3.结构体系的发展与结构创新
著名的结构专家托罗哈(Torroja,E.)曾说过：最佳结构有赖于其自身受力之形体，而非材料之潜在强度。这就是说采用高强度材料只解决问题的一个方面，还必须寻找形体合理的结构，使其能够充分发挥材料的潜力。相应于建筑结构材料大致经历了“土、木、石→钢筋混凝土与钢→新型轻质高强材料”的发展过程，建筑结构体系的发展大致经历了“以受压为主→受拉为主→组合(拉压)→多功能”的路径。以下针对近几十年来发展比较活跃的多高层结构体系、大跨度结构体系进行说明。
第一，多高层结构。城市人口集中，用地紧张以及商业竞争的激烈化，促使了现代多、高层建筑的出现与发展。随着房屋由低层到高层的发展，在风荷载和地震作用下，房屋的抗侧力问题逐渐成为关键因素。为了提高房屋的抗侧力刚度，结构的体系不断创新和发展。1885年美国用钢框架结构体系建成了世界上第一幢现代钢结构高层建筑——家庭保险大楼(HomeInsuranceBuilding，高10层)，12年后，美国又建成了第一幢现代钢筋混凝土高层建筑——因格尔斯大楼(IngallsBuilding)。此后，框架结构体系沿用多年。当人们认识到轴力杆系比弯曲杆系能够更有效地抵抗水平荷载时，就创新地提出了支撑——框架结构体系。然而，当建筑达到一定高度时，由于支撑系统高宽比过大，抗侧力刚度会显著降低，因此又衍生出了抗侧刚度更强的带伸臂桁架的支撑——框架体系。与此同时，人们认识到用混凝土剪力墙在水平力作用下的工作犹如悬臂深梁，其抗弯惯性矩大，能够大大提高结构的抗侧刚度，这就形成了高层建筑中的剪力墙结构体系和框架——剪力墙结构体系。1968年约翰·汉考克中心(JohnHancockCenter，100层)的建成，形成一个新概念——将高层建筑看成一个巨大的、中空的，由地基升起的竖向悬臂杆，在结构上称之为筒体结构。如果既有内筒又有外筒，则称为筒中筒。1974年，当时的世界第一高楼西尔斯大厦的建成又将筒体结构发展为束筒体系。筒中筒和束筒结构体系减小了框筒结构剪力滞后效应，整体结构的抗侧刚度得到进一步的增强。将高层结构体系的梁、柱、支撑扩展到数个楼层和开间，则可构成巨型框架结构和巨型支撑结构等巨型结构体系。1988年建成的香港中国银行大楼，采用由杆系结构组成的巨型空间结构体系，发展了筒面由斜撑桁架组成的筒体结构体系，使得高层建筑具有更大的侧向刚度。这些不断出现的创新高层结构体系无论在建筑艺术、技术、材料、设备和施工等方面都体现了当时世界最先进的水平。其中筒体结构包括框架筒体、桁架筒体、框架——核心筒、钢桁架——核心筒、筒中筒、成束筒和巨型柱——核心筒——伸臂桁架结构体系，巨型结构体系包括巨型框架结构和巨型桁架结构。对于钢筋混凝土结构，除难以具备巨型结构体系外，也具有其它结构体系，但适用高度和楼层数将有所降低。
从美国的帝国大厦等高层钢结构体系用钢指标可以看出，高层结构体系创新发展的特点除了上述的抗侧力能力不断提高外，还有一个突出的标志就是随着抗侧力体系的高效发展，结构用钢指标在大幅度降低，并得以广泛采用。因此，用钢指标应该成为衡量结构体系优劣的重要指标。
第二，大跨度结构。社会的发展不断向建筑提出新的功能要求，为了实现结构的更大跨度，更加经济和美观，很自然地由平面的梁、拱向平面外扩展演变成了空间结构。相对于平面结构，空间结构具有结构形式丰富、受力合理、重量轻、造价低等优点，成为结构方面近50年来最活跃的研究领域，其结构体系不断创新，理论研究同步发展。
大跨度结构由早期传统的梁肋体系、拱结构体系、桁架体系、薄壳空间结构发展到现代的以刚性杆件组成的网架、网壳等刚性空间结构体系，以索膜等柔性材料为特征的悬索结构、薄膜结构、张拉集成体系等柔性空间结构体系，由不同典型结构体系杂交组成的新的集成结构体系——杂交空间结构体系，以及可展开结构和可折叠结构。其中杂交结构是柔性结构与刚性结构之间的组合，如拉索-网架、拉索-网壳、索-拱、张弦梁、张弦桁架和弦支网壳等。若按空间结构组成的基本单元，即壳单元、梁 柱单元、轴力单元、索单元和膜单元来分类。
与高层结构体系一样，不断创新发展的空间结构新体系在其结构受力更加合理的同时必然是体系更加经济有效，用钢指标在显著下降。对于近年来采用较多的膜结构，其屋盖重量更轻，巨大的英国伦敦“千年穹顶”(穹顶周长1千米，直径365米)，其用钢指标仅为20千克/平方米，又如索穹顶结构的代表作美国佐治亚穹顶(椭圆形平面240.79米×192.02米)，其用钢指标30千克/平方米。
