结构大师系列——海因茨·伊斯勒
海因茨·伊斯勒（Heinz Isler，1926～2009）瑞士杰出的结构工程师，混凝土薄壳大师。1996年获IASS托罗哈奖，2006年获Freyssinet奖。一生致力于混凝土壳体的设计和建造，守护着混凝土薄壳最后的荣耀，在欧洲共设计建造了超过1000座混凝土薄壳结构，成为这片大陆上一道靓丽的风景线。
伊斯勒与混凝土薄壳的时代
伊斯勒于1926年7月26日出生在瑞士佐尔里昆（Zollikon，苏黎世附近），并在苏黎世接受小学和中学教育。伊斯勒从小就表现出对艺术的天赋，18岁时在学校举办素描和水彩画展，他对瑞士的风景情有独钟。
1945年中学毕业后，他服兵役九个月。虽然伊斯勒展现出很高的艺术天赋，但是他的父亲（一位城市测绘师）还是建议他先取得工程师资格。1945年11月，伊斯勒进入苏黎世联邦工学院（the Federal Institute of Technology，ETH）学习，并获得土木工程学位。在最后一年毕业设计时，他选择了薄壳结构，在班上100多名学生中，他是唯一选择这个课题的。
伊斯勒的水彩画
毕业后，伊斯勒在ETH做皮埃·拉蒂（Pierre Lardy）的助教。拉蒂（1903~1958）拥有数学和结构工程双博士学位，还是一位才华出众的钢琴家。拉蒂深受马亚尔（1872~1940）托罗哈(1899~1961)的影响。托罗哈强调工程应从模型开始，受此影响拉蒂建立起了模型实验室。就是在这个模型实验室中，拉蒂影响了他的两个学生，克里斯蒂安·门恩（Christian Menn）和海因茨·伊斯勒。
瑞士博览会 水泥馆 马亚尔设计
远在墨西哥的坎德拉（Candela）对伊斯勒的影响也很大，霍奇米洛克餐厅漂亮的薄壳形式，让伊斯勒更深刻地认识到薄壳潜在的视觉冲击力。1979年，坎德拉和伊斯勒在IASS大会上均发表演讲，前者回顾过去的工作，后者还在不断地探索薄壳的新边疆，使混凝土薄壳结构展现出前所未有的魅力。
霍奇米洛克餐厅 坎德拉设计
壳体的新形态（New Shapes for Shells）
把时间切换到1959年，由爱德华多·托罗哈（Torroja）主持的国际薄壳结构协会（IASS）第一次会议在马德里举行。学术会议共收录25篇论文，与托罗哈的期待相反，大多数论文均缺乏新鲜感，也没有关于薄壳的综合性内容。然而，第25篇论文“New Shapes for Shells”在会场掀起了巨大的波澜，它只有一页多正文和九幅插图。这片文章出自一位年仅33岁的瑞士工程师——伊斯勒。
论文插图：利用土堆做模板建造核掩体
文中，伊斯勒非常简洁的介绍了得到薄壳结构新形态的三种方法：1）任意形状的土堆；2）充气薄膜；3）翻过来的悬挂织物。最后一页纸上画满了39种形状，用“等等”结尾，这意味着还可以继续往下画出无数种形状。而在此之前，大多数钢筋混凝土薄壳采取了可以在数学上容易地描述的曲面形式——球面、柱面、圆锥面和双曲线抛物面，以使其内部的力和应力更容易计算。
伊斯勒办公室的充气膜（据说灵感来自于枕头）
逆吊模型
伊斯勒的发言引发了与会者激烈的讨论，存档的讨论内容是文章正文的5倍长。爱德华多·托罗哈（Eduardo Torroja）、尼古拉·爱格朗（Nicolas Esquillan）和奥韦·阿勒普(Ove Arup)也加入了这个讨论。讨论围绕三个主题：（1）模型和实物的关系以及比例问题；（2）得出的形式难以描述以及与之关联的经济上的可行性；（3）兼顾建筑学要求的自我完善的找形方法。
壳体可能的形态插图
20年以后，1979年的IASS大会上伊斯勒发表主旨演讲“New Shapes for Shells—twenty years after”。自1959年绘制了这张“壳体可能的形态”插图后，伊斯勒对壳体结构始终抱有热情，通过长年累月的艰苦奋斗，终于将这张图变成现实。20年间，伊斯勒在瑞士和世界各地实现了1000多个壳体、40多种壳体类型。
伊斯勒在瑞士和法国的作品分布地图
（其他地区的作品未列出）
