结构大师系列—坪井善胜

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                                                                                                    “结构的美存在于少许偏离结构合理性的地方。”——坪井善胜

坪井善勝（yoshikatsu tsuboi 1907-1990），日本杰出结构工程师、建筑师。东京大学名誉教授。在日本战后经济腾飞的那个黄金时代，坪井善胜和建筑师丹下建三合作，完成了很多标志性的工程，包括代代木国立综合体育馆、大阪世博会节日广场等。同时，坪井善胜先后在日本多所大学任教，致力于培养年轻工程师，在注重师承传统的日本业界堪称一代宗师。坪井善胜于1986和1989年先后两次当选国际薄壳结构与空间结构协会（IASS）主席，IASS专门设有坪井善胜优秀论文奖。作为一名结构工程师广岛儿童图书馆（Children's Library in Hiroshima/1953）






广岛儿童图书馆广岛儿童图书馆是坪井善胜与建筑师丹下健三的第一次合作。图书馆为混凝土壳体结构，一个倒置的圆锥和圆形的芯筒通过曲面平滑过渡。这是日本战后建成的第一个钢筋混凝土壳体结构。爱媛县民馆（Ehime Prefectural Hall/1953）


爱媛县民馆紧接着坪井善胜与丹下健三合作了第二个项目——爱媛县民馆。建筑的屋顶是一直径约50m的钢筋混凝土薄壳，支承于周边的滚轴支座上。这个跨度在当时世界范围内也是名列前茅的。为此还专门做了一个1:20的缩尺模型进行加载试验，实测的壳体承载力比设计需求的要大很多。根据川口卫（坪井善胜学生）的回忆，由于低估了壳体实际的承载力，当时准备的试验加载设备都没能把模型加载至完全垮塌。骏府会馆（Sumpu Kaikan/1957）




骏府会馆 坪井善胜为骏府会馆设计了一个双曲抛物面的混凝土薄壳屋顶，并基于此研究了双曲抛物面（H.P. Shell）薄壳在各种边界条件下的受力性能。骏府会馆占地面积是一个50mx50m的正方形，屋顶由周边折叠状的混凝土墙支撑，两侧的边梁在最低点交汇在一起，以使两根边梁相互平衡。东京国际贸易中心（Tokyo International Trade Center/1959）



东京国际贸易中心外立面

东京国际贸易中心内景20世纪50年代，随着生产力的提高，钢结构在日本逐渐开始应用。当接到建筑师村田政真的邀请设计东京国际贸易中心时，坪井善胜为其设计了一个跨度达120m的钢结构网格穹顶，球壳的一侧被斜向的平面切除，以增加立面的“动感”（见外立面照片）。在这个穹顶的设计过程中，坪井善胜利大胆地用等价刚度壳体理论来分析求解网格的内力。完工时，该穹顶是日本当时跨度最大的结构。东京圣玛利大教堂（St. Mary Cathedral in Tokyo/1964）







圣玛利大教堂坪井善胜将他多年对双曲抛物面的研究应用于大教堂的设计，教堂由八块双曲抛物面薄壳（H.P. Shell）组成，八块壳体相互支撑，十字交叉处用受压构件联系。为了抵抗薄壳底部向外的推力，在地板下布置十字状受拉构件。代代木国立综合体育馆(Yoyogi National Stadiums for Tokyo Olympics/1964)


东京奥利匹克代代木国立综合体育馆东京代代木国立综合体育馆是为第18届奥运会（1964）修建的。第一体育馆（游泳馆）为两个相对错位的新月形，第二体育馆（篮球馆）为螺旋形，像个大蜗牛，两馆均采用悬索结构，中间的空地形成中心广场。此建筑被称为20世纪世界最美的建筑之一，是坪井善胜与丹下健三合作的巅峰之作。

第一体育馆外观


第一体育馆内景（由于将中间两根主索拉开，大幅度增加了空间的开阔感觉）

第一体育馆施工时的照片“当时的吊挂结构刚刚在建筑世界中崭露头角，无论在结构设计上，还是在施工方法上经验甚少，处于摸索阶段。在计算机还未登场的年代，对于大变形及非线性这种结构分析几乎是不可能的，那时的主要计算手段只能是手算或用电动计算机。 在这种状况下代代木体育馆的设计开始推进。进行空间设计，对分析方法进行讨论，运用试验手段进行确认，进行节点设计。边研究施工方法，边进行设计工作，这实在是一种日夜兼程的艰苦作业。”（坪井善胜的学生斋藤公男在其著作《空间结构的发展与展望》中回忆）



第一体育馆的分析图设计中非常明显地标识出力流的作用方向，巧妙地结合了结构和建筑设计。在张拉式结构中首次引进“半刚性”（Semi-rigid）的设计思想，并灵活应用于第一体育馆的设计中。坪井善胜先生特别对“半刚性悬挂式屋面”的概念及其表现作了如下陈述。“主索拉成吊桥形式，在其两侧看台之间架设钢结构悬挂构件，稳定索呈受拉状态。将其称作半刚性悬挂式屋面结构，其设计思想在于通过引进弯曲刚度这一概念解决索网的受力特性及抗风稳定性，这是本设计中的创新。”（JSCC大会研究集会，1976年6月2日）

万向接头的图纸及应用于第一体育馆的实景照片

阻尼器的设置
由于需要处理在施工过程中结构的变位，设计了万向接头。为了保证屋面在飓风作用下的稳定性，在第一体育馆中应用了油性阻尼器。这是在大跨建筑中首次引入并运用了阻尼概念。

