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轉載自iStructure微信公眾號鋼筋混凝土是現代工程建造中最常用的材料之一。與鐵、木材、磚石等傳統材料相比，現代鋼筋混凝土的歷史最短，卻應用最廣泛。現代鋼筋混凝土技術的細分龐雜，很難用幾篇簡單的綜述文章講清楚。以本文拋磚引玉，粗淺介紹鋼筋混凝土的歷史、結構形式、經典的項目、建築表現，以及混凝土材料的新進展。 混凝土的歷史古羅馬混凝土 公元前3世紀大約在公元前3世紀，古代羅馬人發現了天然火山灰的水硬性，用它拌制的砂漿硬化後有很高的強度。在古羅馬殘留的遺迹中我們看到，坍塌的砌塊牢牢的連接在一起，如果將砌塊比作粗骨料，這算是古代混凝土的雛形。至今保守完好的萬神廟 (Rome, Italy, 公元128年)古羅馬混凝土遺迹 (公元前2世紀至公元1世紀)由於採用了天然火山灰水泥，古羅馬混凝土比現代混凝土的耐久性更好，即使經歷了兩千年風霜雨雪仍堅固、完好。波特蘭水泥 1824年現代混凝土以水泥為膠凝材料，水泥是混凝土材料的靈魂，影響著混凝土的各方面性能。1756年，英國工程師John Smeaton史密頓在修建燈塔時意外發現，把黏土和石灰石以適當的配比混合后煅燒(類似火山灰形成的過程)，可以達到很高的強度。史密頓的做法很快傳遍歐洲各國，大家紛紛效仿。John Smeaton修建的燈塔，1759年1824-1840年，Joseph Aspdin和William Aspdin父子，總結出用石灰、黏土、礦渣等配比混合煅燒成「水泥」的方法。由於水泥硬結后的顏色和強度，與英國波特蘭島上天然石材差不多，人們便稱它為「波特蘭水泥」(即普通硅酸鹽水泥)。奧芬巴赫的混凝土景亭, 1879年 「波特蘭水泥」最早的一次大規模應用，是建造了穿越泰晤士河河底的隧道。法國和德國分別在1840年和1855年建設了水泥製造廠。隨後水泥在世界各地迅速推廣使用。鋼筋混凝土 1849年1849年，法國園丁Joseph Monier將鐵絲與混凝土結合，製作花盆，解決了混凝土抗拉強度低的問題，並在1867年的巴黎博覽會上展示了他的新發明。此後，他又陸續發明了鐵筋混凝土管道、水箱、幕牆板，並在1875年設計了第一座鐵筋混凝土橋。第一座鐵筋混凝土橋,Chazelet，1875年法國工程師Francois Hennebique受到Monier的啟發，將這種材料組合應用到建築領域，他在1892年發明了全套的鐵筋混凝土建築建造系統，立刻引起了當時土木工程界的震動。預應力混凝土 1888年在鋼(鐵)筋混凝土應用於建築領域不久，1888年美國工程師P.H.傑克孫提出了預應力混凝土的概念，但最初的嘗試並不成功。低強度的鋼(鐵)筋限定了預應力值，而較小的預應力很快在混凝土徐變、收縮后而全部損失。1928年法國工程師E .Freyssinet提出必須採用高強鋼材和高強混凝土，以減少預應力損失的影響，他率先應用了極限強度1725MPa的高強鋼絲。之後，E .Freyssinet和G .Magnel分別發明了錐形錨具和麥式鍥形錨具，用於後張法預應力工藝。E .Hoyer 則研究出不靠錨具的先張法工藝，用於在工廠生產小型的預應力混凝土構件。1950年，國際預應力混凝土協會FIP成立，借著戰後重建的機會，預應力混凝土結構大量代替鋼結構，推動了其理論和技術的蓬勃發展。1956年，林同炎先生完成了經典著作《預應力混凝土結構設計》一書，提出「荷載平衡法」理論，把預加應力看作是構件上試圖與外荷載平衡的另一種荷載，簡化了預應力結構的分析。他將預應力理論在眾多橋樑作品中實踐，獲得「預應力先生」的美譽。莫斯康會議中心的地下展覽廳,林同炎,1981年採用預應力混凝土拱架結構,凈跨約90米現代預應力橋樑預應力鋼筋混凝土技術被認為是混凝土發展過程中最重要的進步之一，它創造了一種理想的材料結合。混凝土結構形式傳統的建築材料，如磚、石、木材受限於材料特性，決定了各自的建造邏輯。