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現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與表面淺析
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發(fā)布日期：[2015-08-04] 共閱[1529]次 |
建筑自人類產(chǎn)生以來都是人們生活的重要組成部分，但在很長(zhǎng)時(shí)間里運(yùn)用的都是石材，木材等。隨著科技的發(fā)展新型材料的運(yùn)用越來越廣泛，其中鋼材是其中普遍采用的一種。而以鋼結(jié)構(gòu)為主體的建筑是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流，鋼結(jié)構(gòu)建筑與鋼筋混凝土，砌體，木結(jié)構(gòu)建筑相比有一定的差別，鋼結(jié)構(gòu)建筑通常由型鋼、鋼管、鋼板等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)件組成，有的還用鋼鉸線、鋼絲繩（束）組成，其連接方式采用焊縫、螺栓或鉚釘連接，探討現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與表現(xiàn)具有重要的意義和價(jià)值。
一、鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展歷史
早在建造房屋中使用鋼結(jié)構(gòu)的國(guó)家可以追溯到十八世紀(jì)末的英國(guó)，一百年后法國(guó)工程師埃菲爾建造了著名的鐵塔，人們也開始嘗試建造鋼結(jié)構(gòu)的獨(dú)戶住宅，從此鋼結(jié)構(gòu)建筑*改變了以往建筑造型的模式，建筑設(shè)計(jì)的理念與方法亦隨之嬗變。早期的鋼結(jié)構(gòu)僅是部分構(gòu)件、配件用鑄鐵、熟鐵制成，到了19世紀(jì)80年代結(jié)構(gòu)型鋼的出現(xiàn)加快了鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的發(fā)展，使鋼結(jié)構(gòu)建筑在20世紀(jì)60年代實(shí)現(xiàn)了其第二次理論和實(shí)踐的飛躍與創(chuàng)新的發(fā)展，德國(guó)包豪斯學(xué)派就是其理論的發(fā)源地。
我國(guó)自1949年全國(guó)解放后，鋼結(jié)構(gòu)就在大跨重型工業(yè)廠房、大型公共建筑和高聳結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用。尤其是近20年來，鋼結(jié)構(gòu)更加廣泛應(yīng)用于土木工程的公共建筑中，比如沈陽(yáng)桃仙機(jī)場(chǎng)屋蓋，北京天文館新館工程等，我國(guó)目前不僅能生產(chǎn)各種類型的建筑鋼材，同時(shí)鋼材生產(chǎn)的新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品日益也增多，如彩鋼壓型板、彩鋼復(fù)合板、彩鋼扣板、拱形廠房及彩鋼制品等的生產(chǎn)，使建筑結(jié)構(gòu)充滿現(xiàn)代化時(shí)代氣息，實(shí)際證明鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)更具有廣闊的發(fā)展前景。
二、現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的建筑特點(diǎn)
?。ㄒ唬╊A(yù)工程化程度高，建設(shè)成本降低，工期縮短
鋼結(jié)構(gòu)建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了建筑工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，提高了建筑預(yù)工程化，使不同材料、不同形狀和不同制造方法的建筑構(gòu)配件具有一定的通用性和互換性。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)建筑的預(yù)工程化使材料加工和安裝一體化，大大降低了建設(shè)成本；并且加快了施工速度，使工期能夠縮短40％以上，從而加快了房地產(chǎn)開發(fā)商的資金周轉(zhuǎn)速度，使建筑能更早投入使用。
?。ǘ┙ㄖc結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與功能一體化，使建筑更富有功能化
在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)成為形象構(gòu)成的重要因素，結(jié)構(gòu)的形體，構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)從很大程度上導(dǎo)致并制約著建筑的形象。建筑與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與功能只有做到一體化，才能使建筑更富有功能化以便隨后的各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行下去，創(chuàng)造出技術(shù)與藝術(shù)融為一體的鋼結(jié)構(gòu)建筑。北京2008年奧運(yùn)會(huì)國(guó)家體育場(chǎng)投標(biāo)方案中有許多方案都體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑的這一特點(diǎn)。