从已建成的大跨度结构可以看出，大跨度结构发展过程的特征是在整体上出现从较重体系向轻型体系发展，从刚性体系向柔性体系发展。同时，在大跨度结构的发展中，采用了大量新材料、新工艺、新技术，结构体系不断创新，而且向着“柔”性化发展，这使得结构表现出很强的非线性特征，因而每一种新结构体系的出现，都可能引出全新的问题需要解决。正因为如此，大跨度结构的发展充分反映了当代建筑结构设计计算理论和施工技术以及科学技术的发展水平，成为了反映一个国家建筑科学技术水平的重要标志。
从多高层结构体系、大跨度结构体系的创新发展过程可以看出，工程中每种新的结构体系的出现，往往是在原有结构体系的基础上，结合某些新的结构概念发展起来的，各种结构体系和设计概念相互渗透与融合，促进了结构体系的创新与发展。
从以上内容可以看出，结构体系的发展是结构创新的核心。
4.结构功能的发展与结构创新
第一，安装控制装置的结构。为了有效地减轻建筑结构在风、地震等动力作用下的反应和损伤累积，有效地提高结构的抗震能力和抗灾能力，结构工程领域的工作者将融合了材料、机械、传感与数据处理、计算机与控制系统等多领域高新技术的振动控制技术应用到建筑结构中，出现了基础隔震结构、被动消能减振结构以及主动、半主动和智能控制结构。隔震桥梁和建筑已在国内外建成了上千座;被动消能减振是继基础隔震之后走向成熟和工程应用，国内外均有大量的工程实例，北美至2000年已建成100余座被动消能减振建筑与桥梁，中国至2003年也已有20余座新建或加固的被动消能减振建筑与桥梁;国内外至2003年主动、半主动和智能控制的高层建筑、电视塔和桥梁等大型结构已经建造有70余座。这些防灾设计采用了具有创新思想的控制结构，在台风和地震作用下初步经受了考验，显示出了良好的抗风和抗震性能。随着现代科学技术的发展，还将形成振动控制设备的新兴产业，显示出智能结构系统的美好前景。
第二，安装健康监测系统的结构。结构在实际使用过程中会出现不同程度的损伤或性能退化，因此为了保障结构的安全性、耐久性和使用性，需要通过某种手段对使用中的结构性能进行检查和监测，以评估其健康状况，必要时采取措施修复或加固。随着现代传感技术、计算机与通讯技术、信号分析与处理技术以及结构动力分析理论的迅速发展，人们提出了结构健康监测的概念。如同听诊器、X光，CT发明给人类带来的进步一样，结构健康监测技术也将给土木工程的建设理念带来革命性的变化。结构健康监测系统通过在结构上安装各种传感器，自动、实时地测量结构的环境、荷载、响应等，对结构的健康状况进行评估，科学有效地提供结构养护管理的决策依据，确保结构安全运营，延长结构使用寿命。国内外近年新建的许多大型桥梁都安装了结构健康监测系统，我国一些大跨度空间结构也安装了结构健康监测系统，如深圳市民中心、北京奥运国家游泳中心等。
第三，具有可展开折叠、开合功能的结构。利用机电、控制、信息、传感、计算机仿真等技术来实现结构的各类现代使用功能的另一个突出的表现就是可展开、可折叠、可开合大跨度结构的建成。
可展开折叠式结构是在未使用时可收缩折叠成捆状或其他形状储存或运输，使用时可在现场展开成型，迅速构成整体结构。该体系特别适用于中小跨度的临时性结构或流动性结构，如抗震救灾紧急需要的现场指挥部及生活用房，流动展览厅等。开合结构是为满足能在各种气候条件下进行体育、文艺和展览等活动的要求而产生的。开合屋盖建筑既能保证不受自然界不利气候影响，又能保持自然气息，使人们重归自然怀抱，因此，可开合结构已成为现代体育建筑的重要发展趋势。具有代表性的开合结构有1988年建成的跨度205米的加拿大多伦多的天空穹顶，它是当时世界跨度最大的开合结构，为平行移动和回转重叠式的空间开合钢网壳结构;2001年建成的日本大分体育场是2002年世界杯足球赛赛场之一，其直径达274米，开合方式为空间平行移动式，它是现代开合屋盖建筑中利用刚性屋盖单元实现开合的最大规模建筑。我国2006年建成的最大跨度达254米的南通体育会展中心主体育馆是国内第一个采用活动开启式球冠钢屋盖的体育场，也是世界上首次将机电液压技术、移动台车多点支撑用于巨型开合结构的工程，其固定屋盖和开启屋盖均为网壳结构。有关开合空间结构移动荷载作用下的计算方法和动力反应是此类结构所特有的技术问题，需要建筑师、结构工程师和机械工程师的全力合作。
从以上内容可以看出，结构功能的发展为结构创新提供了新的需求。
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