混凝土硬化前無所謂「形狀」，也可以是「任何形狀」。(鋼筋)混凝土的奇妙之處在於它能適應多種形態、多種結構形式。早期的混凝土拱結構，游泳館建築師Louis Bonnier，工程師Emile Wood-Girard混凝土本身的抗壓強度高而抗拉強度低，早期的混凝土建築常採用源自磚石結構的拱殼體系。隨著鋼筋混凝土和預應力技術的發展，大幅提高了抗彎、抗拉性能，從此更多的混凝土以源自木結構的框架形式出現。混凝土框架結構，薩伏伊別墅，1931年香川縣廳舍，丹下健三，1955年在結構形式和建築表現上更貼近木結構20世紀初，鋼筋混凝土的設計理論仍尚不成熟。一批傑出的工程師，憑藉著敏銳結構直覺，創作出了形態優美的鋼筋混凝土作品，讓人們認識到了鋼筋混凝土的潛力。之後，借著第二次世界大戰戰後重建的機會，混凝土成為了主流的結構工程材料。瑞士Salginatobel 三鉸拱橋，馬亞爾，1930年被國際橋協評為20世紀最優美的橋樑Robert Maillart馬亞爾 (1872～1940)是混凝土結構實踐的先驅。在混凝土剛剛興起的年代，他設計出無樑樓蓋、蘑菇形柱帽，以及堪稱完美的混凝土三鉸拱橋，賦予了混凝土結構靈性和活力。鋼筋混凝土橋樑配筋詳圖,馬亞爾,1910混凝土空間結構(倉庫),馬亞爾,1923-1925奠定了預應力混凝土理論基礎的E .Freyssinet (1879～1962)，同時也是工程實踐的開拓者。他設計了包括自錨懸索橋、混凝土拱橋、預應力混凝土梁橋等大量作品（國際混凝土結構聯合會頒發的結構混凝土獎章以Freyssinet的名字命名）。鋼筋混凝土懸鏈拱結構,機庫, E .Freyssinet The Plougastel Bridge, E.Freyssinet, 1924-1930三跨鋼筋混凝土箱形拱橋，每孔跨度176m被稱為「混凝土詩人」的奈爾維說：「鋼筋混凝土像是一種可以抗拉的人造超級石材，工藝簡單、造價低廉，幾乎可以無限制地生產。混凝土以一種半流質狀態，可以澆注成任意的形狀…混凝土的自由形態和整體性，使得它既能符合建築師的感性、又能追隨力學的法則。Artemio Franchi 體育場,懸挑24米,奈爾維,1931企鵝池Penguin-poo, Ove Arup ,1934年1933年，Ove Arup設計的企鵝池有兩條交叉的混凝土螺旋坡道，呈現非常輕薄的自由形態。結構方面採用了預應力混凝土建造麯面，螺旋坡道根部上下錯開，產生了類似桁架懸挑的受力效果。加肋的混凝土筒殼飛機庫,奈爾維,1935-1942馬德里Zarzuela賽馬場屋蓋, 托羅哈, 1935年霍奇米洛克餐廳, 坎德拉，1958坎德拉設計的混凝土廠房混凝土的「形狀」模板模板按照材料分類，有木模、鋼模、鋼木組合模、鋁合金模、塑料模，磚砌模板等。通常曲面形態的混凝土模板製作複雜、造價昂貴。坎德拉利用雙曲拋物面的直紋特點，用豎直的木材搭建模板建造了許多優美的HP殼體。利用直紋曲面的特點架設模板，帕爾米拉教堂帕爾米拉教堂，坎德拉，1958奈爾維早期的方法是以細鋼筋按設計形態彎曲成框，罩以雙層鐵絲網，噴射砂漿成形並抹平，由此獲得形態自由的鋼筋水泥模板。這種輕薄的鋼絲網水泥板模板本身也是承載結構的一部分，具有很好的強度。羅馬小體育館,預製整澆的混凝土, 奈爾維之後，奈爾維將鋼絲網水泥模板技術改造為整體裝配式混凝土。先在地面用鋼絲網水泥預製曲面板，板間的鋼筋混凝土肋、節點現澆，再整澆一層薄薄的混凝土作防水層，並使全部結構形成整體。FRP模板：台大社科院圖書館柱頭曲面脫模的混凝土外觀清水混凝土有時，建築師希望直接以混凝土本色作為建築飾面。模板的材質和機理將直接影響著混凝土的建築外觀。普通木模板：Eglise Saint Joseph教堂的木質機理特級清水模：亞洲美術館清水混凝土牆面清水混凝土對美觀、色差、表面氣泡等方面有很高要求，需在混凝土配製、施工、養護等方面都應採取相應的措施。「混凝土實際上想變成花崗石」，用平直鋼模澆注的混凝土構件，也確實如花崗岩般的堅硬和光滑。