结构大师--斋藤公男
张弦梁
张弦梁(Beam String Structure)可以说是既老又新的结构。在19世纪中期架设的桥梁、建筑物中已经出现用拉杆增强型钢的组合梁结构。
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。
从系杆拱到张弦梁梁的演化
高度很高的的系杆拱，拱的侧推力被拉杆平衡，能承受较大的荷载。但是，当拱的矢高比较低时，拱的压缩、弦的伸长导致结构矢高不断减小，拱可能会突然失去形态而破坏。如果在拱和弦之间增加撑杆，结构受荷时形态不会破坏，承载力将大大提高。
在20世纪末，张弦梁形式的大跨度空间结构兴起，而斋藤教授被认为是现代最早尝试张弦梁结构的工程师。今天小i 将向大家介绍他设计的各种张弦结构。
法拉第理工馆，1978
特点：最早的张弦梁
工程设计：斋藤公男
法拉第理工馆被认为是张弦梁最早应用的案例。实验馆是单边约20米的正方形的建筑，屋顶为放射状轮幅形的张弦梁。
结构小模型示意
圆形屋顶等分为32份，张弦结构的上弦为H形钢梁，汇交于屋顶中心的压力环；下弦钢索汇交于下方的拉力环。压力环和拉力环通过竖杆连接，同时也构成了屋顶天窗和吊灯的支架。
1970年代日本结构表现主义盛行，法拉第馆的结构要素全部作为内部空间的表达，很适合理工学部的系馆风格。
酒田市纪念体育馆，1991
工程设计：斋藤公男+结构计画
远看体育馆给人一种被漂浮金属板紧密包裹着的印象，圆筒状屋顶的侧面让人误以为是拱形结构。走近才会发现“锐利的大挑檐”并不是拱。
体育馆的大挑檐和拉杆
对于普通平缓的梁结构，54米是相当大的跨度，当地的雪荷载也非常重。怎样以最小的结构高度实现轻巧的跨跃呢？
结构设计上选择了张弦梁与悬臂构架组合的结构体系。换个角度看，悬臂构架是将弯矩图结构化的“葛尔培梁”(Gerber Beam)，有效地减小了张弦梁的跨度和矢高。
施工时，同样利用了张弦梁的自稳定性，在地面上组装张弦梁，并张拉至设计形态，然后利用悬臂构架实施“整体吊装”。
出云穹顶 IZUMO DOME，1992
特点：木质拱架 + 张弦
工程设计：斋藤公男+鹿岛建设
用木材建造的大跨结构最常用的作法是拱壳或桁架。但能不能更轻，像雨伞那样打开呢？
出云穹顶是第一个采用木质拱壳结构与钢索组合的立体张弦结构，球形穹顶直径143.8米，拱顶部高度48.9m米，沿球面等分为36份，张弦骨架在穹顶顶部汇集。
出云穹顶外观
出云穹顶内部
出云穹顶的结构体系组成
结构体系小模型
每个骨架的上弦由2根273mmx914mm木材拼成，通过销铰与H形截面的钢圆环连接。
穹顶中心的杆件汇
立体张弦结构骨架的外表覆盖以白色膜材，在两个骨架之间用稳定钢索把薄膜向下压紧，形成V字形状，使得膜材保持足以承受风吸荷载的稳定形态。
结构的施工方法也很巧妙。先在地面上把每个单元的拱和张弦的索杆组合好，然后在穹顶中央用机械缓慢顶起，随之拱脚向内移动；待结构提升就位后，锁定拱顶节点的第2个销轴以及拱脚支座，整体结构便牢靠地稳定了。
木质刚性骨架是以折面拟合穹顶曲面的。从外部看，薄膜屋面上粗壮的骨架若隐若现。在内部，结构既表现出木材骨架的柔和感，又因为使用了张弦而提高了拱壳的刚度，在风雪、地震等非对称荷载下也有很好的承载能力。
山口Kirara博览公园穹顶，1999
特点：超轻质网壳 + 索膜
工程设计：日本设计+斋藤公男
最初的设计意向是通过优美连续的壳顶覆盖体育馆和活动区两个空间。用当地的桧木做屋檐，成为拱顶结构的环箍。屋檐与拱顶结合，显得拱顶形态更加轻盈，如同飞鸟一般。
两个圆顶曲面都是旋转抛物面
连接部位以3次曲线过渡
屋盖采用了索杆组合的双层壳体结构。刚性杆分上、下两层，厚度为2米，呈5.6m x 5.6m的正方形网格布置。杆件为直径139~216的圆钢管，以螺栓球节点连接。每个网格中间布置斜向钢索，导入约50KN的预紧力。同时，从钢索的交点架立一根撑杆，支撑屋面的膜材。
最终屋盖的重量(包括结构、膜面、设备等) 仅为 35kg/m2，是一个超级轻质的屋盖。
