建筑設計中的結構概念

建筑設計中的結構概念從分子到宇宙，結構無處不在。建筑物自然也有結構，他將建筑物各部分有序的組成一體，形成一個完整的整體。建筑結構的作用，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。它既有物質方面的要求，又有精神文化方面的要求，這是建筑結構的根本目的和出發(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，這是建筑結構存在地根本原因。然后，建筑結構的作用表現(xiàn)在充分發(fā)揮材料的效能。材料是建造結構的根本物質條件。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。結構失效將帶來生命和財產的巨大損失。因此在設計中對結構有最基本的功能要求。建筑師應充分了解各種結構形式的基本力學特點、應用范圍以及施工中必須采用的設備和技術措施，盡可能掌握一些結構的概念。尤其在高層建筑和大跨度建筑設計中，掌握結構概念尤其重要。對結構工程師，也應具備必要的建筑設計知識，在建筑設計的方案初期階段，主動考慮并建議最適宜的結構體系方案，使之于建筑功能和造型有機結合，才能使建筑結構達到完美地統(tǒng)一。建筑工程的概念設計在我國應成為一個先于建筑工程的初步設計，以功能優(yōu)越、造型美觀、技術先進的總體方案為目標的階段設計。建筑工程的概念設計一般有建筑方面的概念設計和結構方面的概念設計兩大部分，他們之間互相影響、互相協(xié)調、互相結合。結構概念設計是人們對建筑、結構和設備功能的理解。結構概念設計要盡可能做到建筑、結構、設備和施工手段的協(xié)調，要從實際出發(fā)梭魚道德各種問題，要進行多方案比較，選擇最佳結構，采取最高效的結構型式，選擇優(yōu)越的結構體系，合理的結構布置，要以減輕結構自重為原則，減輕自重還可以降低造價，加快建造速度，節(jié)省材料。房屋建筑設計一般分為三個階段：方案階段、初步設計階段和施工圖階段。在設計過程中要求各專業(yè)密切配合互相協(xié)調、不斷完善、以滿足建筑、結構、設備等各方面要求。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、總體效果等提出設計。在方案階段，結構設計人員對建筑設計方案提供結構設計方案，以求建筑和結構的統(tǒng)一。在此基礎上對結構進行初步計算，以保證結構穩(wěn)定可靠、結構合理、總體變形在可以控制范圍以內?？偟膩碚f就是要保證結構的可行性和合理性。初步設計階段是對方案的完善和深化，對結構設計來說，初步設計要給出結構布置圖，進行結構內力分析，初步估算各結構構件的截面尺寸。施工圖階段對結構設計人員來說是進行詳細的結構分析、配筋計算以及相關的結構設計，以保證結構構件有足夠的承載力和剛度、各結構構件間有可靠聯(lián)系，以組成可靠的結構體系。建筑結構是由許多結構構件組成的一個系統(tǒng)，其主要的受力系統(tǒng)稱為結構總體系，結構總體系又分為水平結構體系、豎向結構體系和基礎體系三部分。水平體系一般有板、梁、桁（網）架等組成，下面主要介紹幾種水平結構體系。網架體系網架可以設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)點構造簡單，易于對中能夠保證桿件以軸力為主?？缍容^小的網架也可以角鋼組成。網架體系受力狀態(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，國內外許多大跨建筑采用網架體系，尤其是體育館建筑。網架按其斜桿布置方式分為多種形式。但是宏觀看來，網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架跨中附近弦桿內力最大，弦桿直徑或壁厚也較大，腹桿內力很小，腹桿比較細，管壁也可以比較薄。與此相反，網架周邊支座附近彎矩小，剪力大，腹桿部較粗，管壁也較厚，而弦桿內力較小，可以細一些。理解網架受力狀態(tài)后，就可以對網架進行改造。例如適當提高網架中間部分的高度，既可以減小跨中弦桿內力，同時形成屋面中間略高的屋面形狀，又有利于排水；網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構殼體，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，兩種材質經巧妙拼接呈現(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，與遠處的夜空遙相呼應，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，每塊四邊形屋蓋結構由沿著4邊形長方向布置的網架組成，由于四邊形的四條邊不在同一平面上，這樣形成的網架變形成一個扭殼曲面一一網殼，比平面網架受力更合理，荷載下的變形更小。