓、粘着露水的蛛丝，以及人类建造的吊桥和输电线，都是形与力高度结合的悬链线形态。
▲粘着露水的蛛丝
与压力结构类似，拉力结构同样有一个很重要的问题，在张拉点会产生很大的侧向拉力。曲线越是扁平，悬链两端水平反力越大，需要强大的反力构件。
▲悬链结构抵抗侧拉力的方法
受拉结构的结构体系可分为索与膜两类，具体怎么分不多话看下图。
索与膜都被称为轻型结构，为什么被称为轻型结构？因为轻啊（调皮一下
）。下面主要通过案例直观的感受各种体系，具体的介绍请通过本章末的“传送门”直达。
▲东京代代木国立综合体育馆
场馆中央跨度为126m，约为若户大桥总跨度的1/3
主索拉成吊桥形式，在其两侧看台之间架设钢结构悬挂构件，稳定索呈受拉状态。
在张拉式结构中首次引进“半刚性”（Semi-rigid）的设计思想
▲杜勒斯机场航站楼
航站楼悬垂屋盖跨度约43米
整个大厅内部没有任何立柱
在重力荷载下，屋面自然下垂成悬链状
巨大的混凝土柱子向外倾斜，用以平衡和抵抗悬索端部的水平力
1998年里斯本世博会葡萄牙馆
20cm厚的白色混凝土
包裹着高强钢索
跨越近70m
却轻盈得像是一条毛毯
▲雷诺汽车配送中心（斜拉）
▲蒙特利尔博览会德国馆（索网结构）
弗雷·奥托参与蒙特利尔博览会德国馆的方案竞标
该结构是世界上当时最大的均匀网格索网结构
张弦梁，由上弦的刚性构件(Beam)和高强度的张拉索/杆(String)，再通过若干个撑杆(Strut)连接而组成的刚柔混合结构，利用形抗和预张力抵抗外部荷载，是一种高效的大跨度空间结构体系。
对于张弦梁的起源有许多种说法。一种是系杆拱增加竖直撑杆的“加法”演化；一种是鱼腹式桁架去掉斜腹杆的“减法”演化。在20世纪末，张弦梁形式的大跨度空间结构兴起，而斋藤公男教授被认为是现代最早尝试张弦梁结构的工程师。
▲张弦梁的演化过程
▲浦东机场张弦梁屋面
▲出云穹顶（立体张弦结构）
张拉整体结构是一种稳定的自平衡结构体系。对受过结构分析训练的人来说，看出传统结构的传力关系是相对容易的，而张拉整体则是牵一发而动全身，更为这种结构形式增添了一份神秘。关于张拉整体结构还有一段师徒之间的八卦，有兴趣的朋友可以从本章末传送门直达《拉力海洋中的孤岛—张拉整体》。
▲张拉整体结构
组合张拉结构 Hybrid Tension Structure由柔性的索膜与刚性的梁、拱、撑杆、刚架等组合。盖格尔（D.H.Geiger）在富勒张拉整体思想的基础上，发明了支承于周边受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体穹顶体系，即索穹顶。
1992年建成的Georgia穹顶由Levy等人设计，作为1996年亚特兰大奥运会的主场馆。由于体系创新，该类型穹顶被称为Levy穹顶。
▲Levy型穹顶
关于膜结构的近代史，可以认为从帐篷开始演变和启发的。膜材主要分为织物类膜材(PVC\PTFE)和非织物类膜材（ETFE）两大类。膜材的选择往往在很高程度上取决于建筑物的功能、防火要求、设计寿命和投资额。
关于膜结构小i还没有过专门的文章介绍，有兴趣的小伙伴可以踊跃投稿填补这个空白。
▲膜结构的主要分类
▲蓬皮杜梅斯艺术中心和汉诺威世博会日本馆
建筑师:坂茂（骨架膜）
▲张拉膜
▲充气膜
传送门：
《建筑中的微笑曲线—悬链》《挑战重力的另一种方式—悬挂结构》《张弦梁—演化、设计要点和案例》《拉力海洋中的孤岛—张拉整体》
这里讲的弯，不是建筑师眼中的形态弯，也不是英国人眼中的取向弯，而是结构受力状态。一般在大跨度和长悬臂结构中，构件受弯是主要问题，也是建筑师和结构师争（si）论（bi）的焦点。
最常见的受弯构件就是我们日常设计中都能碰到的梁，关于梁的受力机理，小i的往期文章《从一根悬臂梁说开去》有详细介绍，这里不再赘述。用不同的材料，在截面上稍作变化，我们就可以得到不同类型的梁。
数学家和物理学家都喜欢化归法，即把新的问题转化为已经解决的问题。同理，梁受弯问题同样可以转化为拉压杆件的组合——桁架就出现了。常规的桁架是由几何不变的三角形单元组成的刚性结构，杆件主要承受轴向拉压力，结构效率很高。对于空间结构的悬挑和跨越主题，桁架结构几乎是万能的。
从桁架的历史发展来看经历了三角桁架、梁桁架、空腹桁架、空间桁架等形式。
早在两千年前，人类的祖先就发现了三角形的稳定性原理，并发明了三角桁架，广泛应用在古代住房的木制屋盖中。三角桁架与梁、拱一样，是古代建筑实现跨越的最主要方法。三角桁架形状与简支梁跨中受集中荷载的弯矩图一致，它比梁结构的效率更高，且不会像拱那样对支座产生推力。
▲三角桁架基本原理
▲三角桁架的基本形式和演化
