建筑設(shè)計中的結(jié)構(gòu)概念

建筑設(shè)計中的結(jié)構(gòu)概念從分子到宇宙，結(jié)構(gòu)無處不在。建筑物自然也有結(jié)構(gòu)，他將建筑物各部分有序的組成一體，形成一個完整的整體。建筑結(jié)構(gòu)的作用，首先是表現(xiàn)為形成人類活動所需要的、功能良好和舒適美觀的空間。它既有物質(zhì)方面的要求，又有精神文化方面的要求，這是建筑結(jié)構(gòu)的根本目的和出發(fā)點。其次表現(xiàn)為能夠抵御自然的和人為的作用力，能使建筑物耐久使用，并在突發(fā)事件時能夠保持穩(wěn)定，這是建筑結(jié)構(gòu)存在地根本原因。然后，建筑結(jié)構(gòu)的作用表現(xiàn)在充分發(fā)揮材料的效能。材料是建造結(jié)構(gòu)的根本物質(zhì)條件。建筑是建筑物的基本受力骨架。無論工業(yè)建筑、居住建筑、公共建筑或是某些特種建筑物都必須承受自重、外部荷載作用、變行作用、以及環(huán)境作用。結(jié)構(gòu)失效將帶來生命和財產(chǎn)的巨大損失。因此在設(shè)計中對結(jié)構(gòu)有最基本的功能要求。建筑師應(yīng)充分了解各種結(jié)構(gòu)形式的基本力學(xué)特點、應(yīng)用范圍以及施工中必須采用的設(shè)備和技術(shù)措施，盡可能掌握一些結(jié)構(gòu)的概念。尤其在高層建筑和大跨度建筑設(shè)計中，掌握結(jié)構(gòu)概念尤其重要。對結(jié)構(gòu)工程師，也應(yīng)具備必要的建筑設(shè)計知識，在建筑設(shè)計的方案初期階段，主動考慮并建議最適宜的結(jié)構(gòu)體系方案，使之于建筑功能和造型有機結(jié)合，才能使建筑結(jié)構(gòu)達到完美地統(tǒng)一。建筑工程的概念設(shè)計在我國應(yīng)成為一個先于建筑工程的初步設(shè)計，以功能優(yōu)越、造型美觀、技術(shù)先進的總體方案為目標(biāo)的階段設(shè)計。建筑工程的概念設(shè)計一般有建筑方面的概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)方面的概念設(shè)計兩大部分，他們之間互相影響、互相協(xié)調(diào)、互相結(jié)合。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是人們對建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備功能的理解。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計要盡可能做到建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備和施工手段的協(xié)調(diào)，要從實際出發(fā)梭魚道德各種問題，要進行多方案比較，選擇最佳結(jié)構(gòu)，采取最高效的結(jié)構(gòu)型式，選擇優(yōu)越的結(jié)構(gòu)體系，合理的結(jié)構(gòu)布置，要以減輕結(jié)構(gòu)自重為原則，減輕自重還可以降低造價，加快建造速度，節(jié)省材料。房屋建筑設(shè)計一般分為三個階段：方案階段、初步設(shè)計階段和施工圖階段。在設(shè)計過程中要求各專業(yè)密切配合互相協(xié)調(diào)、不斷完善、以滿足建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各方面要求。方案階段在建筑方面主要是在總體規(guī)劃范圍內(nèi)對房屋的功能分區(qū)、人流組織、房屋體形、總體效果等提出設(shè)計。