整个屋盖支承在下部RC柱上，应用叠层橡胶隔震支座，使得RC柱的地震力减少为原来的约30%。同时，橡胶支座释放了超长屋盖的温度作用，可谓一举两得。
在内部看屋面，钢索几乎不可见，
结构非常通透，自然采光效果很好。
静冈ECOPA体育场,2001
工程设计：斋藤公男+结构计画
静冈ECOPA体育场结构的出发点是凭借朴素的轻型悬臂桁架，实现轻盈、有力度的体育场空间。
结构方案经过很多轮的优化，最终选择了用钢量最小，施工最方便的一种，如下图C所示。
结构方案的比选
在桁架后端的拉杆中导入预应力可以调节桁架前端的高度；在前部拉杆中导入预应力，保证了抗风吸和地震下的稳定。
施工安装方面，首先是建造相对独立的悬臂桁架结构，整体吊装、安装在铰接支座上。调节前后的钢拉杆，使其几何就位。这样无需施工台架，50米长的桁架结构在2个小进左右即安装完成。
两榀主桁架之间的次结构采用小型的拱。同时，拱结构使屋盖顶面起伏，为覆盖张拉膜提供了条件。
下关市 唐户市场，2001
特点：预制混凝土 + 张弦
工程设计：斋藤公男+KKS
唐户市场朝向关门海峡，是历史悠久的批发市场。市场大楼是有着大跨度挑空空间的三层建筑，最大跨度约44.8米，采用了耐海盐腐蚀的预制预应力混凝土构件。
唐户市场的结构体系
唐户市场的屋顶，最引人注目的就是钢索和预应力斜拉式张弦结构，以及异形凹凸的预制混凝土屋面板。
从剖面上看，结构的形态近似两跨连续梁的弯矩图，钢索和钢拉杆都布置在弯矩图的受拉一侧，混凝土屋面则作为压杆。
异形凹凸的预制混凝土屋面板
屋面外部斜拉的钢索和高耸的支撑柱像是渔船的桅杆，与海边的风景紧密地联系在一起。
唐户市场结构 各施工阶段的状态
船桥日大前站，1995
特点：框架 + 张弦
工程设计：斋藤公男
船桥日大前站是一个含有地铁、展示等多功能的空间。结构设计的方案是，用钢拉索加强的框架结构，以较小的框架截面实现车站的无柱空间。
拉索的布置方式很像小时候的翻绳游戏，最多有6根钢索汇交。施加了预应力的钢索，能够同时提高原框架结构在竖向和水平向的承载力。
框架+张弦结构 受力概念分析
6根拉索汇交的节点连接
虹拱-人力可伸展的空间结构，2002
工程设计：斋藤公男
虹拱的概念是用剪刀形交叉的刚性杆实现整体的可伸展，再引入柔性张拉杆使其成为稳定的结构。
搭建时的顺序与出云穹顶的安装类似，顺序是：1-将刚性构件伸展开；2-将两片刚性构件铰接连接(最终的拱顶位置)；3-覆盖膜材；4-提升中心点；5-固定拱脚。虹拱结构的搭建过程很简单，可用于展览会、救灾等的临时建筑。
斋藤教授专注于轻型空间结构的研究和应用。他认为建筑如同编织，以技术为纵轴，以感性为横轴。历史上，技术的纵轴不断向前发展从未间断，而作为感性的横轴一如时代潮流的变迁，与技术交织着。建筑设计在“想象力”(image)与“技术”(technology)上的交织不曾间断。
他将空间结构历史上，那些“交织点”的故事，整理出版了一本书，荐书链接《空间结构的发展与展望》。书中的案例和故事十分有趣，是小i 学习结构的启蒙教材。
斋藤教授提出了一个新名词“Archi-neering Design”，用以代表“建筑与工程技术”设计一体化，亦翻译为“结构建筑学”。他希望技术与艺术能双向的交流和推进，建筑与结构能密切合作，创造出性能与美学融合的建筑作品。
附注：近期将推送另一篇关于张弦梁的文章，简要介绍张弦梁的理论、设计施工要点和经典案例，敬请期待。
参考文献
1.建筑结构创新工学，日本建筑学会著，郭屹民等译
2.空间结构的发展与展望，斋藤公男著，季小莲等译
3.日本结构技术典型实例100例，日本建筑构造技术者协会
4.JSCA结构技术进步编集WG
延伸阅读 iStructure 原创系列
请点击→ 公众号首页→ 精彩专题系列
交流合作
我们很高兴与结构专业的同行探讨设计问题，也很愿意为建筑师提供结构方案、咨询建议、找形分析等。如有需求请在公众号首页留言，或联系邮箱istructure@aliyun.com。欢迎交流讨论！欢迎设计合作！欢迎投稿！
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。