梁桁架又称为平行弦桁架，出现于19世纪中叶，是由拱桥发展而来。到19世纪80年代，工程师们已经掌握了简洁实用的桁架设计方法。同时，材料也在不断的进步，工程师将铸铁用于受压杆，锻铁用于受拉杆，而后又以性能更好的钢材替代。越来越多的大跨度桁架结构出现，尤其是在桥梁领域。
▲早期桁架
▲蓬皮杜中心
空腹桁架是在常见桁架的基础上将斜腹杆去掉，而由竖腹杆与弦杆构成的格子状结构。由于没有斜腹杆阻挡空间，建筑师往往偏好空腹桁架。但是任何事都是有利有弊，空腹桁架的直腹杆在解放空间的同时，不得不承受很大的剪力和弯矩，桁架整体的效率不如普通桁架。
▲耶鲁大学善本图书馆
早期的桁架都是以平面形式出现，工程师一般通过布置水平支撑的方式，解决其平面外的稳定问题。而后出现的空间桁架，构件则在三个维方向布置，其横断面常为三角形或矩形等，大大提高了桁架的整体稳定性，适用于现代大跨度空间结构。
▲汉堡机场空间桁架
对于抗弯结构我们还有一种选择—折板。比如一张纸非常薄，因此抗弯刚度很小；而当我们折叠纸形成折板时，就形成了空间结构，通过空间形抗作用，大幅提高了结构的整体刚度。折板在受力上同样满足正弯矩侧受拉另一侧受压的基本受力特征。
▲折板原理
▲Windisch-Mülimatt体育中心
鲍鸦复方：[答案] 将真核细胞内的结构体系归纳起来可分为三大系统:生物膜结构体系、遗传信息表达结构体系、细胞骨架结构体系.
长沙县19123709159： 我们身边的建筑,一般分为哪些结构? - ？
鲍鸦复方： 按建筑材料可以分为钢筋混凝土结构、钢结构、砌体结构、钢和混凝土的混合结构、木结构等.按结构体系可以分为框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、核心筒结构、内筒外框结构、筒中筒结构、薄壳结构、空间网架结构等等.
长沙县19123709159： 高层建筑基本结构形式有哪些? - ？
鲍鸦复方： 高层建筑有以下几种结构形式: 框架结构:多梁柱组成,空间灵活,但抗风、抗震能力弱,多用于公共建筑,且大多为多层建筑高层,超高层建筑中并不常见. 剪力墙结构体系:钢筋混泥土剪力墙结构是指用钢筋混泥土墙板来承受竖向荷载和...
长沙县19123709159： 桥梁结构的基本体系有哪些?都有哪几部分组成? - ？
鲍鸦复方：[答案] 桥梁工程主要分为:1、基础及下部构造,包括桩基或明挖基础等、承台、墩台身、台帽组合桥台 2、上部构造,包括盖梁箱梁的预制和安装、预应力的张拉及压浆、桥面铺装、护栏人行道等 3、防护工程,包括锥护坡、护岸砌石工程等 4、引道工程
长沙县19123709159： 桥梁的结构形式有哪些 - ？
鲍鸦复方： 按主要承重结构体系分 有梁式桥、拱桥、悬索桥、刚架桥、斜张桥和组合体系桥等(图4),前三种是桥梁的基本体系.按桥梁上部结构的建筑材料分 有木桥、石桥、混凝土桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥(有时三者统称混凝土桥)、钢...
长沙县19123709159： 建筑 结构体系和结构类型有什么区别啊 哪个范围大些 - ？
鲍鸦复方： 建筑结构体系和结构体系有区别,结构体系包含建筑(定语)结构体系.例如还有教材的结构体系、宪法 结构体系等一说.
长沙县19123709159： 中国古代建筑结构有哪些? - ？
鲍鸦复方： 中国的传统建筑则是木架构结构体系,这决定了建筑一般情况下体量较小、较矮,单体形状比较简单.因此,大小、形状不同的建筑有不同的功能,有自己特定的名称.如厅、堂、楼、阁、轩、榭、舫、亭、廊等.按使用上的需要,也可以独立设置,也可以用廊、墙、路等把不同的建筑组合成群体.中鹏 【平面设计】
长沙县19123709159： 影响建筑结构的因素有哪些? - ？
鲍鸦复方： 目前国内高层建筑的四大结构体系:框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构. 我国改革开放以来,建筑业有了突飞猛进的发展,近十几年我国已建成高层建筑万栋,建筑面积达到2亿平方米,其中具有代表性的建筑如深圳地王大厦...
长沙县19123709159： 汉字有哪些结构 - ？
鲍鸦复方： 汉字的结构从结构上看汉字,根据构字成分的情况,可以把汉字分成独体字和合体字两大类.由一个构字成分组成的汉字就是独体字;由两个以上构字成分组成的汉字就是合体字.按照传统“六书”理论:象形字...
长沙县19123709159： 房屋主体结构类型有哪些? ？
鲍鸦复方： 房屋的主体结构是指在房屋建筑中,由若干构件连接而成的能承受作用的平面或空间体系.主体结构要具备足够的强度、刚度、稳定性,用以承受建筑物上的各种负载,如...
