對鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的一些看法

農(nóng) 海

柳州市建筑設(shè)計科學(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)被廣泛運用到實際建筑結(jié)構(gòu)中，并獲得了極大的認可和關(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)高強的材料，有著極強的抗壓和抗拉性能，這也決定了其獨特的造型表現(xiàn)潛力及設(shè)計策略。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，對于建筑結(jié)構(gòu)的審美要求越來越高，因此對于鋼結(jié)構(gòu)建筑來說，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，且都為細長構(gòu)件，即結(jié)構(gòu)的構(gòu)件長度要遠大于其截面尺寸，比如梁、柱、拉壓桿等。結(jié)構(gòu)構(gòu)件對空間邊界的限定作用不強，這些桿件可以設(shè)置在圍護表層以內(nèi)，也可以設(shè)置在圍護表層以外，若沒有這些圍護表層，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)件大多細小，構(gòu)件在空間中可以相互串通，具有很大的靈活性。

對于一些在鋼結(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為連接方式，并且這些材料的強度都非常高，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

對于鋼結(jié)構(gòu)來說，其材料具有很高的強度，組成結(jié)構(gòu)的這些桿件的長度很大，截面尺寸相對較小，因此在承受相同的荷載下，鋼構(gòu)件的截面尺寸是遠遠小于磚石結(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)計或結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要作為控制性因素進行考慮。比如鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在收到軸向壓力的時候，其控制性因素并不是材料的強度而是其穩(wěn)定性。

在鋼結(jié)構(gòu)中經(jīng)常會用到各種形式的穩(wěn)定性構(gòu)件來防止失穩(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，這些都是通過各種有效的措施來提高結(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，甚至還會給人一種奇妙、刺激驚險的藝術(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，對其進行合理的設(shè)計處理，創(chuàng)造出造型獨特的鋼結(jié)構(gòu)建筑。

1.3細部構(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，并能達到很高的精確度，對于節(jié)點的連接，其精確度和美觀度要充分表現(xiàn)出來，結(jié)構(gòu)的節(jié)點是要進行力的傳遞，且是多種材料交匯連接的地方。對于現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)來說，節(jié)點不僅要保證安全的傳遞荷載，還要具有優(yōu)美的表觀效果。因此這就需要通過高科技進行加工并采用巧妙的構(gòu)造方式，讓這些結(jié)構(gòu)中的細部構(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，并將其有機的結(jié)合起來。這不僅要考慮和解決好建筑功能方面問題，還必須得利用邏輯思維對建筑結(jié)構(gòu)進行科學(xué)的創(chuàng)新，并展現(xiàn)優(yōu)美的建筑藝術(shù)。對于鋼結(jié)構(gòu)建筑來說，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)進行探索，從各個角度尋找創(chuàng)新靈感，一些創(chuàng)新形的結(jié)構(gòu)形式對于現(xiàn)實社會來說不是經(jīng)濟的，但是在科學(xué)的分析中確實經(jīng)濟合理的。對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度極低，結(jié)構(gòu)內(nèi)力基本上都是通過壓力作用方式傳遞。當結(jié)構(gòu)受風和地震的水平作用，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)每當增加高度或者跨度，都會使其自重成倍增加。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

正是先進的技術(shù)推動了對于結(jié)構(gòu)開放式的追求，使建筑結(jié)構(gòu)的空間呈現(xiàn)出開放性和生長性?？梢哉f的是，開放式的結(jié)構(gòu)和空間是源自于對生態(tài)系統(tǒng)的認識。生態(tài)系統(tǒng)本身就是一個高度有序的開放式系統(tǒng)，因此對于建筑結(jié)構(gòu)來說，系統(tǒng)的有序性體現(xiàn)在空間結(jié)構(gòu)的規(guī)則和時間上有規(guī)律的運動秩序。所以說，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)的等級和次序裝配而成，隨著建筑的維護、更新和擴建，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，長時間發(fā)揮其作用，增強建筑的靈活性和適應(yīng)性。

對于高水平建筑師們在開放性結(jié)構(gòu)上的探究可以總結(jié)為三點①利用先進化的工業(yè)生產(chǎn)方式和結(jié)構(gòu)單元通過預(yù)制的標準化構(gòu)件進行組合，然后將這些單元進行組裝形成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以門、窗、墻板、屋面板等維護結(jié)構(gòu)維護分割或覆蓋整個結(jié)構(gòu)，，共同承擔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。并讓各個系統(tǒng)有機的結(jié)合在一起，為今后可能出現(xiàn)的建筑修筑、改建或擴建提供方便，讓室內(nèi)和室外的空間布置更加靈活。對于可能發(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)能夠變成有序的動態(tài)開放的形式，對于物質(zhì)和能量的交換，在各個系統(tǒng)的內(nèi)部與外部環(huán)境之間都可以進行。③對于建筑材料的選用，要選取質(zhì)量輕和強度高的材料，集成化和工業(yè)化程度要高，采用可方便裝卸的標準預(yù)制構(gòu)件