論建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)計的協(xié)調(diào)統(tǒng)一畢業(yè)論文

1、論建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)計的協(xié)調(diào)統(tǒng)一 摘要：建筑是建筑物和構(gòu)筑物的總稱，它是運用一定的科學規(guī)律和美學法則創(chuàng)造的人工環(huán)境。任何建筑物必須滿足三個要求:(1)功能性。建筑房屋是為了一定的目的,它要能滿足人類的使用要求,即要求適用。(2)安全性。所蓋的房屋在使用期間決不能倒塌或破壞,能抗御各種自然和人為災害的襲擊,即要求堅固。(3)藝術(shù)性。房屋在滿足功能性和安全性之后,還應該注重它的藝術(shù)性,即要求美觀。為了達到房屋“適用、堅固、美觀”的要求,需要建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備各工種設(shè)計人員通力合作,共同完成任務。而結(jié)構(gòu)設(shè)計的好直接壞關(guān)系到建筑物是否適用、經(jīng)濟、美觀。特別在高烈度地震區(qū)，建筑必須在滿足結(jié)構(gòu)抗展要求的前提下，才

2、能談得上建筑物的造型美觀、功能完善等等。關(guān)鍵詞： 建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；合理性；經(jīng)濟性；安全性；結(jié)合1 緒論1.1 概述現(xiàn)代化建筑物的設(shè)計要求越來越嚴格，所以，在建筑設(shè)計優(yōu)化過程中更要注重結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、建筑的美觀性、安全性和耐用性。因此在建筑行業(yè)廣泛興建的過程，建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的雙重概念整合出現(xiàn)在建筑施工過程中，使得兩者緊密地聯(lián)系在一起，從而從根本上保證了建筑的效用最大化。結(jié)構(gòu)設(shè)計需要務實，建筑設(shè)計需要創(chuàng)新。但是兩者又是缺一不可的，任何一個項目設(shè)計都必須要協(xié)調(diào)好結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑設(shè)計，只有協(xié)調(diào)好雙方的關(guān)系，一個建筑工程設(shè)計才能完成，所以說建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計是協(xié)調(diào)統(tǒng)一的。結(jié)構(gòu)存在于建筑中，代表著一種

3、秩序。隨著社會高速的發(fā)展，各個領(lǐng)域都呈現(xiàn)了劇烈的變化，各種學科、各種思潮相互滲透和融合，前所未有。建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始不甘寂寞，只發(fā)揮基本的承受荷載功能的技術(shù)性質(zhì)，開始嘗試結(jié)構(gòu)的獨特的具備建筑學的美學元素的藝術(shù)性潛能。要成就一座建筑所不可缺的三個基本條件：材料、結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成建筑內(nèi)部空間和建筑產(chǎn)生形態(tài)的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)存在于建筑空間之中，建筑無法脫離結(jié)構(gòu)而存在，結(jié)構(gòu)是建筑的骨骼，它傳遞荷載，支撐著建筑，是它保證著建筑的力學平衡、幾何穩(wěn)定、強度和剛度。在高層建筑中，由于結(jié)構(gòu)是以水平荷載為主要控制荷載，故結(jié)構(gòu)體系的選型和結(jié)構(gòu)布置要考慮最有利于抗震和抗風的要求。同時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸還要滿足剛度和版性的要

4、求。這樣便對建筑設(shè)計形成了一定的約束和限制，使建筑與結(jié)構(gòu)二者相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一。1.2 建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概念 建筑設(shè)計是建筑學的核心內(nèi)容。根據(jù)經(jīng)驗，建筑設(shè)計主要有五個基本的工作階段：搜集資料、初步方案、初步設(shè)計、施工圖紙和詳圖等。建筑設(shè)計主要是在建造之前按要求將施工、使用過程中的隱患問題進行設(shè)想，以圖紙和文本形式制定解決問題的方案。建筑設(shè)計是整個建筑工程在備料、施工、使用等各個環(huán)節(jié)互相配合協(xié)作的共同依據(jù)，為整個工程提供詳細的執(zhí)行方案，使建筑物充分滿足用戶的需求。從某種角度看，建筑設(shè)計具有一定的預見性，它要全面預見到擬建建筑目前已經(jīng)存在或者將來可能發(fā)生的各種問題，并在設(shè)計過程中從宏觀到微觀、從