2009年6月20日，伊斯勒病逝。他的所有档案于2011年捐献给ETH档案馆，包括8.5吨纸质手稿和所有模型。
伊斯勒的实验方法
在找形的方法中，伊斯勒推崇逆吊法。
模型的制作
伊斯勒办公室的石膏模型
我们所了解的逆吊法似乎很简单，在织物上涂上液态的石膏，然后悬垂晾干，待石膏结硬，反过来即可得到所要的壳体。但实际上要得到精确的模型，还需做很多改进。首先，为了让石膏在可塑状态下能保证厚度均匀，而且晾干后尽量减少表面裂缝，伊斯勒采用的是自己改进后的石膏配合比。
Sicli公司的橡胶膜
其次，织物的正交纤维很难控制到完全各向同性，伊斯勒也意识到了这一点，因此，后来他制作石膏模型用的是橡胶膜。在伊斯勒的档案中，这种包含橡胶膜的模型很少，因为必须将橡胶膜取下才能精确地测量石膏模型。
同时，伊斯勒发现将模型的初始面设定得比设计平面稍大一些，在边缘形成的一道拱肋可以起到边梁的作用，对壳的屈曲承载力有较大提升。伊斯勒的很多壳体形状也因此发生了变化。
模型的测绘
在伊斯勒的时代，类似于3D扫描的技术还没有出现，因此，要想建造真实的混凝土壳体，就要将模型（往往是1:50或1:100）准确地测绘。下图的工具中可以直接读出x、y坐标，z坐标由探针读取。
壳体测绘仪器
在开始测绘之前，首先要在壳体上打上网格，壳体曲率变化越快的地方，网格就要越密。下图中是准备测绘的一块石膏壳体。
准备测绘的石膏模型
壳体各点z坐标的测绘图
为减小误差，每一个壳体模型都要测绘多遍，并取平均值。很多关键性的模型测绘，伊斯勒都是自己亲自完成的。
模型的加载
伊斯勒的时代，电脑还未普及，他主要依靠模型加载来确定壳体内的应力和承载力。一般情况，伊斯勒是通过石膏模型制作环氧树脂模型，然后对环氧树脂模型进行加载。
加载模型
混凝土薄壳结构
合作配送中心（Coop Distribution Center in Wangen beiOlten, Switzerland/1960）
合作配送中心是伊斯勒早期的一个通过充气薄膜找形的薄壳结构，该屋面平面尺寸54.6x58.8m，矢高9m。四周各有6个柱子支撑着整个屋面。屋面布置了17个圆形天窗，以使采光均匀。屋面提供了约3200平米的无柱空间，具有高度的灵活性，甚至允许铁路车厢直接开进大厅进行装卸货。
混凝土屋面图纸
Deitingen 高速公路服务站(Deitingen Service Station,Solothurn Switzerland, 1968)
在瑞士的高速公路上，这座服务站很特殊，两个贝壳传递着动感和优雅，与周围的环境融为一体。这个建筑是伊斯勒薄壳结构的代表作，朴素的外表和简洁的几何形式，令人过目难忘。
加气站壳体厚度和跨度的比值为1/400，而鸡蛋壳的径厚比为50。屋面建成至今已有将近50年，虽然未做任何涂装，但因是全截面受压的缘故，壳体依然没有出现大的裂缝，也没有漏水等问题。
两个壳体相对布置，每块壳体两个高处支座落在屋面上，一个低处的支座落在地面上。高处支座的推力通过加气站屋面楼板相互抵消，低处的支点通过预应力拉索在地下连接，以抵抗水平推力。
施工期间单个壳体浇筑时，其三个支点通过临时拉索连接，以承接壳体的推力。
施工时照片
设计图纸
这种设计最初被确定为瑞士其他高速公路服务站的原型，后续因种种原因未能推广。在20世纪90年代后期， 业主想要拆除这座加气站，但在建筑师和工程师的呼吁下，瑞士政府将这栋建筑列为保护建筑，永久保留。
户外剧院（AichtalOutdoor Theater in Grötzingen, Aichtal, Germany/1977）
这是伊斯勒与斯图加特的建筑师Micheal Bolts（这是伊斯勒合作较多的一个建筑师）合作的一个项目，当地有举办夏季露天音乐会的传统。这个屋盖跨度42m，壳体厚度90mm。
该场地位于一处山坡，舞台位于山脚下，看台位于山坡上。屋盖共有5个支座，伊斯勒用逆吊法为剧院的屋盖找到了一个优雅的解决方案。