在方案階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員對建筑設(shè)計方案提供結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以求建筑和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進行初步計算，以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)合理、總體變形在可以控制范圍以內(nèi)?？偟膩碚f就是要保證結(jié)構(gòu)的可行性和合理性。初步設(shè)計階段是對方案的完善和深化，對結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，初步設(shè)計要給出結(jié)構(gòu)布置圖，進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，初步估算各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸。施工圖階段對結(jié)構(gòu)設(shè)計人員來說是進行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析、配筋計算以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件有足夠的承載力和剛度、各結(jié)構(gòu)構(gòu)件間有可靠聯(lián)系，以組成可靠的結(jié)構(gòu)體系。建筑結(jié)構(gòu)是由許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的一個系統(tǒng)，其主要的受力系統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)總體系，結(jié)構(gòu)總體系又分為水平結(jié)構(gòu)體系、豎向結(jié)構(gòu)體系和基礎(chǔ)體系三部分。水平體系一般有板、梁、桁（網(wǎng)）架等組成，下面主要介紹幾種水平結(jié)構(gòu)體系。網(wǎng)架體系網(wǎng)架可以設(shè)想為由兩個方向交叉鋼桁架組成的屋蓋體系，桿件一般采用無縫鋼管，結(jié)點采用球節(jié)點。同一節(jié)點上要與多根鋼管連接，采用球節(jié)點構(gòu)造簡單，易于對中能夠保證桿件以軸力為主?？缍容^小的網(wǎng)架也可以角鋼組成。網(wǎng)架體系受力狀態(tài)與雙向密肋樓蓋相似，以鋼桁架代替鋼筋混凝土梁，自重大大減輕，有效高度增加，承載力大大提高，可以跨越更大的跨度。因此，國內(nèi)外許多大跨建筑采用網(wǎng)架體系，尤其是體育館建筑。網(wǎng)架按其斜桿布置方式分為多種形式。但是宏觀看來，網(wǎng)架就像一塊巨型平板，其受力狀態(tài)也與平板相似，跨中彎矩最大，剪力最小?？梢姡W(wǎng)架跨中附近弦桿內(nèi)力最大，弦桿直徑或壁厚也較大，腹桿內(nèi)力很小，腹桿比較細(xì)，管壁也可以比較薄。與此相反，網(wǎng)架周邊支座附近彎矩小，剪力大，腹桿部較粗，管壁也較厚，而弦桿內(nèi)力較小，可以細(xì)一些。理解網(wǎng)架受力狀態(tài)后，就可以對網(wǎng)架進行改造。例如適當(dāng)提高網(wǎng)架中間部分的高度，既可以減小跨中弦桿內(nèi)力，同時形成屋面中間略高的屋面形狀，又有利于排水；網(wǎng)架也可以組成曲面形狀的屋蓋體系，此時，受力狀態(tài)從宏觀看來又像“薄殼”，故稱“網(wǎng)殼”其受力狀態(tài)更合理。