大幅面的標準鋼模也比零散的板條木模更適合表現建築的模數關係。鋼模板：薩爾克生物研究所混凝土模板貼合建築模數，東京工業大學6號館龍美術館西岸館, 大舍建築, 2014下關市唐戶市場 karato wholesale market預製混凝土梁構件與張拉結構的組合混凝土材性的改進通過改變混凝土組分的比例、特性，或者添加其它外加劑，能夠製備出不同特性的混凝土。例如常用的高強混凝土、抗滲混凝土、微膨脹混凝土、低水化熱混凝土、低活性混凝土、加氣混凝土、輕質混凝土、早強混凝土、超高泵送混凝土等。高強混凝土20世紀初，水灰比等學說初步奠定了混凝土強度的理論基礎。20世紀60年代以來，高效減水劑、高分子材料、多種纖維的應用，研究出了強度越來越高的混凝土材料。高性能混凝土HPC是混凝土材料發展的一個方向，所謂高性能是指高強度、高耐久性、高流動性等。高強混凝土與普通混凝土強度註：上圖為D150x300的圓柱體試件抗壓強度在實際工程中，美國西雅圖雙聯廣場(Two Union Square)超高層，要求泵送混凝土彈性模量達到50GPa，抗壓強度標準值131MPa。工程實測的混凝土56d抗壓強度標準值達到133.5MPa。纖維增強混凝土為了改善混凝土的抗拉性能和延性，研製了纖維增強混凝土。常見的有鋼纖維、耐鹼玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維混凝土等。有研究表明：鋼纖維摻量的體積分數在1%~2％左右，混凝土的抗拉強度可提高40%~80％，塑性變形能力大幅提高。 用纖維增強混凝土製作的雨篷，平板厚約25mm斯圖加特聯邦園藝展覽會(Federal Garden Exhibition)，采玻璃纖維混凝土建造的跨度26m的殼體結構，平均厚度僅15mm，展示了纖維增強混凝土的潛力。Federal GardenExhibition, 約格·施萊希, 1977輕質混凝土輕質混凝土的表觀密度可減小至400～1800kg/m3，但其強度和彈性模量也有一定的降低。常用的有輕集料混凝土、泡沫混凝土、加氣混凝土、輕骨料大孔混凝土等。除了用作保溫隔熱材料以外，現在大跨度、大懸挑結構以及橋樑結構中，也常採用輕質混凝土樓板以減小結構的自重。從波特蘭水泥的發明到今天，在將近200年間，混凝土材料、計算理論、結構體系和建造技術等發展出龐雜的細分，其中的每個細分點均值得寫幾篇文章詳細講講。龐大的知識量使工程師很難對混凝土有全面的了解。限於小編對混凝土的認識十分有限，以本文拋磚引玉，希望大家積極分享關於混凝土的新進展，期待對實際工程有所裨益。參考資料古羅馬混凝土：Engineeringrome.wikispaces.com維基百科：en.wikipedia.org/wiki/Concrete模板與鋼筋—混凝土材料塑性表現的雙重邏輯,張翼,陳錄雍Civil Engineering Patenting:Then and Now現代建築結構與美學的統一性原理分析, 王嵩結構工程史上的燦爛群星，高楠高強混凝土應用：coyis.com/technical-reserves 部分圖片通過網路搜集，版權屬於原網站或原作者《建築結構》傾情代售全球首款「座」包精彩文章推薦：建築結構丨全方位解讀全球最大來福斯項目——重慶來福斯廣場建築結構丨超強總結一級註冊結構工程師考試全攻略，複習必備！建築結構丨全面解讀528米北京第一高樓——"尊"大廈設計及施工建築結構丨廣州第一高樓——530m廣州東塔交付使用之際，回顧項目特點及設計關鍵技術建築結構丨盤點我們共同走過的2016「此處」，可查看建築結構微信過往文章，也可通過關鍵詞搜索你喜歡的內容。微信小店訂閱期刊雜誌關注《建築結構》官方微信官網：www.buildingstructure.cn合作/投稿/80327128或455323924《建築結構》雜誌社新推出減震技術微信如果你喜歡我們，記得把「建築結構」微信置頂哦。