结构材料系列—钢筋混凝土
钢筋混凝土是现代工程建造中最常用的材料之一。与铁、木材、砖石等传统材料相比，现代钢筋混凝土的历史最短，却应用最广泛。
现代钢筋混凝土技术的细分庞杂，很难用几篇简单的综述文章讲清楚。小i以本文抛砖引玉，粗浅地介绍了钢筋混凝土的历史、结构形式、经典的项目、建筑表现，以及混凝土材料的新进展。
混凝土的历史
古罗马混凝土 公元前3世纪
大约在公元前3世纪，古代罗马人发现了天然火山灰的水硬性，用它拌制的砂浆硬化后有很高的强度。在古罗马残留的遗迹中我们看到，坍塌的砌块牢牢的连接在一起，如果将砌块比作粗骨料，这算是古代混凝土的雏形。
至今保守完好的万神庙 (Rome, Italy, 公元128年)
古罗马混凝土遗迹 (公元前2世纪至公元1世纪)
由于采用了天然火山灰水泥，古罗马混凝土比现代混凝土的耐久性更好，即使经历了两千年风霜雨雪仍坚固、完好。
波特兰水泥 1824年
现代混凝土以水泥为胶凝材料，水泥是混凝土材料的灵魂，影响着混凝土的各方面性能。
1756年，英国工程师John Smeaton史密顿在修建灯塔时意外发现，把黏土和石灰石以适当的配比混合后煅烧(类似火山灰形成的过程)，可以达到很高的强度。史密顿的做法很快传遍欧洲各国，大家纷纷效仿。
John Smeaton修建的灯塔，1759年
1824-1840年，Joseph Aspdin和William Aspdin父子，总结出用石灰、黏土、矿渣等配比混合煅烧成“水泥”的方法。由于水泥硬结后的颜色和强度，与英国波特兰岛上天然石材差不多，人们便称它为“波特兰水泥”(即普通硅酸盐水泥)。
奥芬巴赫的混凝土景亭, 1879年
“波特兰水泥”最早的一次大规模应用，是建造了穿越泰晤士河河底的隧道。法国和德国分别在1840年和1855年建设了水泥制造厂。随后水泥在世界各地迅速推广使用。
钢筋混凝土 1849年
1849年，法国园丁Joseph Monier将铁丝与混凝土结合，制作花盆，解决了混凝土抗拉强度低的问题，并在1867年的巴黎博览会上展示了他的新发明。此后，他又陆续发明了铁筋混凝土管道、水箱、幕墙板，并在1875年设计了第一座铁筋混凝土桥。
第一座铁筋混凝土桥,Chazelet，1875年
法国工程师Francois Hennebique受到Monier的启发，将这种材料组合应用到建筑领域，他在1892年发明了全套的铁筋混凝土建筑建造系统，立刻引起了当时土木工程界的震动。
预应力混凝土 1888年
在钢(铁)筋混凝土应用于建筑领域不久，1888年美国工程师P.H.杰克孙提出了预应力混凝土的概念，但最初的尝试并不成功。低强度的钢(铁)筋限定了预应力值，而较小的预应力很快在混凝土徐变、收缩后而全部损失。
1928年法国工程师E .Freyssinet提出必须采用高强钢材和高强混凝土，以减少预应力损失的影响，他率先应用了极限强度1725MPa的高强钢丝。之后，E .Freyssinet和G .Magnel分别发明了锥形锚具和麦式锲形锚具，用于后张法预应力工艺。E .Hoyer 则研究出不靠锚具的先张法工艺，用于在工厂生产小型的预应力混凝土构件。
1950年，国际预应力混凝土协会FIP成立，借着战后重建的机会，预应力混凝土结构大量代替钢结构，推动了其理论和技术的蓬勃发展。
1956年，林同炎先生完成了经典著作《预应力混凝土结构设计》一书，提出“荷载平衡法”理论，把预加应力看作是构件上试图与外荷载平衡的另一种荷载，简化了预应力结构的分析。他将预应力理论在众多桥梁作品中实践，获得“预应力先生”的美誉。
莫斯康会议中心的地下展览厅,林同炎,1981年
采用预应力混凝土拱架结构,净跨约90米
现代预应力桥梁
预应力钢筋混凝土技术被认为是混凝土发展过程中最重要的进步之一，它创造了一种理想的材料结合。
