結構大師——齋藤公男
原創作者： 楊笑天-iStructure
齋藤公男，生於1938年，博士，畢業於日本大學，日本大學名譽教授，專註於輕質空間結構的研究和應用，日本建築學會第50屆會長，被認為是打開張弦結構世界大門的人。
張弦梁
張弦梁(Beam String Structure)可以說是既老又新的結構。在19世紀中期架設的橋樑、建築物中已經出現用拉杆增強型鋼的組合梁結構。
對於張弦梁的起源有許多種說法。一種是系桿拱增加豎直撐桿的「加法」演化；一種是魚腹式桁架去掉斜腹桿的「減法」演化。
高度很高的的系桿拱，拱的側推力被拉杆平衡，能承受較大的荷載。但是，當拱的矢高比較低時，拱的壓縮、弦的伸長導致結構矢高不斷減小，拱可能會突然失去形態而破壞。如果在拱和弦之間增加撐桿，結構受荷時形態不會破壞，承載力將大大提高。
在20世紀末，張弦梁形式的大跨度空間結構興起，而齋藤教授被認為是現代最早嘗試張弦梁結構的工程師。今天小i 將向大家介紹他設計的各種張弦結構。
法拉第理工館，1978
特點：最早的張弦梁
工程設計：齋藤公男
法拉第理工館被認為是張弦梁最早應用的案例。實驗館是單邊約20米的正方形的建築，屋頂為放射狀輪幅形的張弦梁。
圓形屋頂等分為32份，張弦結構的上弦為H形鋼樑，匯交於屋頂中心的壓力環；下弦鋼索匯交於下方的拉力環。壓力環和拉力環通過豎桿連接，同時也構成了屋頂天窗和吊燈的支架。
1970年代日本結構表現主義盛行，法拉第館的結構要素全部作為內部空間的表達，很適合理工學部的系館風格。
酒田市紀念體育館，1991
工程設計：齋藤公男+結構計畫
遠看體育館給人一種被漂浮金屬板緊密包裹著的印象，圓筒狀屋頂的側面讓人誤以為是拱形結構。走近才會發現「銳利的大挑檐」並不是拱。
對於普通平緩的梁結構，54米是相當大的跨度，當地的雪荷載也非常重。怎樣以最小的結構高度實現輕巧的跨躍呢？
結構設計上選擇了張弦梁與懸臂構架組合的結構體系。換個角度看，懸臂構架是將彎矩圖結構化的「葛爾培梁」(Gerber Beam)，有效地減小了張弦梁的跨度和矢高。
施工時，同樣利用了張弦梁的自穩定性，在地面上組裝張弦梁，並張拉至設計形態，然後利用懸臂構架實施「整體吊裝」。
出雲穹頂 IZUMO DOME，1992
特點：木質拱架 + 張弦
工程設計：齋藤公男+鹿島建設
用木材建造的大跨結構最常用的作法是拱殼或桁架。但能不能更輕，像雨傘那樣打開呢？
出雲穹頂是第一個採用木質拱殼結構與鋼索組合的立體張弦結構，球形穹頂直徑143.8米，拱頂部高度48.9m米，沿球面等分為36份，張弦骨架在穹頂頂部彙集。
每個骨架的上弦由2根273mmx914mm木材拼成，通過銷鉸與H形截面的鋼圓環連接。
立體張弦結構骨架的外表覆蓋以白色膜材，在兩個骨架之間用穩定鋼索把薄膜向下壓緊，形成V字形狀，使得膜材保持足以承受風吸荷載的穩定形態。
結構的施工方法也很巧妙。先在地面上把每個單元的拱和張弦的索桿組合好，然後在穹頂中央用機械緩慢頂起，隨之拱腳向內移動；待結構提升就位後，鎖定拱頂節點的第2個銷軸以及拱腳支座，整體結構便牢靠地穩定了。
木質剛性骨架是以折面擬合穹頂曲面的。從外部看，薄膜屋面上粗壯的骨架若隱若現。在內部，結構既表現出木材骨架的柔和感，又因為使用了張弦而提高了拱殼的剛度，在風雪、地震等非對稱荷載下也有很好的承載能力。
山口Kirara博覽公園穹頂，1999
特點：超輕質網殼 + 索膜
工程設計：日本設計+齋藤公男
最初的設計意向是通過優美連續的殼頂覆蓋體育館和活動區兩個空間。用當地的檜木做屋檐，成為拱頂結構的環箍。屋檐與拱頂結合，顯得拱頂形態更加輕盈，如同飛鳥一般。