5、整體到局部、從功能到構(gòu)造逐步深化和實踐。結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑設(shè)計的依據(jù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務是根據(jù)建筑物的功能體現(xiàn)、藝術(shù)追求和技術(shù)要求等，提供合理的建筑構(gòu)造方案。為了滿足建筑物各部分的使用功能，需要在構(gòu)造設(shè)計中綜合考慮結(jié)構(gòu)選型、材料選用、施工方法以及各種結(jié)構(gòu)件的加工制造工藝等問題。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，建筑學各學科的專業(yè)化程度也越來越高，建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計這兩個學科的相互配合與統(tǒng)一也就越來越重要。一個完美的建筑設(shè)計，離不開同等完美的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而后者又恰恰是整個建筑物安全、可靠、經(jīng)濟、美觀的最根本保障。因此，在工程實踐中，人們往往以建筑設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的有機結(jié)合來實踐建筑藝術(shù)。1.3 建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)計

6、協(xié)調(diào)統(tǒng)一的意義 （1）美觀與安全需求。 建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)極易發(fā)生矛盾,要求雙方都得犧牲自己的合理性,以求妥協(xié)。意大利建筑師和工程師奈維爾曾說過：“建筑必須是一個技術(shù)與藝術(shù)的集合體，而并非是技術(shù)加藝術(shù)”。顯然 結(jié)構(gòu)設(shè)計的立足點在于力學，建筑設(shè)計的立足點則在于美學。技術(shù)與藝術(shù)的有機結(jié)合，力與形的協(xié)調(diào)統(tǒng)一才是一個優(yōu)秀的建筑。“經(jīng)濟有效、物盡其用、用的其所”是我們每一個設(shè)計者應該考慮的首要問題，而自然界的生物體無疑是結(jié)構(gòu)與形式的完美結(jié)合的典型。其構(gòu)成始終遵循著用最少的材料達到最合理的形式，即能低能高效的原則，因為這是億萬年的進化、物競天擇、適者生存所淘汰下來的?，F(xiàn)實生活中就需要我們?nèi)ミM行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)

7、材料、構(gòu)造節(jié)點、力學和力流、藝術(shù)造型上和建筑形式美之間找到一個臨界、平衡的交匯點，以達到用料最少的合理結(jié)構(gòu)。（2）實用性能需求。 我們知道，建筑使人們?yōu)榱藵M足社會生活需要，利用所掌握的物質(zhì)手段，并運用一定的科學規(guī)律和美學法則創(chuàng)造的人工環(huán)境。好的建筑不僅要給人以美的享受、安全感，更要滿足人們的使用要求。me托羅說過：“結(jié)構(gòu)設(shè)計與科學技術(shù)有密切的關(guān)系，然而卻在很大程度上涉及到藝術(shù)，關(guān)系到人們的感受、情緒、適應性以及對合宜的結(jié)構(gòu)造型的欣賞。”建筑空間是一種結(jié)構(gòu)技術(shù)內(nèi)化的空間藝術(shù)，結(jié)構(gòu)對空間形態(tài)的形成有著決定性的作用。由自身的骨架、格架、構(gòu)件、單元、材料等按照空間功能的要求，進行組合、穿插、分割、圍合

8、、切割等手法的處理后，既要保證建筑的強度、剛度和幾何形狀，又要能符合最高效的、最合理的力學原理即為結(jié)構(gòu)。意大利著名的 nardini 釀酒廠，鋼結(jié)構(gòu)、玻璃圍護。有兩部分組成，一部分是上面的懸掛式，由兩個橢圓形透明球組成，靠近研發(fā)中心的實驗室玻璃蒸餾球，另一個像一個天然峽谷埋于地下，用做禮堂和客廳。兩個橢圓空間相鄰而立，既給人藝術(shù)上的美的享受，有很好的展示了它在使用上的合理搭配。同樣，蒙特利爾世界博覽會上西德館，一種帆布帳篷的張力體系的鋼索網(wǎng)狀的張力結(jié)構(gòu)。它以輕柔的材質(zhì)張揚的結(jié)構(gòu)形式給人一種自然、輕巧自由、韻律橫生的感覺，更關(guān)鍵的是它的空間也隨著結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出動態(tài)感，且以這種動感的過渡很完美的實現(xiàn)了

