互承结构：开在建筑上的结构之花

自从建筑师和结构师分工明确之后，选择建筑的形态和结构类型的主动权基本都在建筑师手中，尤其是民用建筑中，框架结构占据了绝对的主导作用。但是也有一些结构类型却能被结构玩出了一朵花，比如说，互承结构。

什么是互承结构？

互承结构这个概念首先被英国建筑师格拉汉姆·布朗提出，先后得到了诺丁汉大学约翰奇尔顿和谢菲尔德大学奥嘉波波维克等学者的认同。

其论述的互承结构为一种三维格架结构，由一圈相互支撑的构件构成，这些构件围着内圆切线布置，每个构件的一端都顺次搭在下一个构件上，另一端则搭在柱头或者承重墙上．如果构件两端都搭在相同类型的构件上，那么一定数量的这种结构以相同的方式连接后就成了＂多重互承结构＂。

互承结构的构造特点：

１．构件均短于总跨度，且互相支承。

２．不存在两根构件公用同一端点的现象，从而避免形成铰接节点。

３．所有构件在结构和几何上的重要性均相同。

因为互承结构是一种以杆件相互搭接为特征的杆系结构形式，避免了多个杆件交汇于一点，从而简化了节点的构造。再加上互承结构通过杆件之间的相互支撑解决了弯矩传递的问题，并且利用小尺寸的构件实现了大跨度的结构，因此特别适用于木结构等结构。从构件角度来看，互承结构为使用直构件提供了实现弯曲三维复杂形式的可能。同时，这种结构对节点技术的要求很低，使其可以短时间内完成搭建和拆卸。这些优点使得互承结构成为多种应用的可能解决方案，从短跨度顶篷到几何形状复杂的结构形式，再到快速建造的紧急情况，一应俱全。

不仅如此，因为其结构构件布置富有韵律美感切有很强的数学性，可以生成无数种规则的几何形态或者自由随机的形态，所以也备受建筑师青睐。

从古至今，放眼中外，已经有很多建筑师和结构师对其进行了研究和实践。但是由于这种结构的几何构形复杂，找形困难，且形状不可任意实现，因而随着钢筋混凝土结构和钢结构的发展而逐渐被人们忽视。近年来，随着分析技术和建造技术的发展，互承结构又逐渐受到了一些欧洲和日本的学者注意。现在伴随着分析软件的兴起，不仅在找形理论方面有了长足的长进，而且能用软件进行分析和优化，最终建造出一些具有现代特点的互承结构形式。

对互承结构体系影响最大的人之一就是文艺复兴巨匠达芬奇。他较为全面的研究了互承结构并设计里多种可能的形态，巧合的是，有一种形态与中国的虹桥结构极为相似。达芬奇甚至还设想了这些结构在实际工程中的应用，比如他绘制的类似虹桥的结构是为了解决临时军事桥梁的架设问题。

图6. 张择端画中的虹桥结构

日本一著名建筑师石井和紘多年来致力于日本传统建筑文化的挖掘和创新，他那后现代味道十足的“54”系列建筑对当时的日本建筑界影响重大。他设计的几座互承结构建筑中，熊本县清和文乐馆的表演厅屋顶最为精巧。石井和紘的互承结构概念主要来源于儿童游戏，他说：“小的时候，我常常将三支球棒树立起来玩耍。”他还从一种叫骑马战的游戏中找到灵感，并将其应用到了表演厅屋顶结构中。而在他设计的清和村物产馆和直岛综合福利社游泳馆中则使用了类似虹桥的编木结构。

著名的结构设计师塞西尔·巴尔蒙德也将互承结构运用的风生水起。在2005年的伦敦蛇形画廊临时展馆以及美国密苏里州圣路易斯市的森林公园展廊中，互承结构被他运用出了新的面貌。

其他的具有代表性的互承结构还有日本六甲垂枝天文台钢互承结构以及２０１０年第十二届威尼斯建筑双年展上普利兹克建筑奖获得者、也是中国美术学院建筑艺术院院长王澎教授设计的“衰变的穹顶”。

互承结构的研究现状

前面提到，互承结构作为前沿课题，有越来越多的学者对其进行研究，相关的工作主要是互承结构的找形方法和结构形态的优化。

对于结构找形，通过对与基本互承单元的研究，认为杆件长度、搭接长度、坡角等是影响简单互承结构形状的主要参数。即通过调整这些参数可以汇总啊到符合建筑形态要求的结构整体形状。目前主要有物理过程模拟和结构优化两种方法。大部分的学者都采用后者方法来解决找形问题。比如说通过基于遗传算法通过反复迭代找到满足结构构型条件的最优解；通过遗传算法找到拓扑构型后采用梯度法加快收敛速度；针对构件相同的互承结构，提出循环搭接找形法等等。还有学者通过对比群体随机搜索方法中的遗传算法和单点搜索优化方法中的拟牛顿法，认为后者具有更高的计算效率。目前结构找形的难题是虽然这些算法适用性强也可以智能搜索，但是效率不高、收敛性不好、容易陷入局部最优解。

在形态优化方面，目前公认的是杆件搭接系数、旋转角度和网格疏密程度是影响互承结构形状的主要参数，在结构设计中可以通过调节这些参数使结构形态更好的符合建筑造型并获得更丰富的结构形态。

与简单框架结构相比，互承结构对于材料的用量更多，受力分析也更加复杂，也许会成为其推广的一大障碍。但是小编相信随着木结构的再次发展和分析软件以及算法的研究不断深入，互承结构会有很大的机会走入人们的生活。