这个屋盖使用期间几乎不用维护，也没有裂缝。混凝土壳体在舞台侧被切掉一边，正好使从舞台发出的声波能够良好地反射给观赏者。
Sicli公司（Sicli Company Building, Geneva，Switzerland /1970）
该项目场地平面32mx54m，包括一个32mx32m的大型车间和一个两层的办公区域。伊斯勒设计了一个有七个支点的壳体，覆盖整个场地。在工厂和办公室之间，有一个花园。
限于篇幅，小i下面列出一些有特点的壳体，供读者欣赏。
惠氏花园中心（WyssGarden Center, Solothurn, Switzerland/1961）
Bürgi 花卉中心( Bürgi Garden Center inCamorino, Tessin, Switzerland/1973)
瑞士空军博物馆(Swiss Air Force Museum in Dübendorf, Zurich, Switzerland/1987)
Brühl 体育中心(Brühl Sports Center in Solothurn, Solothurn,Switzerland/1982)
Heimberg 网球中心(Heimberg Tennis Hall in Heimberg, Berne,Switzerland /1978)
水中的雕塑
冰雪结构
利用瑞士寒冷的冬季，伊斯勒在室外通过水和织物制作了各种冰雪结构。在1959年的“Newshape for Shells”论文中，就有这样一幅图片。将水喷射在一块布悬挂在四个支点的织物上，第二天水就结成了冰。将冰反向转过来，就是一个冰雪薄壳屋顶。
下图高约6m的结构不是采用逆吊法制作的。先用一根中心柱和膜布搭建起一顶帐篷，然后向膜布上喷水，膜布上的水凝结成约10mm厚的冰时，撤掉中心柱，一个全截面受压的冰壳就形成了。
伊斯勒的妻子玛丽在冰雪结构内。
小结
伊斯勒的结构形式优美，宛如在大地上作画。现在大家可能觉得逆吊的思想不足为奇，但是在当时解析曲面主导的时代，伊斯勒的思想是开创性的。
用伊斯勒在1959年参加第一届IASS大会结束时最后的发言作为本文的结尾：工程的技术问题总是类似的，而造型是最关键也是最缺乏的手段的一个环节，这种方法（文章提到的三种造型方法：土模、充气膜、逆吊法）能够提供一个非常优秀的解决方案。
"So the engineer problem is remaining all the same, but it is the first link, here, the shaping which has been lacking up to now and this method can lead to a very nice solution. Thank you!"
谨以此文向大师致敬。
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Calatrava 卡拉特拉瓦
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Freyssinet 弗雷西内
参考资料：
1.David P.Billington, The Tower and the bridge, 1985
2.HEINZ ISLER—50 YEARS OF “NEW SHAPES FOR SHELLS” J.F.Abel and J.C.Chilton
3.Form—finding and fabric formingin the work of Heinz Isler. J.C.Cloton
4.The Engineer's Contribution to Contemporary Architecture:Heinz Isler J. Cloton
5. en.wikipedia.org/wiki
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