例如清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的可開合式方案，在體育場(chǎng)大屋面的中央設(shè)置兩個(gè)半圓型的玻璃頂面，同時(shí)相對(duì)旋轉(zhuǎn)、平行滑動(dòng)完成大屋面的開合；又如中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院場(chǎng)館方案外觀即為建筑的結(jié)構(gòu)，形象純凈，功能與結(jié)構(gòu)達(dá)到了的統(tǒng)一；還有日本朱式會(huì)設(shè)建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)的折疊式方案，屋頂由懸臂的鋼架結(jié)構(gòu)支承，可在30分鐘內(nèi)完成開閉的動(dòng)作，確保全年比賽的及活動(dòng)不受天氣影響。
?。ㄈ╀摻Y(jié)構(gòu)建筑能夠滿足超高度和超跨度的要求
鋼材組織均勻，接近于各向同性勻質(zhì)體，強(qiáng)度高，彈性模量亦高。其密度與強(qiáng)度的比值遠(yuǎn)小于磚石，混凝土，木材，在同樣受力情況下鋼結(jié)構(gòu)自重小，從而可以做成跨度較大和高度較高的結(jié)構(gòu)以及靈活的結(jié)構(gòu)形體。現(xiàn)在人類已具有建造跨度超過1000米的超大穹頂與高度超過1000米高至4000米的超高層建筑的能力。并且鋼索與膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合形成索膜結(jié)構(gòu)體系更能滿足建筑對(duì)跨度的要求，使這類型建筑成為標(biāo)志性建筑，比如日本東京后樂園棒球場(chǎng)屋蓋是鋼索與氣承膜組成的索膜結(jié)構(gòu)，面積達(dá)28000平方米，英國(guó)政府為迎接21世紀(jì)而興建的標(biāo)志性建筑倫敦千年穹頂大型綜合性展覽建筑也是索膜結(jié)構(gòu)體系，其穹頂直徑達(dá)到320m。
（四）原材料可以循環(huán)使用，有助于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展
發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于資源，能源都非常短缺的我國(guó)意義尤為重大，因?yàn)橹袊?guó)是世界上大的磚砌體建筑與混凝土建筑大國(guó)。鋼材是一種高強(qiáng)度能的材料，具有很高的再循環(huán)價(jià)值，邊角料也有價(jià)值，不需要制模施工。目前上引人矚目的新型住宅產(chǎn)品已引入我國(guó)，其環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
?。?）該類型住宅采用全封閉式保溫隔熱防潮系統(tǒng)，溫度變化小，熱損失低。不論冬夏，都具有舒適當(dāng)居住環(huán)境。室外0攝氏度時(shí)，室內(nèi)仍可以保持17攝氏度以上；在室外溫度達(dá)到30攝氏度的情況下，室內(nèi)溫度僅為21攝氏度左右。
?。?）與磚混結(jié)構(gòu)住宅相比，可節(jié)能60％以上，冬夏季空調(diào)設(shè)備可節(jié)約耗電30％以上，結(jié)構(gòu)的廢舊利用為100％，與磚混結(jié)構(gòu)比較，同樣樓層凈高條件下，鋼結(jié)構(gòu)維護(hù)墻體面積小，節(jié)約空調(diào)所需能源，減小維護(hù)費(fèi)用。
三、鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與技術(shù)表現(xiàn)
鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的構(gòu)思成功關(guān)鍵所在是技術(shù)構(gòu)思與表現(xiàn)，在方案設(shè)計(jì)的深化中，需要同結(jié)構(gòu)工程師，設(shè)備工程師，甚至包括機(jī)械工程師密切配合。此時(shí)技術(shù)表現(xiàn)是自然而然的事情，無論是空間形式，形式體量還是構(gòu)造節(jié)點(diǎn)對(duì)其建筑設(shè)計(jì)與表現(xiàn)影響都是很重要的，下面就分別從幾個(gè)方面來闡述這一點(diǎn)。
?。?）鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的技術(shù)表現(xiàn)
建筑形象的構(gòu)思是一個(gè)概念形象的創(chuàng)作過程，是建筑創(chuàng)作的難點(diǎn)之一，也是建筑設(shè)計(jì)中備受關(guān)注的核心問題之一?；仡櫣I(yè)革命以來建筑與科學(xué)技術(shù)關(guān)系的發(fā)展，可以明顯地發(fā)現(xiàn)建筑對(duì)技術(shù)變革反應(yīng)的遲滯性，這從一個(gè)側(cè)面反映了建筑學(xué)在社會(huì)文化當(dāng)中的深層地位，以及建筑學(xué)與人的生活方式的密切。另外現(xiàn)代方興未艾的信息革命正在廣泛地滲透并涉及社會(huì)活動(dòng)的每個(gè)領(lǐng)域，使現(xiàn)代科學(xué)思維被融入到建筑設(shè)計(jì)中，新項(xiàng)目的規(guī)劃、建筑和景觀設(shè)計(jì)方法發(fā)生了巨大的變化。建筑設(shè)計(jì)的宗旨也從單純的追求美發(fā)展到追求問題的合理解決，從根本上改變了人們以往對(duì)建筑的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)方式，并終影響了人類千百年來形成的傳統(tǒng)建筑觀，比如高技派建筑就是其主要代表，其以精致的節(jié)點(diǎn)和精細(xì)的加工來體現(xiàn)高超的技藝，以更高的工藝水平來設(shè)計(jì)和“制造"建筑。