中國國家大劇院國家大劇院中心建筑為半橢球形鋼結(jié)構(gòu)殼體，東西長軸212.2米，南北短軸143.64米，高46.68米，地下最深32.50米，周長達600余米。整個殼體風(fēng)格簡約大氣，其表面由18000多塊鈦金屬板和1200余塊超白透明玻璃共同組成，兩種材質(zhì)經(jīng)巧妙拼接呈現(xiàn)出唯美的曲線，營造出舞臺帷幕徐徐拉開的視覺效果。每當(dāng)夜幕降臨，透過漸開的“帷幕”，金碧輝煌的歌劇院盡收眼底。殼體表面上星星點點、錯落有致的“蘑菇燈”，如同撲朔迷離的點點繁星，與遠(yuǎn)處的夜空遙相呼應(yīng)，使大劇院充滿了含蓄而別致的韻味與美感。北京石景山體育館北京石景山體育館平面為三角形，從總體上看體育館屋面是由三塊扭曲的四邊形組成，每塊四邊形屋蓋結(jié)構(gòu)由沿著4邊形長方向布置的網(wǎng)架組成，由于四邊形的四條邊不在同一平面上，這樣形成的網(wǎng)架變形成一個扭殼曲面一一網(wǎng)殼，比平面網(wǎng)架受力更合理，荷載下的變形更小。網(wǎng)架沿平行于四邊形邊廠方向布置時，天棚分割比較簡潔，但在局部荷載和風(fēng)荷作用下會產(chǎn)生一定的彎矩和扭矩，所以這樣布置的網(wǎng)殼一般布置成雙層網(wǎng)殼，即網(wǎng)殼有上下兩層弦桿，中間設(shè)有斜桿，宏觀看來，就像兩個方向交叉布置的桁架，每個網(wǎng)架上的荷載都傳給周圍的四邊形邊框，最后傳給基礎(chǔ)。四邊形邊框翹起三個角，正好是體育館的三個入口。懸索結(jié)構(gòu)張拉索結(jié)構(gòu)以高強鋼絲、鋼鉸線為主要承重結(jié)構(gòu)，充分利用了截面的抗拉承載力，受力合理，結(jié)構(gòu)自重輕，可以跨越很大跨度，是超大跨度的主要形式。懸索結(jié)構(gòu)是以下垂的懸索為主要承重結(jié)構(gòu)。荷載均掛在主索上，主索只承受拉力，其抗彎剛度為零，不能承受任何彎矩，所以懸索的形狀會隨荷載的變化而改變。當(dāng)懸索自動把形狀調(diào)整到沿懸索全長彎矩處處為零時，就達到平衡狀態(tài)。根據(jù)力學(xué)原理，懸索的形狀正好相當(dāng)于簡支梁的彎矩圖形狀美國聯(lián)邦儲備銀行大樓這是一幢建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計融為一體的優(yōu)雅建筑，在許多懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計中，美國明尼亞波利斯聯(lián)邦儲備銀行大樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計很有特色，此銀行為一座十一層大樓，橫跨在高速公路上，跨度83.2米采用懸索結(jié)構(gòu)作為主要承重結(jié)構(gòu)，以兩個巨型塔座懸吊鋼索的形式體現(xiàn)其建筑體型。懸索錨固在位于公路兩側(cè)的兩個立柱上，立柱承受大樓的全部豎向荷載，柱頂設(shè)有大梁，以平衡懸索在柱頂產(chǎn)生的水平力，整個大樓就懸掛在懸索和頂部大梁上。建筑外墻面的大部分為玻璃幕墻底部與懸索的底邊平齊。懸索以上的玻璃幕墻內(nèi)錯于其下部玻璃幕墻約1米，使得起主要結(jié)構(gòu)作用的懸鏈索曲線充分顯露于外立面。將來需要擴建時可在它上面再架設(shè)承重拱結(jié)構(gòu)，新置拱肋的上下均可設(shè)置樓層。新增設(shè)的樓層的重力將通過拱肋傳給兩側(cè)筒體，并使兩側(cè)筒體產(chǎn)生向外移動的水平推力，此水平推力可由巨型鋼桁架承受。拱結(jié)構(gòu)拱是一種古老的結(jié)構(gòu)形式，用抗壓材料來跨越一定的跨度。拱的受力狀況和懸索結(jié)構(gòu)正好相反，但又十分相似。