那些像折纸一样折出来的建筑

首先请大家来和小i做个小实验，如下图所示。我们将一张纸支在两本书之间模拟一个大跨结构，随后在上面放一块小蛋糕，纸随即塌了下去；而当我们将同一张纸经多次折叠，形成折板后，再将小蛋糕放在上面，纸成功得托起了小蛋糕。

纸还是那张纸，蛋糕还是那个蛋糕，为什么将纸折叠后刚度会有如此大的提升呢？

折叠前纸可以看做一块平板，由于纸非常薄，因此抗弯刚度很小；而当我们折叠纸形成折板时，就形成了空间结构，通过空间形抗作用，大幅提高了结构的整体刚度。在大自然中，利用折板原理的例子也有很多。

折板结构与壳体结构同属薄壳空间结构，因此二者有相似之处，都是利用了形的作用提高整体刚度。

折板结构由平面板组成，其内力分析虽然比曲面的壳体结构简单，但折板结构并非完美的拱线，因此其中不可避免地涉及弯曲应力，这是与以薄膜应力为主的壳体结构有主要的区别。

典型的折板结构主要由三部分组成，折板、边梁、横隔。折板主要起承重及维护作用；边梁连接相邻折板，加强折板的纵向刚度，同时增加折板的平面外刚度；横隔一般布置在端部，使折板结构形成几何不变体系，并作为折板边梁的纵向支座。

折板结构按照结构体系可分为折面结构（folded plate surface）、折板框架（Folded plate frame）、空间折板结构（Spatial folded plate）。按折面形式又可以分为V形折板、多折折板、锥形折板、角锥折板、组合折板等。

V形折板是最典型的折板形式，为了简单理解其受力特点，可从横向和纵向分别考察。横向可将折板看做一个带褶的连续板,支承在脊线和谷线一高一低的支点上，估算时可取1m宽板带作为计算单元，按照多跨连续板进行内力分析。纵向可以看做一个V形截面梁，估算时可取一个V形单元，按深梁进行分析。

锥形折板也是折板众多形式中常见的一种，受力特点和V形折板类似。但由于折板抗弯刚度的控制截面是在跨中，而此处折板的高度并不是最高，因此锥形折板结构的效率没有V形折板高。

角锥折板又称折板桁架，这个名称就暗示了其受力特点近似于桁架。我们可将脊线看做桁架上弦承受受压，四周的环梁为桁架下弦承受拉力，折板斜向交线为桁架腹杆传递剪力。可见角锥折板与前两种折板形式受力不同，为三维受力体系。

折板框架的屋面与立面均由折板组成，相互刚性连接。每个单元受力介于框架和拱之间，构件内主要以轴力为主，但在交接转折的地方弯矩较大，因此需要在顶部与中部转折的部分设置刚性梁，对此部分进行加强。

由于折板结构造型富有表现力、受力合理、施工便利的特点，受很多建筑师与结构工程师的喜爱，被用在很多经典项目中。接下来小i就挑选了其中几个，与大家一起欣赏。

本项目是由瑞士建筑师Livio Vacchini（1933-2007）设计的最后一件作品。建筑师希望能够使结构外露，在能够表达结构美感的同时还要做到坚固耐用，并且由于视野高处有火车通过可看到建筑屋面，因此建筑师还希望立面和屋面的结构形式可以形成一个整体。根据建筑师的要求，最终采用了混凝土折板框架。

建筑长80米，宽55米，内部为无柱空间。结构墙面和屋面均采用V形折板，由27个单元组成，每个单元又是由两组V形墙面与一组V形屋面组成。折板采用预制预应力混凝土，屋面板厚度仅16cm，内设预应力钢绞线。通过采用自密实混凝土并施加预应力，提高混凝土的防水性和耐久性。

由于结构外翻，幕墙在结构构件内侧，内外就形成了相对独立的空间。建筑内部被分隔为多个体育场馆和多功能厅，同时顶部吊顶，因此人在内部感觉不到复杂的结构形式，不会因此而分神。而外侧又极赋结构张力，吸引行人的眼球。

这里折板不仅仅是结构承重构件，它作为建筑表达的重要组成部分，使得外立面作为整个建筑的皮肤，成为一个雕塑。

从中不仅能看到结构工程师高超结构设计水平，同时也体现了建筑师和结构工程师之间的密切配合。

折板结构不仅可以用混凝土薄壳实现，同时还可以用钢结构网格实现，美国空军学院礼拜堂（Air force academy chapel）就是其中的经典之作。

美国空军学院礼拜堂是由SOM设计，设计之初饱受争议，但随着时间的推移，已经成为现代主义建筑的经典。

这座建筑有一大难点同时也是一大特点，就是不仅要在一个屋檐下同时容纳三种不同的宗教礼拜堂，一个有900个座位的新教教堂，一个有500个座位的天主教教堂和一个有100个座位的犹太教堂，同时还要作为美国空军学院的纪念碑。

因此，建筑师注定不能用传统信仰的外部特征来满足各种需求，因为各种信仰的典型外观风马牛不相及，甚至可能还是相悖的。于是通过与结构工程师的讨论与配合，最终决定以折板结构的形式，形成了一套全新的建筑语言将各种需求包容在了一起。

建筑高46米，长85米，宽26米。最初设计由19个方尖塔组成，后期因为预算原因减少到17个。为了降低施工难度同时控制造价，结构由100个相同完全相同的四面体组成，每个四面体长23米，重5吨。

四面体单元采用钢管桁架，铝板覆面。四面体单元间彼此空开0.3cm，在构架中形成窄缝，填充25mm厚的彩色马赛克玻璃，以增加其宗教元素。

介绍了两个国外项目，再来介绍一个国内的项目——青岛国际邮轮母港客运中心。

青岛国际邮轮母港客运中心由CCDI设计，建筑整体造型设计取意“风帆”，与美国空军学院礼拜堂一样采用了单元化拼接的方式。

建筑高度 23米，长338米，宽96米。钢屋盖结构采用变截面桁架折板结构，由18榀基本单元排列组成，每榀间距18 米。其中室内跨跨度为55米，室外跨跨度36米。

结构计算结果与折板框架的概念分析特点一致。首先由于折面的空间作用，结构侧向与竖向刚度均较大，Y向位移仅为允许位移的25%。其次，结构受力以轴力为主，但在结构折面转折处弯矩较大，此处为结构的主受力杆件，需要进行相应加强。

由于篇幅有限，小i这里就不一一介绍了，下面列举一些图片来撩一撩你。

今天小i介绍的折板撩到你了吗？有没有同学跃跃欲试想要做一个折板结构。

不管你有没有，反正我是有了。

参考文献：

1. Mobin Shah Masum. Folded Plate Structure

2. 罗午福. 建筑结构概念体系与估算

2. 刘旭静. 青岛邮轮母港客运中心钢屋盖的整体分析及复杂节点的有限元分析

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