混凝土结构形式
传统的建筑材料，如砖、石、木材受限于材料特性，决定了各自的建造逻辑。混凝土硬化前无所谓“形状”，也可以是“任何形状”。(钢筋)混凝土的奇妙之处在于它能适应多种形态、多种结构形式。
早期的混凝土拱结构，游泳馆
建筑师Louis Bonnier，工程师Emile Wood-Girard
混凝土本身的抗压强度高而抗拉强度低，早期的混凝土建筑常采用源自砖石结构的拱壳体系。随着钢筋混凝土和预应力技术的发展，大幅提高了抗弯、抗拉性能，从此更多的混凝土以源自木结构的框架形式出现。
混凝土框架结构，萨伏伊别墅，1931年
香川县厅舍，丹下健三，1955年
在结构形式和建筑表现上更贴近木结构
20世纪初，钢筋混凝土的设计理论仍尚不成熟。一批杰出的工程师，凭借着敏锐结构直觉，创作出了形态优美的钢筋混凝土作品，让人们认识到了钢筋混凝土的潜力。之后，借着第二次世界大战战后重建的机会，混凝土成为了主流的结构工程材料。
瑞士Salginatobel 三铰拱桥，马亚尔，1930年
被国际桥协评为20世纪最优美的桥梁
Robert Maillart马亚尔 (1872～1940)是混凝土结构实践的先驱。在混凝土刚刚兴起的年代，他设计出无梁楼盖、蘑菇形柱帽，以及堪称完美的混凝土三铰拱桥，赋予了混凝土结构灵性和活力。
钢筋混凝土桥梁配筋详图,马亚尔,1910
混凝土空间结构(仓库),马亚尔,1923-1925
奠定了预应力混凝土理论基础的E .Freyssinet (1879～1962)，同时也是工程实践的开拓者。他设计了包括自锚悬索桥、混凝土拱桥、预应力混凝土梁桥等大量作品（国际混凝土结构联合会颁发的结构混凝土奖章以Freyssinet的名字命名）。
钢筋混凝土悬链拱结构,机库, E .Freyssinet
The Plougastel Bridge, E.Freyssinet, 1924-1930
三跨钢筋混凝土箱形拱桥，每孔跨度176m
被称为“混凝土诗人”的奈尔维说：“钢筋混凝土像是一种可以抗拉的人造超级石材，工艺简单、造价低廉，几乎可以无限制地生产。混凝土以一种半流质状态，可以浇注成任意的形状…混凝土的自由形态和整体性，使得它既能符合建筑师的感性、又能追随力学的法则。
Artemio Franchi 体育场,悬挑24米,奈尔维,1931
企鹅池Penguin-poo, Ove Arup ,1934年
1933年，Ove Arup设计的企鹅池有两条交叉的混凝土螺旋坡道，呈现非常轻薄的自由形态。结构方面采用了预应力混凝土建造曲面，螺旋坡道根部上下错开，产生了类似桁架悬挑的受力效果。
加肋的混凝土筒壳飞机库,奈尔维,1935-1942
马德里Zarzuela赛马场屋盖, 托罗哈, 1935年
霍奇米洛克餐厅, 坎德拉，1958
坎德拉设计的混凝土厂房
混凝土的“形状”
模板
模板按照材料分类，有木模、钢模、钢木组合模、铝合金模、塑料模，砖砌模板等。通常曲面形态的混凝土模板制作复杂、造价昂贵。坎德拉利用双曲抛物面的直纹特点，用竖直的木材搭建模板建造了许多优美的HP壳体。
利用直纹曲面的特点架设模板，帕尔米拉教堂
帕尔米拉教堂，坎德拉，1958
奈尔维早期的方法是以细钢筋按设计形态弯曲成框，罩以双层铁丝网，喷射砂浆成形并抹平，由此获得形态自由的钢筋水泥模板。这种轻薄的钢丝网水泥板模板本身也是承载结构的一部分，具有很好的强度。
罗马小体育馆,预制整浇的混凝土, 奈尔维
之后，奈尔维将钢丝网水泥模板技术改造为整体装配式混凝土。先在地面用钢丝网水泥预制曲面板，板间的钢筋混凝土肋、节点现浇，再整浇一层薄薄的混凝土作防水层，并使全部结构形成整体。
FRP模板：台大社科院图书馆柱头曲面
脱模的混凝土外观
清水混凝土
有时，建筑师希望直接以混凝土本色作为建筑饰面。模板的材质和机理将直接影响着混凝土的建筑外观。