第二体育馆的分析图

第二体育馆的施工照片第二体育馆在一根支柱的周围布置主索（螺旋状）及空间骨架，并沿放射状安装悬挂桁架，利用悬挂结构这一相同原理使之与第一体育馆保持统一性，保证了整体上的相互协调。大阪世博会节日广场屋盖（The Grand Roof of Expo’70/1970）


大阪世博会节日广场实景照片

大阪世博会节日广场立面图节日广场的屋顶是一个108mx292m的巨型半透明空间四角锥网架，仅支承在六个高出地面30m的格构柱上。网架中间开有直径约54m的圆洞，一个象征太阳的塔从广场升起，穿过圆洞高高地耸立在屋顶的上方。网架所有杆件通过800~1000mm的铸钢大空心球节点连接。整个结构共用了2272根钢管杆件和639个球节点。



网架的球节点及构造详图值得一提的是该网架在控制加工精度方面采用的基本理念与方法是：对构件的尺寸精度要求不那么严格，在装配时允许在节点连接处对杆件的长度作少量的填隙调节（见上图节点构造）。这样做可以有效地节省造价。

网架的提升步骤

网架提升过程 在地面上围绕着六根1.8m直径的中心钢管柱整体装配这个巨型空间网架，装配完成后整体顶升。为避免在安装完成柱帽而尚未来得及拆除柱底临时支撑的这段时间内出现过大的温度应力，从装柱帽到拆去临时支撑的整个过程仅用一个晚上就全部完成。现在如果去大阪世博会纪念园还能看到保留的一小部分网架。

大阪世博会纪念园实景照片神慈秀明会教祖殿（Shiga Sacred Garden /1983）

神慈秀明会教祖殿外景

神慈秀明会教祖殿内景为实现大殿内部无柱的效果，坪井善胜在建筑四个角部设置了四根巨型的弧形柱，巨柱从底部的钢筋混凝土柱墩往上向内弯曲，其上、下两端分别由顶部和底部的巨型框架梁连接，形成巨型框架。值得一提的是，顶部巨型框架梁的两端在施工过程的第一阶段是铰接的，直到后面才将框架梁与角部巨柱的上端刚接。[小i认为，此处的第一阶段指整个巨型框架安装就位之前。由于巨柱是倾斜的，所以在四个巨柱全部安装完成之前，顶部框架梁的两端轴力力是无法不平衡的，若此时刚接，梁柱间将产生较大的弯矩。]

神慈秀明会教祖殿分析图 在顶部巨型框架梁包围的范围内是平面单层斜交网格屋面。而四边是呈浅悬链式曲面的双层网架，四边的网架自重主要由顶部的巨型框架梁吊挂，在风及地震作用下四边的网架作为网格壳体也参与抵抗水平作用。（见分析图）弓张岳展望台和下关综合体育馆


弓张岳展望台（Yumiharidake Observatory/1965）

下关综合体育馆(Shimonoseki Municipal Gymnasium /1963)坪井善胜大多数作品都是跟建筑师合作完成的，但有两个建筑是在没有建筑师的情况下完成的，确切的说，在这两个建筑中他既扮演了结构工程师也扮演了建筑师。这两个作品分别是位于九州佐世保市的弓张岳展望台（1965）和位于山口县的下关综合体育馆（1963）。弓张岳展望台是一个三点支撑的RC双曲抛物面壳（H.P. Shell），其中两个支座采用了不锈钢的铸钢球节点。展望台与山顶风景浑然一体，恰到好处。香川县厅舍（The Kagawa Prefectural Government Hall/1958）

静冈新闻广播东京分社(Shizuoka Press and Broadcasting Center/1967)


作为一名研究者和老师坪井善胜对应用力学和板壳的基础理论研究贯穿其一生，他总是抓住机会将其理论研究应用于实际工程中。1932年东京大学建筑系毕业后，坪井善胜师从武藤清（Kiyoshi Mutoh）教授进入研究院学习。自1937年开始，先后在九州大学、东京大学、东北大学、日本大学多所大学任教。他的学生有田治见宏、青木繁、若林實、川口卫等。1968年退休后成立坪井善胜研究室，培养了斎藤公男、今川憲英、中田捷夫等优秀的结构工程师。坪井善胜的著作主要有三本，皆是关于板壳的。《Theory of Plates》、《Shell Structures》《Introduction to the Statics of Continua（连续体力学引论）》。曾供职于丹下健三研究室的大谷幸夫有过这样的回忆：“当看见坪井先生与丹下先生在一起讨论问题的时候，分不清楚哪位是建筑师，哪位是结构师。丹下先生讲的是力流及结构上的方案。”而坪井善胜作为结构工程师不仅是在力学上提供合适建筑师造型的结构形式，而是追求从建筑设计整体的视野出发推动整个项目前进。“结构的美存在于稍许偏离结构合理性的地方”，是否可以理解为结构世界的合理性应该贯彻，在这基础上感性也应该得到尊重？
在“稍许偏离之处”似乎隐藏着创作建筑时结构工程师的苦恼与喜悦。 本文由iStructuer根据坪井善胜生平资料编辑整理。参考资料： 1）《Yoshikatsu Tsuboi: Distinguished Researcher, Warmhearted Teacher and Talented Structural Designer》Mamoru Kawaguchi2) 《空间结构的发展与展望》 斋藤公男3) 《空间网格结构》 约翰.奇尔顿4)  https://ja.wikipedia.org5）https://misfitsarchitecture.com/tag/yoshikatsu-tsuboi/6）本文图片均来源于网络，版权属于原作者或网站
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