區(qū)別在于懸索只能受拉，懸索的抗彎剛度為零；而拱是以受壓為主的結(jié)構(gòu)，拱截面有一定的剛度，不能自由變形，因此，合理選擇拱軸線形狀就顯得更加重要。根據(jù)荷載情況合理選擇拱軸線形狀十分重要。拱截面有一定抗彎剛度，不可能像懸索一樣調(diào)整形狀來消除彎矩，即使精心選擇拱軸線的形狀，載荷在狀態(tài)改變或可變荷載作用下，拱內(nèi)彎矩也是不可避免的。因此，拱截面必須設(shè)計成有一定抗彎能力。拱結(jié)構(gòu)的矢高與建筑外形、使用要求、屋面結(jié)構(gòu)處理以及內(nèi)力計算等因素有關(guān)。矢跨比（f/l）越大，拱腳推力越小。對于屋蓋結(jié)構(gòu)一般取f/l=1/7~1/5，且應(yīng)31/10。東凱爾勃萊德游泳館東凱爾勃萊德游泳館位于蘇格蘭蘭納克郡內(nèi)，其屋蓋結(jié)構(gòu)是一個由4個橢圓形短殼在5個拋物線拱肋間跨越所組成的預(yù)應(yīng)力混凝土一殼結(jié)構(gòu)，并用與羅馬小體育宮相似的Y形斜支撐作為整個屋蓋的支撐結(jié)構(gòu)。Y形斜支撐及其基礎(chǔ)的傾角與拱腳處拱肋斜率一致，且設(shè)置在建筑物外沿。該屋蓋所覆蓋的面積長71米，寬30米。該預(yù)應(yīng)力拱為二鉸拱，凈跨71米，矢高7.9米，拱肋的截面高度為92厘米，支撐鉸位于泳池最高水面以上4.9米。由于使用要求，不允許在拱肋的支撐鉸處設(shè)置水平拉桿，因而拱肋必須支撐在堅實的支座上；這個支座設(shè)計成將支撐點安置在Y形斜支撐張開斜桿的端頭，為了加強各個拱肋支撐點間的聯(lián)系，相鄰Y形斜支撐斜桿件設(shè)有水平桿相連。斜支撐最后將全部屋蓋荷載傳給I形墩基礎(chǔ)，它也是Y字體的豎桿，它所承受的斜向反力由基礎(chǔ)間設(shè)置在游泳池下和游泳此兩旁的6個預(yù)應(yīng)力拉桿來平衡。薄殼結(jié)構(gòu)薄殼是薄壁空間結(jié)構(gòu)，殼厚與其他兩個方向的尺寸相比小很多，故稱薄殼。薄殼結(jié)構(gòu)在荷載下以薄膜內(nèi)力為主，張拉膜或雙向懸索結(jié)構(gòu)與由很多相似之處，張拉膜或雙向懸索結(jié)構(gòu)只能沿膜或索的方向承受拉力，薄殼結(jié)構(gòu)不僅可以在薄殼曲面內(nèi)承受任意方西的軸力，還可以承受很大的剪力。薄殼結(jié)構(gòu)與張拉膜受力狀態(tài)正好相反，就像拱和懸索結(jié)構(gòu)受力相反一樣，薄殼殼面有一定剛度，不能隨荷載變化調(diào)整自己的形狀，從而改變內(nèi)力狀態(tài)，所以薄殼內(nèi)除薄膜內(nèi)力還有小部分彎矩，薄殼殼面必須具有一定抗彎能力。薄殼結(jié)構(gòu)殼面薄，自重輕，既是承重結(jié)構(gòu)也是維護結(jié)構(gòu)，比較適合大跨度建筑。薄殼結(jié)構(gòu)由殼面和邊緣構(gòu)件構(gòu)成，邊緣構(gòu)件是殼面的邊界和支座，為殼面提供受力明確的邊界條件，是薄殼結(jié)構(gòu)重要組成部分。邊緣構(gòu)件的損壞會徹底改變殼面的受力狀態(tài)，甚至導(dǎo)致整個殼體的破壞或倒塌。洛斯馬納提拉斯餐廳洛斯馬納提拉斯餐廳是一位西班牙著名工程師F?坎德拉創(chuàng)作的新穎建筑。該建筑的屋頂是由8個穹棱雙曲拋物面薄殼組成一個完全平滑的超薄穹頂，跨度為30米，而壁厚僅僅為3.8厘米。整個建筑呈正八邊形，屋面有八個最高點，距低平面9.9米，位于建筑屋最外邊緣是那屋頂?shù)淖畹忘c在餐廳的中心，凈高5.8米，它以45度的扇形像8面展開升高。8個內(nèi)墻面均為拋物線型的大玻璃窗，它們同時也是建筑的立面，每個里面?zhèn)纫暰?0度傾角狀。餐廳結(jié)構(gòu)由四對八個夾角為45度的雙曲拋物面組成，各對殼面兩兩并和，構(gòu)成一個完整的360度屋面每個雙曲拋物面的一側(cè)邊緣構(gòu)件為傾角60度的