华南理工大学土木与交通学院海外学者前沿讲座第四十八期，我们邀请到来自美国普林斯顿大学土木与环境工程系的Sigrid Adriaenssens教授。本次讲座中，Adriaenssens教授她为我们带来了一场“建筑中的结构形式”的精彩报告，讲座中Adriaenssens教授由浅入深地介绍了建筑尺度下结构形式和工作性能的关系是什么?
当前土木工程的发展正受普遍危机的限制：人口剧增挑战：到2050年，将有至少70%的世界人口居住在城市中，需要增加65%的住宅楼建设；而建筑行业劳动力缺少现象逐年加重，生产力下降为建设行业带来挑战。资源耗费危机：笨重的钢桥结构建设会耗费大量的建筑工业资源，如何减少材料的使用是成本节约和“减碳”的有效途径；建筑业占全球不可再生资源消耗量的40%，其中混凝土生产是主要挑战因素；建筑垃圾挑战：在美国，建筑行业废弃物占据填埋垃圾的29%。气候变化挑战：全球气候剧变之际，建筑行业建设伴随着总量30%的CO2排放污染；与此同时，受飓风、海啸等极端荷载影响，大量建筑被毁坏，造成经济损失严重；而依靠大量堆叠混凝土块体的方式构筑绵延数里的海岸结构，依然不能有效抵御海浪侵蚀。因此，结构工程师肩负着在这些城市创想、设计和建造人类赖以生存结构物的重任，需要重新思考“为什么而设计？如何设计？如何建造？”的问题。
回顾土木工程发展历史，总结结构演变规律，Adriaenssens教授发现从早期的埃及金字塔到今天优美的建筑作品，结构重量逐渐发生变化，追求的始终是轻质高强高韧目标。结合Adriaenssens教授本人执教普林斯顿大学之前在比利时的工作经历，当时她为荷兰海洋博物馆设计新的屋顶结构，受荷兰航海图上季风曲线启发，她用网状结构描绘季风曲线，设计制造了独具特色的穹顶结构，以起到中空庭院遮阳采光的极致效果。
由此，应对土木工程空间结构、使用年限、材料受限的诸多挑战，Adriaenssens教授提出以壳、膜、网等细长薄面结构为基础原型，通过结构几何设计，探索优越力学性能，寄希望于结构自组装过程，实现细长薄面结构的形状可变化、结构可展开、刚度可调控的使用功能，同时外形优美、承载能力优、韧性好、具有可持续性。
可变形的柔性壳体结构的提出和建造实现：Adriaenssens教授受捕蝇草等可变形生物的启发，总结植物的5种变形策略：不均匀展开、扭转屈曲、层间各向异性、几何与力学、弹性能量释放，并利用此进行屈曲分析和双材料特性设计，建造了一种柔性壳体结构的建筑立面，其形状可以根据外部光照水平和太阳辐射强度的改变自适应的关闭和打开，既能让人感到居住舒适，又能起到40%的建筑节能效果。
可调刚性的网状结构改进：在布肯卡诺湖区会布置防鲨网，该网由铁索制成，在海浪作用下被变形很大，很容易损坏。Adriaenssen教授课题组通过对该防鲨网进行受力分析，发现四边形的网格结构抵抗变形能力较差，因此她们将其更换为蜂窝状六边形网格，有效的改善了其易损的问题。
增强承载能力的刚性壳体结构的提出和验证：在地震作用下，很多建筑的主体结构经常会发生损坏，但其顶层的壳体结构却依然可以保持完好。Adriaenssen教授课题组针对一座在西哥城地震中几乎完好的壳结构建筑进行有限元分析，发现这类壳结构的固有频率远大于地震频率，不会与地震波发生共振，避免了破坏。由此，提出了一种具有平行式边缘波纹的抗震壳体结构，通过控制边缘波纹的形状和波纹数量，可以使抗震性能提高79%。
结构找型和机器人建造整合技术的提出：建于1436年意大利佛罗伦的萨布鲁内莱斯基大教堂的穹顶是采用砖砌块体结构建造，没有使用框架进行支撑却依然稳定的保存到现在，这一现象引起了Adriaenssen教授的好奇。通过对砖块的排列进行分析，发现砖块有两种布置方向：当穹顶开始向内弯曲时，部分砖被竖起来砌进去，形成了一种径向对称的X型的类骨架自平衡结构。通过采用超过10万个离散单元对这一结构进行模拟分析，证明了正是这样独特的砖石结构提供了超群的稳定性。由此，Adriaenssen教授提出了整合结构找型和机器人建筑技术，可以减少建筑浪费。
可调刚度的加压薄膜结构设计：传统的海岸结构防止浪潮侵蚀，需要依靠大型砌体筑起绵延数里的构筑物，既不经济也不灵活，Adriaenssen教授设计了通过充气加压的薄膜浪涌防护装置，通过对薄膜结构形状进行有限元分析，根据薄膜在海水作用下的变形情况选择几何形状，当海水涌入时，可以通过为该装置充加压气快速膨胀展开，还可以通过部署该薄膜屏障来抵御风暴潮的影响。
Adriaenssens教授的研究目标是面向未来的城市环境韧性和可持续性的需求，利用细长薄壁结构的优越力学性能重新定义设计范式。探索细长薄面结构与环境的交互作用，受性能、生物和历史等启示进行有效的结构几何设计并建造呈现，以及通过计算机、数学、拓扑学和力学等交叉学科的力量追求无限可能，是Adriaenssens教授课题组——结构找型实验室(Form Finding Lab)，正在致力于的研究内容。再次感谢Adriaenssens教授为我们带来这场精彩讲座所做的准备，期待看见她们更多的优秀作品。
在中国古哲学与历史文化中，以柔克刚的原理、以少胜多的思想、效仿过去的经验，一直是我们受益最大的奇招和追求的目标。放到今天的土木工程中，依然为我们追求更轻、更强、更省、更优的结构提供了思路，设计无限的空间，建造更多的可能，则是我们需要提出的解决方案。
讲座视频链接：
相关文章请见Sigrid Adriaenssens教授官方主页：https://cee.princeton.edu/people/sigrid-adriaenssens?msclkid=b278825bd06411ec90f5bcd89f81a55c
文稿｜解兵林 姚显花 毛炜宁
排版｜马文千
审核｜胡 楠