9、功能需求的統(tǒng)一。隨著科技的發(fā)展，人們不僅重視到了資源的稀缺，也更注重精神層面的享受（即對美的追求）、生活的便捷（更希望出現(xiàn)“沙龍式“的建筑）。因此，要用有限的資源建造出滿足人們生活各類需求的在建筑，就要求設(shè)計者們必須把建筑與設(shè)計協(xié)調(diào)統(tǒng)一起來。否則往往只是憑建筑師的靈感隨手一揮而誕生出許多創(chuàng)新的建筑方案，卻只會苦了結(jié)構(gòu)工程師。最終也往往會是結(jié)構(gòu)工程師認為這是好的建筑方案，但是不可為的結(jié)構(gòu)方案或者得花費巨大代價才只能勉強解決，這就是現(xiàn)在并不罕見的“湊合工程”的來源。著名的悉尼歌劇院就是其中的一朵奇葩。它位于悉尼大橋附近的班尼浪半島上,是各國船只進出港時必經(jīng)之地,因此悉尼歌劇院這一組像群帆泊港、似白

10、鶴飛翔的造型奇特的建筑群,就格外引人注目,吸引了無數(shù)的國外旅游者。應該說,它的建筑方案是很有特點的,八個薄殼分成兩組,每組4個,分別覆蓋兩個大廳;另外,還有兩個小薄殼置于餐廳之上。兩組薄殼對稱互靠,外貼乳白色面磚,給人以豐富的聯(lián)想:好像白帆,有如貝殼,姿同海浪,貌似蓮花。它已經(jīng)成為悉尼的標志,無疑是很成功的。然而,這位杰出的建筑師,對結(jié)構(gòu)方案卻考慮得太少了。這10個雙曲殼體向上懸臂斜挑,姿態(tài)各異。原方案中,10個殼體殼形各異,后來為了施工方便和經(jīng)濟因素,才統(tǒng)一在一個直徑為75m的圓球面上,割出大小不同的三角瓣,分別作為10個殼體的曲面,以利預制。這個工程的結(jié)構(gòu)方案最致命的缺點是,選錯了結(jié)構(gòu)形式

11、。悉尼歌劇院的殼體,都是懸臂斜向懸挑,當受重力作用時,殼體內(nèi)根本不是薄膜壓應力,殼體的優(yōu)越性完全沒有了。當受風力作用時,如風力作用于殼體凸面,則在殼體自重的聯(lián)合作用下,更增加了使殼體的傾覆。因此,從結(jié)構(gòu)力學的觀點看,這組殼體根本無法實現(xiàn)。但這組建筑外形的確獨特,也不忍割愛,只好在保留外形的條件下,改變內(nèi)涵的結(jié)構(gòu)形式。最后決定采用由許多大小不同的三鉸拱并列拼接而成的“殼體”。三鉸拱為鋼筋混凝土預制構(gòu)件,截面是y型和t型,挺立的拱肋由大而小,順序成對并列,拼湊成“殼體”曲面。這個工程1957年選中方案。1959年動工,直到1973年完工,工期長達14年。預算造價350萬英磅,實際造價5000萬英磅

12、,超過十多倍?？梢娊ㄖ煹脑O(shè)計方案,不管多么出類拔萃,如果不同結(jié)構(gòu)工程師密切配合,其后果將是何等嚴重!2 現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題2.1 現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的扭轉(zhuǎn)問題幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心被稱為建筑結(jié)構(gòu)的三個核心，在進行建筑設(shè)計的時候，要保證建筑結(jié)構(gòu)的三個核心盡可能的集中在一個點上，那就是三心合一的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題是說，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中沒有實現(xiàn)三心合一的結(jié)構(gòu)要求，從而造成在水平荷載作用下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動的問題。為了避免由于在水平荷載作用下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)發(fā)生損害的問題，應該在結(jié)構(gòu)設(shè)計上選擇一個合理的結(jié)構(gòu)和布局，盡可能使建筑物在荷載水平作用上盡可能的做到三心合一。2.2 現(xiàn)代建筑結(jié)

