農(nóng) 海

柳州市建筑設(shè)計(jì)科學(xué)研究院 廣西 柳州 545001

【摘 要】在大力倡導(dǎo)建設(shè)綠色家園的時(shí)代背景下，鋼結(jié)構(gòu)作為一種可回收的材料，在建筑上逐漸受到廣泛的關(guān)注。隨著鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)用到實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中，并獲得了極大的認(rèn)可和關(guān)注。本文將從鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征及其結(jié)構(gòu)形式和空間造型方面進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；建筑結(jié)構(gòu)；表現(xiàn)；空間造型

0引言

跟傳統(tǒng)的建筑材料相比，鋼的性能更加優(yōu)越，它是一種輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，有著極強(qiáng)的抗壓和抗拉性能，這也決定了其獨(dú)特的造型表現(xiàn)潛力及設(shè)計(jì)策略。在早期的鋼結(jié)構(gòu)的建筑中，由于在傳統(tǒng)的審美觀念下，鋼結(jié)構(gòu)僅僅是用來(lái)作為建筑結(jié)構(gòu)的支撐，主體部分仍然是以石砌結(jié)構(gòu)為主，在建筑行業(yè)飛速發(fā)展的今天，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的審美要求越來(lái)越高，因此對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)表現(xiàn)能力得到了很大的發(fā)揮，在很多的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，我們可以看到那些鋼鐵構(gòu)件優(yōu)美的暴露在表面，給建筑帶來(lái)了極好的視覺效果，并且依然能保證有著優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)性能。

1 形態(tài)特征

1.1虛空的桿件體系

鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)主要是以桿件體系為主，且都為細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，即結(jié)構(gòu)的構(gòu)件長(zhǎng)度要遠(yuǎn)大于其截面尺寸，比如梁、柱、拉壓桿等。結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)空間邊界的限定作用不強(qiáng)，這些桿件可以設(shè)置在圍護(hù)表層以內(nèi)，也可以設(shè)置在圍護(hù)表層以外，若沒(méi)有這些圍護(hù)表層，就可以呈現(xiàn)出很好的視覺效果。雖然鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間具有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，但其構(gòu)件大多細(xì)小，構(gòu)件在空間中可以相互串通，具有很大的靈活性。

對(duì)于一些在鋼結(jié)構(gòu)中經(jīng)常用的鋼材，比如型鋼、線材等都是以半成品的方式出現(xiàn)，這些構(gòu)件之間的連接主要是以點(diǎn)為連接方式，并且這些材料的強(qiáng)度都非常高，比較小的截面面積就可以承受很大的荷載。因此，鋼結(jié)構(gòu)大多是以桿件體系作為主要的結(jié)構(gòu)。

1.2構(gòu)件形式各異

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其材料具有很高的強(qiáng)度，組成結(jié)構(gòu)的這些桿件的長(zhǎng)度很大，截面尺寸相對(duì)較小，因此在承受相同的荷載下，鋼構(gòu)件的截面尺寸是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磚石結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的截面尺寸，所以，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度都要小于相同條件下的混凝土結(jié)構(gòu)的剛度。由于這種情況的存在，對(duì)于構(gòu)件或結(jié)構(gòu)就需要著重考慮其穩(wěn)定性。因此在構(gòu)件設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要作為控制性因素進(jìn)行考慮。比如鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在收到軸向壓力的時(shí)候，其控制性因素并不是材料的強(qiáng)度而是其穩(wěn)定性。

在鋼結(jié)構(gòu)中經(jīng)常會(huì)用到各種形式的穩(wěn)定性構(gòu)件來(lái)防止失穩(wěn)破壞，如在鋼梁上經(jīng)常用到的加勁肋，格構(gòu)柱上使用的綴條；鋼屋架之間的橫向和縱向支撐桿和高層結(jié)構(gòu)中經(jīng)常用到的各種拉桿，這些都是通過(guò)各種有效的措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

另外，在結(jié)構(gòu)的平衡和穩(wěn)定中，拉桿起著非常大的作用，大多出現(xiàn)在帶有索的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，如懸索結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)、帳篷結(jié)構(gòu)、索桿結(jié)構(gòu)等，這也在根本上改變了傳統(tǒng)建筑基于受壓理論的空間造型特征，讓結(jié)構(gòu)看起來(lái)更加美觀雅致，給人一種飄然的感覺。在一些特殊的結(jié)構(gòu)中，甚至還會(huì)給人一種奇妙、刺激驚險(xiǎn)的藝術(shù)效果。要充分利用鋼材結(jié)構(gòu)特征多樣的性能，必須在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)處理，創(chuàng)造出造型獨(dú)特的鋼結(jié)構(gòu)建筑。

1.3細(xì)部構(gòu)造精美

焊接、鉚接和螺栓連接是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的基本方式，這些構(gòu)件及其連接件大多都是在工廠預(yù)制，并能達(dá)到很高的精確度，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的連接，其精確度和美觀度要充分表現(xiàn)出來(lái)，結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)是要進(jìn)行力的傳遞，且是多種材料交匯連接的地方。對(duì)于現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)不僅要保證安全的傳遞荷載，還要具有優(yōu)美的表觀效果。因此這就需要通過(guò)高科技進(jìn)行加工并采用巧妙的構(gòu)造方式，讓這些結(jié)構(gòu)中的細(xì)部構(gòu)造體現(xiàn)出美感，散發(fā)出鋼結(jié)構(gòu)建筑的魅力。