屋蓋採用了索桿組合的雙層殼體結構。剛性桿分上、下兩層，厚度為2米，呈5.6m x 5.6m的正方形網格布置。桿件為直徑139~216的圓鋼管，以螺栓球節點連接。每個網格中間布置斜向鋼索，導入約50KN的預緊力。同時，從鋼索的交點架立一根撐桿，支撐屋面的膜材。
最終屋蓋的重量(包括結構、膜面、設備等) 僅為 35kg/m2，是一個超級輕質的屋蓋。
整個屋蓋支承在下部RC柱上，應用疊層橡膠隔震支座，使得RC柱的地震力減少為原來的約30%。同時，橡膠支座釋放了超長屋蓋的溫度作用，可謂一舉兩得。
在內部看屋面，鋼索幾乎不可見，結構非常通透，自然採光效果很好。
靜岡ECOPA體育場,2001
工程設計：齋藤公男+結構計畫
靜岡ECOPA體育場結構的出發點是憑藉樸素的輕型懸臂桁架，實現輕盈、有力度的體育場空間。
結構方案經過很多輪的優化，最終選擇了用鋼量最小，施工最方便的一種，如下圖C所示。
在桁架後端的拉杆中導入預應力可以調節桁架前端的高度；在前部拉杆中導入預應力，保證了抗風吸和地震下的穩定。
施工安裝方面，首先是建造相對獨立的懸臂桁架結構，整體吊裝、安裝在鉸接支座上。調節前後的鋼拉杆，使其幾何就位。這樣無需施工台架，50米長的桁架結構在2個小進左右即安裝完成。
兩榀主桁架之間的次結構採用小型的拱。同時，拱結構使屋蓋頂面起伏，為覆蓋張拉膜提供了條件。
下關市 唐戶市場，2001
特點：預製混凝土 + 張弦
工程設計：齋藤公男+KKS
唐戶市場朝向關門海峽，是歷史悠久的批發市場。市場大樓是有著大跨度挑空空間的三層建築，最大跨度約44.8米，採用了耐海鹽腐蝕的預製預應力混凝土構件。
唐戶市場的屋頂，最引人注目的就是鋼索和預應力斜拉式張弦結構，以及異形凹凸的預製混凝土屋面板。
從剖面上看，結構的形態近似兩跨連續梁的彎矩圖，鋼索和鋼拉杆都布置在彎矩圖的受拉一側，混凝土屋面則作為壓桿。
屋面外部斜拉的鋼索和高聳的支撐柱像是漁船的桅杆，與海邊的風景緊密地聯繫在一起。
船橋日大前站，1995
特點：框架 + 張弦
工程設計：齋藤公男
船橋日大前站是一個含有地鐵、展示等多功能的空間。結構設計的方案是，用鋼拉索加強的框架結構，以較小的框架截面實現車站的無柱空間。
拉索的布置方式很像小時候的翻繩遊戲，最多有6根鋼索匯交。施加了預應力的鋼索，能夠同時提高原框架結構在豎向和水平向的承載力。
虹拱-人力可伸展的空間結構，2002
工程設計：齋藤公男
虹拱的概念是用剪刀形交叉的剛性桿實現整體的可伸展，再引入柔性張拉杆使其成為穩定的結構。
搭建時的順序與出雲穹頂的安裝類似，順序是：1-將剛性構件伸展開；2-將兩片剛性構件鉸接連接(最終的拱頂位置)；3-覆蓋膜材；4-提升中心點；5-固定拱腳。虹拱結構的搭建過程很簡單，可用於展覽會、救災等的臨時建築。
齋藤教授專註於輕型空間結構的研究和應用。他認為建築如同編織，以技術為縱軸，以感性為橫軸。歷史上，技術的縱軸不斷向前發展從未間斷，而作為感性的橫軸一如時代潮流的變遷，與技術交織著。建築設計在「想像力」(image)與「技術」(technology)上的交織不曾間斷。
他將空間結構歷史上，那些「交織點」的故事，整理出版了一本書，薦書鏈接《空間結構的發展與展望》。書中的案例和故事十分有趣，是小i 學習結構的啟蒙教材。
齋藤教授提出了一個新名詞「Archi-neering Design」，用以代表「建築與工程技術」設計一體化，亦翻譯為「結構建築學」。他希望技術與藝術能雙向的交流和推進，建築與結構能密切合作，創造出性能與美學融合的建築作品。
參考文獻
1.建築結構創新工學，日本建築學會著，郭屹民等譯
2.空間結構的發展與展望，齋藤公男著，季小蓮等譯
3.日本結構技術典型實例100例，日本建築構造技術者協會
4.JSCA結構技術進步編集WG
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