13、構(gòu)設(shè)計中存在的共振問題在建筑施工現(xiàn)場發(fā)生地震時，如果建筑的自振周期和場地的特征周期接近，就會造成建筑物和地面產(chǎn)生共振現(xiàn)象。因此建筑工地在進行建筑設(shè)計時，應通過調(diào)整結(jié)構(gòu)層的特征周期進行評估，選擇相應的結(jié)構(gòu)類別和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并增加建筑物的自振周期和建設(shè)場地特征周期差異，盡量避免出現(xiàn)共振的地方。2.3現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的水平側(cè)向位移問題水平側(cè)向位移就算是達到了規(guī)定的結(jié)構(gòu)要求，也不能夠說明結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。還需要考慮到力的大小、周期和地震綜合因素。由于抗震設(shè)計和地震強度大小、結(jié)構(gòu)剛度有著直接的關(guān)系。當結(jié)構(gòu)剛度小、結(jié)構(gòu)不合理的時候，因為地震力太小會造成結(jié)構(gòu)的位移范圍也小，這就使得位移在結(jié)構(gòu)容許的范圍內(nèi)

14、，則此結(jié)構(gòu)不能被認為是合理的。由于一個長周期的結(jié)構(gòu)，地震力小反而不是安全的。其次，位移曲線應該是連續(xù)變化的。除沿豎向剛度突變發(fā)生外，應該有明確的拐點或轉(zhuǎn)折點。在正常情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線應是彎曲的。框架結(jié)構(gòu)的位移曲線應該是剪切型的，即框-剪結(jié)構(gòu)和框-筒結(jié)構(gòu)的位移曲線應彎剪型。3 如何協(xié)調(diào)建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)計隨著現(xiàn)代化的快速發(fā)展，建筑行業(yè)的發(fā)展速度也在不斷增加，越來越多的人都對建筑的要求越來越高。除了應該具備的基本功能外，還要求具有美觀、多功能等要求。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的考慮將變得更加謹慎，并始終跟隨時代的腳步。在建筑設(shè)計過程中，越來越注重生態(tài)建筑的設(shè)計理念。堅持以人為本的原則，實

15、現(xiàn)人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展的重要要求，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的建筑目標。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)合理、安全應用、施工簡單，這些始終都是經(jīng)濟合理的建設(shè)要求。因此在建設(shè)規(guī)劃過程中，對于建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的有機結(jié)合和協(xié)調(diào)是勢在必行的，應盡可能的將二者結(jié)合起來應用在建筑細節(jié)上。3.1 雙曲拋物面殼作屋蓋結(jié)構(gòu) 雙曲拋物面殼形如馬鞍,它在一個方向向下彎曲,作用如薄拱,內(nèi)力是壓應力;而在另一個與之相垂直的方向,作用如懸索,內(nèi)力是拉應力。它雖然是雙曲殼,但兩個相互垂直方向的曲率是相反的,因此它可以由一族直線組成,形成所謂直紋曲面。雙曲拋物面殼作屋蓋能把建筑功能上需要的圍護構(gòu)件與結(jié)構(gòu)承重上需要的受力構(gòu)件結(jié)合起來,一身二任。同時,

16、它具有雙向相反彎曲的外形,屋面排水流暢快速,不易積水。加之兩塊殼板之間的接縫,位于截面的高處,雨水無法積存,因之構(gòu)件間接縫容易處理。殼板的體型也比較小,以24m跨度馬鞍形殼板為例,總高度才1.06m,而同樣跨度的梯形屋架,跨中高度達.4075.m相差約3mo可見采用雙曲拋物面殼作屋蓋,可節(jié)省建筑空間的體積。3.2索網(wǎng)屋蓋中間設(shè)置受力結(jié)構(gòu)一個方向的主索(承重索)向下彎曲,與之垂直的另一個方向的副索(穩(wěn)定索)向上彎曲,主索如同懸索結(jié)構(gòu)受拉力,副索壓在主索上,如同拱一樣,對索網(wǎng)起穩(wěn)定作用。眾所周知的，美國耶魯大學的溜冰場它的屋蓋就是雙向索網(wǎng)結(jié)構(gòu),整個屋蓋一分為二,中間用一個落地拱把它分開。因此在場地