?。?）鋼結(jié)構(gòu)建筑細(xì)部設(shè)計(jì)有較高要求
鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的復(fù)雜化與精致度要求越高，對(duì)細(xì)部設(shè)計(jì)的要求也越高。因?yàn)榧?xì)部設(shè)計(jì)決定一個(gè)地方終是否得到確認(rèn)及其質(zhì)量。在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑中，各種金屬結(jié)構(gòu)桿件，連接金屬桿件的節(jié)點(diǎn)細(xì)部，常常暴露在外，使建筑帶有強(qiáng)烈的科技感，比如建于1977年法國(guó)的巴黎蓬皮杜藝術(shù)與文化中心，它的鋼柱、鋼梁、桁架等結(jié)構(gòu)構(gòu)件都裸露在外，從中不僅體現(xiàn)出技術(shù)美，而且體現(xiàn)出人的智慧和能力。因而，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑來說細(xì)部質(zhì)量保持較高的設(shè)計(jì)要求是非常重要的，在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)受到特別重視。
?。?）建筑策劃也是鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與表現(xiàn)的影響因素
因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)具有建筑設(shè)計(jì)的一般屬性，建筑師不是隨心所欲在作設(shè)計(jì)，業(yè)主設(shè)計(jì)任務(wù)書對(duì)建筑師的平面和設(shè)計(jì)構(gòu)思等發(fā)生的作用是重大的?？蛻粝ＭO(shè)計(jì)師有更好的業(yè)績(jī)，而且希望在其終產(chǎn)品的確定過程中，設(shè)計(jì)師和市場(chǎng)專家都能更的參與決策。在這個(gè)階段，建設(shè)項(xiàng)目更強(qiáng)調(diào)整體設(shè)計(jì)、更強(qiáng)調(diào)
專業(yè)設(shè)計(jì)師、市場(chǎng)專家及開發(fā)商之間的協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)過程包括了持續(xù)的信息和知識(shí)的交流與整合。另外，鋼結(jié)構(gòu)建筑的專業(yè)化不但能提供豐富的設(shè)計(jì)知識(shí)而且能有效的整合設(shè)計(jì)資源和市場(chǎng)專家共同對(duì)建筑負(fù)責(zé)，使設(shè)計(jì)和業(yè)主的經(jīng)營(yíng)意圖有效的結(jié)合起來，使項(xiàng)目獲利和減少風(fēng)險(xiǎn)。
四、現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中建筑設(shè)計(jì)所面臨的問題
?。ㄒ唬╀摻Y(jié)構(gòu)中建筑設(shè)計(jì)的防火問題
火災(zāi)是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的大危害，鋼材雖為非燃燒材料，但鋼不耐火，溫度為400度時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度將降至室溫下強(qiáng)度的一半，溫度達(dá)到600度時(shí)，鋼材基本損失全部強(qiáng)度和剛度，因此當(dāng)建筑采用無防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，一旦發(fā)生火災(zāi)，很容易使建筑損壞，比如美國(guó)世貿(mào)中心大樓外墻是排列很密的鋼柱，外面包以銀色鋁板，在美國(guó)911事件中兩個(gè)塔樓分別受飛機(jī)撞擊后所產(chǎn)生的大火使鋼材軟化，終導(dǎo)致大樓倒塌。從發(fā)生的鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)案例可以發(fā)現(xiàn)兩類現(xiàn)象，一類為防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中沒有達(dá)到規(guī)定的耐火時(shí)間而破壞，另一類防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中超過了預(yù)期的耐火時(shí)間而并沒有破壞。建筑的構(gòu)造防火問題一般在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上較易解決，而在鋼結(jié)構(gòu)建筑上則需考慮更多的因素，以下為兩種常用防火措施：。一是采用進(jìn)口的新型防火板——保全板；二是根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的部位不同分別采用厚型或薄型的防火涂料，并在露明部位加涂裝飾漆。
?。ǘ╀摻Y(jié)構(gòu)中建筑設(shè)計(jì)的防腐問題