2結(jié)構(gòu)形式與空間造型多樣

在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了滿足建筑各方面的要求，要合理組織和確定結(jié)構(gòu)各部分的傳輸系統(tǒng)和傳力方式，并將其有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。這不僅要考慮和解決好建筑功能方面問(wèn)題，還必須得利用邏輯思維對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的創(chuàng)新，并展現(xiàn)優(yōu)美的建筑藝術(shù)。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑來(lái)說(shuō)，在形式上有巨大的潛力去探索，但這都是以鋼結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能為基礎(chǔ)進(jìn)行探索，從各個(gè)角度尋找創(chuàng)新靈感，一些創(chuàng)新形的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于現(xiàn)實(shí)社會(huì)來(lái)說(shuō)不是經(jīng)濟(jì)的，但是在科學(xué)的分析中確實(shí)經(jīng)濟(jì)合理的。對(duì)于一些具有高科技的建筑形式主要采用的是張拉、向心、開放式結(jié)構(gòu)體系。

2.1張拉結(jié)構(gòu)體系

在鋼結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)之前，由于砌體和鋼筋混凝土的抗拉強(qiáng)度極低，結(jié)構(gòu)內(nèi)力基本上都是通過(guò)壓力作用方式傳遞。當(dāng)結(jié)構(gòu)受風(fēng)和地震的水平作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉力，就需要通過(guò)各種方式將拉力減小或轉(zhuǎn)化成壓力。自從鋼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，以前的結(jié)構(gòu)觀念完全改變，由于鋼具有良好的拉伸性能，特別是各種拉力索用于促進(jìn)各種新形式的張力系統(tǒng)的出現(xiàn)，如懸掛結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)由于掛點(diǎn)的需求往往設(shè)有很高的頂柱、鋼架等凸出物，形成的立柱、支撐等構(gòu)件大多暴露在空氣中，因此這些線元素給人帶來(lái)了一種復(fù)雜的視覺特征。下圖1為張拉結(jié)構(gòu)。

圖1 張拉結(jié)構(gòu)

2.2向心結(jié)構(gòu)體系

平面體系幾何不穩(wěn)定是以平行四邊形為特征，從中產(chǎn)生過(guò)很多建筑形式，如古埃及的巨石建筑，羅馬的柱式建筑以及現(xiàn)在的框架結(jié)構(gòu)建筑。這種形式的自身就存在不足，這種形式的結(jié)構(gòu)每當(dāng)增加高度或者跨度，都會(huì)使其自重成倍增加。向心結(jié)構(gòu)體系則與此相反，其以符合力學(xué)特征為基礎(chǔ)的幾何形式，從中產(chǎn)生了哥特式建筑，羅馬拱券以及今天的高層和大跨度建筑。

向心結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展加速了建筑業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也伴隨著幾何學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用，這種向心體系和平面體系相比有著很大的優(yōu)越性：①創(chuàng)造的建筑內(nèi)部有巨大的無(wú)支撐空間或超高層建筑結(jié)構(gòu)；②使用更多預(yù)制的小空間單元，生產(chǎn)、裝卸方便；③以高強(qiáng)度覆蓋一般空間或起支撐體作用，在上面可以隨意懸掛其他構(gòu)件。

2.3開放式結(jié)構(gòu)體系

正是先進(jìn)的技術(shù)推動(dòng)了對(duì)于結(jié)構(gòu)開放式的追求，使建筑結(jié)構(gòu)的空間呈現(xiàn)出開放性和生長(zhǎng)性。可以說(shuō)的是，開放式的結(jié)構(gòu)和空間是源自于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。生態(tài)系統(tǒng)本身就是一個(gè)高度有序的開放式系統(tǒng)，因此對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的有序性體現(xiàn)在空間結(jié)構(gòu)的規(guī)則和時(shí)間上有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)秩序。所以說(shuō)，首要的是要求建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有開放性。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由很多不同大小的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，依照相應(yīng)的等級(jí)和次序裝配而成，隨著建筑的維護(hù)、更新和擴(kuò)建，其內(nèi)部空間和外在形象是允許轉(zhuǎn)變的，允許各種性質(zhì)各異的變化，使建筑像生命一樣新陳代謝，長(zhǎng)時(shí)間發(fā)揮其作用，增強(qiáng)建筑的靈活性和適應(yīng)性。

對(duì)于高水平建筑師們?cè)陂_放性結(jié)構(gòu)上的探究可以總結(jié)為三點(diǎn)①利用先進(jìn)化的工業(yè)生產(chǎn)方式和結(jié)構(gòu)單元通過(guò)預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件進(jìn)行組合，然后將這些單元進(jìn)行組裝形成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以門、窗、墻板、屋面板等維護(hù)結(jié)構(gòu)維護(hù)分割或覆蓋整個(gè)結(jié)構(gòu)，，共同承擔(dān)建筑的自重及所受的外荷載的作用。②使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有較大的靈活多變性。并讓各個(gè)系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合在一起，為今后可能出現(xiàn)的建筑修筑、改建或擴(kuò)建提供方便，讓室內(nèi)和室外的空間布置更加靈活。對(duì)于可能發(fā)生的空間使用和安裝設(shè)備的變化提供可能性。使建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能夠變成有序的動(dòng)態(tài)開放的形式，對(duì)于物質(zhì)和能量的交換，在各個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部與外部環(huán)境之間都可以進(jìn)行。③對(duì)于建筑材料的選用，要選取質(zhì)量輕和強(qiáng)度高的材料，集成化和工業(yè)化程度要高，采用可方便裝卸的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件