17、中央運動員活動的地方恰是拱頂部分,凈空最大,建筑功能與結(jié)構(gòu)承重毫無矛盾。其實耶大冰球場屋蓋也可以理解為原本是整個雙向索網(wǎng)結(jié)構(gòu),由于中間承重索下垂度太大,影響功能使用,故在場地中間設(shè)置一落地拱,即給承重索中間加一個支點,把它頂上去,將它一分為二,變成兩段承重索,這兩段承重索因跨度少了一半,下垂度亦相應減少,且位置向兩側(cè)移開,使得場地中間運動員活動之處,凈空變得最大。當然,這個中間承重結(jié)構(gòu)可以是落地拱,也可以是析架、懸索、索拱結(jié)構(gòu)等其他可用結(jié)構(gòu)。3.3 縱橫框剪結(jié)構(gòu)現(xiàn)在中國建筑科學研究院設(shè)計所做了一個縱框橫剪結(jié)構(gòu)方案, 這種新結(jié)構(gòu)是取消全部橫向框架,代之以適當數(shù)量的橫向剪力墻。因此,橫向除了剪力墻

18、外,沒有橫向梁,而縱向仍為縱向框架結(jié)構(gòu)。縱橫向水平力分別由縱向框架和橫向剪力墻承擔。從建筑方面看,橫向剪力墻將整個房屋劃分為一個個獨立的子空間,每個子空間可以有完全不同的建筑功能。由于沒有橫向框架,柱子在橫向無須整齊排列,也就是說,縱向各棍框架的柱距可以自行根據(jù)需要調(diào)整,不必劃一。這給建筑師在子空間內(nèi)布置房間以極大的自由。從結(jié)構(gòu)方面來說,好處更大。它具備框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩者的優(yōu)點,充分發(fā)揮兩者的效能。在房屋縱向,高寬比比較小,加之跨數(shù)多,采用縱向框架也無大礙,能抵抗縱向水平力。在房屋橫向,高寬比比較大,如用框架,則剛度太弱;現(xiàn)用橫向剪力墻,大大提高了房屋的橫向剛度。這種結(jié)構(gòu)方案最大的好處是

19、能使房屋在縱橫兩個方向的側(cè)向剛度大體相當,能充分發(fā)揮其整體抗側(cè)力能力。而一般結(jié)構(gòu)體系的房屋則常是縱橫向的剛度不一樣。當然，隨著科學技術(shù)的發(fā)展如今解決這類問題的方案遠不止這些，還有：對于高層建筑采用框剪結(jié)構(gòu)、將拱形結(jié)構(gòu)用于屋蓋、利用空心管柱的空心部分作為落水管等相應管道等等，這里就不一一例舉了。4 結(jié)論 建筑的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個方面：一是人們對建筑功能的要求，以及人們對建筑審美方面的要求；二是人們對建筑結(jié)構(gòu)和技術(shù)方法的要求。這兩個方面是辯證統(tǒng)一的。建筑功能對建筑結(jié)構(gòu)的要求多種多樣，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定每一種建筑功能都需要有相應的結(jié)構(gòu)方法來實現(xiàn)，而每一種結(jié)構(gòu)類型由于受力情況、構(gòu)件組成等差異造成的空間形式的局限性，因此在建筑工程的設(shè)計階段要將其功能要求與結(jié)構(gòu)要求相結(jié)合。任何一個建筑設(shè)計方案，都會對具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生影響，而有限的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)水平又制約著建筑設(shè)計層次。因此，在做建筑設(shè)計的過程中，建筑師應具備有一定的結(jié)構(gòu)方面基礎(chǔ)，能與結(jié)構(gòu)設(shè)計適當結(jié)合，相互調(diào)協(xié)，使二者相統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)設(shè)計需要務實，建筑設(shè)計需要創(chuàng)新。但是兩者又是缺一不可的，任何一個項目設(shè)計都必須要協(xié)調(diào)好結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑設(shè)計，只有協(xié)調(diào)好雙方的關(guān)系，一個建筑工程設(shè)計才能完成，所以說建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計是協(xié)調(diào)統(tǒng)一的。參考文獻