網架沿平行于四邊形邊廠方向布置時，天棚分割比較簡潔，但在局部荷載和風荷作用下會產生一定的彎矩和扭矩，所以這樣布置的網殼一般布置成雙層網殼，即網殼有上下兩層弦桿，中間設有斜桿，宏觀看來，就像兩個方向交叉布置的桁架，每個網架上的荷載都傳給周圍的四邊形邊框，最后傳給基礎。四邊形邊框翹起三個角，正好是體育館的三個入口。懸索結構張拉索結構以高強鋼絲、鋼鉸線為主要承重結構，充分利用了截面的抗拉承載力，受力合理，結構自重輕，可以跨越很大跨度，是超大跨度的主要形式。懸索結構是以下垂的懸索為主要承重結構。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。當懸索自動把形狀調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)力學原理，懸索的形狀正好相當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計和結構設計融為一體的優(yōu)雅建筑，在許多懸索結構設計中，美國明尼亞波利斯聯(lián)邦儲備銀行大樓的結構設計很有特色，此銀行為一座十一層大樓，橫跨在高速公路上，跨度83.2米采用懸索結構作為主要承重結構，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的兩個立柱上，立柱承受大樓的全部豎向荷載，柱頂設有大梁，以平衡懸索在柱頂產生的水平力，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錯于其下部玻璃幕墻約1米，使得起主要結構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承重拱結構，新置拱肋的上下均可設置樓層。新增設的樓層的重力將通過拱肋傳給兩側筒體，并使兩側筒體產生向外移動的水平推力，此水平推力可由巨型鋼桁架承受。拱結構拱是一種古老的結構形式，用抗壓材料來跨越一定的跨度。拱的受力狀況和懸索結構正好相反，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構，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，拱內彎矩也是不可避免的。因此，拱截面必須設計成有一定抗彎能力。拱結構的矢高與建筑外形、使用要求、屋面結構處理以及內力計算等因素有關。矢跨比（f/l）越大，拱腳推力越小。對于屋蓋結構一般取f/l=1/7~1/5，且應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，其屋蓋結構是一個由4個橢圓形短殼在5個拋物線拱肋間跨越所組成的預應力混凝土一殼結構，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構。Y形斜支撐及其基礎的傾角與拱腳處拱肋斜率一致，且設置在建筑物外沿。該屋蓋所覆蓋的面積長71米，寬30米。該預應力拱為二鉸拱，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，它也是Y字體的豎桿，它所承受的斜向反力由基礎間設置在游泳池下和游泳此兩旁的6個預應力拉桿來平衡。薄殼結構薄殼是薄壁空間結構，殼厚與其他兩個方向的尺寸相比小很多，故稱薄殼。薄殼結構在荷載下以薄膜內力為主，張拉膜或雙向懸索結構與由很多相似之處，張拉膜或雙向懸索結構只能沿膜或索的方向承受拉力，薄殼結構不僅可以在薄殼曲面內承受任意方西的軸力，還可以承受很大的剪力。薄殼結構與張拉膜受力狀態(tài)正好相反，就像拱和懸索結構受力相反一樣，薄殼殼面有一定剛度，不能隨荷載變化調整自己的形狀，從而改變內力狀態(tài)，所以薄殼內除薄膜內力還有小部分彎矩，薄殼殼面必須具有一定抗彎能力。薄殼結構殼面薄，自重輕，既是承重結構也是維護結構，比較適合大跨度建筑。薄殼結構由殼面和邊緣構件構成，邊緣構件是殼面的邊界和支座，為殼面提供受力明確的邊界條件，是薄殼結構重要組成部分。邊緣構件的損壞會徹底改變殼面的受力狀態(tài)，甚至導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。餐廳結構由四對八個夾角為45度的雙曲拋物面組成，各對殼面兩兩并和，構成一個完整的360度屋面每個雙曲拋物面的一側邊緣構件為傾角60度的