普通木模板：Eglise Saint Joseph教堂的木质机理
特级清水模：亚洲美术馆清水混凝土墙面
清水混凝土对美观、色差、表面气泡等方面有很高要求，需在混凝土配制、施工、养护等方面都应采取相应的措施。
“混凝土实际上想变成花岗石”，用平直钢模浇注的混凝土构件，也确实如花岗岩般的坚硬和光滑。大幅面的标准钢模也比零散的板条木模更适合表现建筑的模数关系。
钢模板：萨尔克生物研究所
混凝土模板贴合建筑模数，东京工业大学6号馆
龙美术馆西岸馆, 大舍建筑, 2014
下关市唐户市场 karato wholesale market
预制混凝土梁构件与张拉结构的组合
混凝土材性的改进
通过改变混凝土组分的比例、特性，或者添加其它外加剂，能够制备出不同特性的混凝土。例如常用的高强混凝土、抗渗混凝土、微膨胀混凝土、低水化热混凝土、低活性混凝土、加气混凝土、轻质混凝土、早强混凝土、超高泵送混凝土等。
高强混凝土
20世纪初，水灰比等学说初步奠定了混凝土强度的理论基础。20世纪60年代以来，高效减水剂、高分子材料、多种纤维的应用，研究出了强度越来越高的混凝土材料。高性能混凝土HPC是混凝土材料发展的一个方向，所谓高性能是指高强度、高耐久性、高流动性等。
高强混凝土与普通混凝土强度
注：上图为D150x300的圆柱体试件抗压强度
在实际工程中，美国西雅图双联广场(Two Union Square)超高层，要求泵送混凝土弹性模量达到50GPa，抗压强度标准值131MPa。工程实测的混凝土56d抗压强度标准值达到133.5MPa。
纤维增强混凝土
为了改善混凝土的抗拉性能和延性，研制了纤维增强混凝土。常见的有钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维混凝土等。有研究表明：钢纤维掺量的体积分数在1~2％左右，混凝土的抗拉强度可提高40~80％，塑性变形能力大幅提高。
用纤维增强混凝土制作的雨篷，平板厚约25mm
斯图加特联邦园艺展览会(Federal Garden Exhibition)，采玻璃纤维混凝土建造的跨度26m的壳体结构，平均厚度仅15mm，展示了纤维增强混凝土的潜力。
Federal GardenExhibition, 约格·施莱希, 1977
轻质混凝土
轻质混凝土的表观密度可减小至400～1800kg/m3，但其强度和弹性模量也有一定的降低。常用的有轻集料混凝土、泡沫混凝土、加气混凝土、轻骨料大孔混凝土等。除了用作保温隔热材料以外，现在大跨度、大悬挑结构以及桥梁结构中，也常采用轻质混凝土楼板以减小结构的自重。
从波特兰水泥的发明到今天，在将近200年间，混凝土材料、计算理论、结构体系和建造技术等发展出庞杂的细分，其中的每个细分点均值得写几篇文章详细讲讲。庞大的知识量使工程师很难对混凝土有全面的了解。
限于小i对混凝土的认识十分有限，以本文抛砖引玉，希望大家积极分享关于混凝土的新进展，期待对实际工程有所裨益。
参考资料
古罗马混凝土：Engineeringrome.wikispaces.com
维基百科：en.wikipedia.org/wiki/Concrete
模板与钢筋—混凝土材料塑性表现的双重逻辑,张翼,陈录雍
Civil Engineering Patenting:Then and Now
现代建筑结构与美学的统一性原理分析, 王嵩
结构工程史上的灿烂群星，高楠
高强混凝土应用：coyis.com/technical-reserves
部分图片通过网络搜集，版权属于原网站或原作者
延伸阅读
转载本文请注明出处 iStructure微信公众号
开设iStructure公众号的初衷是分享结构工程领域的见闻、优秀的设计和自己一些不太成熟的思考，向更多人呈现结构设计有趣的一面。