鋼材如果長(zhǎng)時(shí)間暴露在室外受到風(fēng)雨等自然力的侵蝕，必然會(huì)生銹老化，其自身承載力會(huì)下降，建筑的美觀也會(huì)受影響。因此防腐問題也是鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)需要解決常見問題，目前的做法主要是采用新型防腐和構(gòu)造材料。在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員在遇到鋼結(jié)構(gòu)建筑中對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑都做出特別的要求，比如涂刷防銹涂料，防火涂料屬于油漆類。防火涂料一般做法為先刷紅丹防銹底漆兩度，再刷鋼結(jié)構(gòu)面漆兩度（面漆顏色由甲方定）。另外對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工也有確定的要求，比如構(gòu)件出廠前涂紅丹防銹底漆一道；鋼結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整后，將其清洗干凈，然后再刷一度底漆，兩度面漆。然而現(xiàn)在雖然有各種不同類型的防腐涂料但較為有效的防腐涂料還需外國(guó)進(jìn)口，我想隨著中國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng)，中國(guó)將會(huì)生產(chǎn)出更的新型防腐涂料。
?。ㄈ╀摻Y(jié)構(gòu)中建筑物理問題
?。?）保溫。外部環(huán)境對(duì)建筑的熱輻射主要從兩個(gè)方面影響建筑的熱環(huán)境：一是透過窗戶進(jìn)入室內(nèi)，并被室內(nèi)表面所吸收，產(chǎn)生了加熱的效果；二是被建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸收，其中一部分熱量通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)逐漸進(jìn)入室內(nèi)。由于玻璃可以讓陽(yáng)光直接射入室內(nèi)從而迅速升高室溫，特別是隨著新型玻璃材料的不斷出現(xiàn)，玻璃的熱工性能逐步改進(jìn)，建筑采光與建筑保溫之間的矛盾已日趨淡化，“遮蔽"與“阻隔"走向平衡。所以對(duì)建筑的保溫措施主要集中在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，而目前對(duì)此解決辦法有兩種較為有效：
1）研制、優(yōu)化保溫材料的構(gòu)造，提高建筑熱環(huán)境性能。例如在建筑物得內(nèi)外表面或者外層結(jié)構(gòu)的空氣層中，采用反射材料，可以將大部分的紅外射線反射回去，從而建筑物起到保溫和隔熱作用；此外還可運(yùn)用節(jié)能玻璃，硅氣凝膠，新型節(jié)能墻體材料，達(dá)到節(jié)能的目的。
2）防止保溫材料凝結(jié)水外保溫和中間保溫作法?？煞乐贡夭牧嫌捎谡羝臐B透積累而受潮。內(nèi)保溫作法則保溫材料有可能在冬季受潮，外保溫可避免主要承重結(jié)構(gòu)受到室外溫度的劇烈波動(dòng)影響，從而提高其耐久性。外保溫作法對(duì)外表面的保護(hù)層要求較高內(nèi)保溫和中間層保溫則由于外表面是由強(qiáng)度大的密實(shí)材料構(gòu)成，飾面層的處理比較簡(jiǎn)單。
?。?）吸音。在一些建筑大廳中，尤其是在音樂廳中頂棚反射板增加的反射聲幾乎同時(shí)到達(dá)聽眾的雙耳，缺少側(cè)向反射帶來的圍繞感。在這類建筑的設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮材料的使用，包括吸聲性能以及裝飾性、強(qiáng)度、防火、吸濕、加工等多方面。目前廣泛地應(yīng)用于音質(zhì)設(shè)計(jì)和噪聲控制中的解決途徑是吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)。
1）吸聲材料：材料本身具有吸聲特性。如玻璃棉、巖棉等纖維或多孔材料具有良好的吸聲性能，由于空氣的粘滯阻力、空氣分子與孔隙壁的摩擦，使聲能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能而吸聲。
2）吸聲結(jié)構(gòu)：材料本身可以不具有吸聲特性，但材料制成某種結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生吸聲。如穿孔石膏板吊頂。
（3）隔音。噪聲于建筑密不可分，噪聲污染的防治與治理已經(jīng)成為建筑聲學(xué)重要的組成部分。噪聲規(guī)劃、噪聲控制等理論也逐漸演化開來。人們可以聽到的聲音都屬于聲環(huán)境范疇。人們可以聽到談話、鳥鳴、音樂、泉水叮咚、歌聲等；但也能聽到吵鬧、機(jī)器轟鳴、車輛的轟鳴等噪聲。但主要是有安靜要求的房間，如錄音室、演播室、旅館客房、居民住宅臥室等建筑對(duì)隔聲隔振要求非常高，需要專門的聲學(xué)設(shè)計(jì)。對(duì)于旅館、公用建筑、民用住宅人們對(duì)安靜的要求也越來越重視。并盡量靠近聲源，會(huì)提高隔聲效果。一般隔聲間外墻使用隔聲性能較好的材料或結(jié)構(gòu)，如磚、混凝土、紙面石膏板墻等，觀察部分使用隔聲窗，進(jìn)出部分使用隔聲門或吸聲迷道等。
?。?）鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同具體條件的不同而有所側(cè)重，一個(gè)好的建筑設(shè)計(jì)，必須做到形象構(gòu)思與結(jié)構(gòu)構(gòu)思的一體化。
（2）鋼結(jié)構(gòu)建筑的科技含量很高，結(jié)構(gòu)本身往往就是建筑表現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)與工藝不僅是實(shí)現(xiàn)形象構(gòu)思的必要手段，而且對(duì)建筑形象的影響極為顯著，這就決定了結(jié)構(gòu)構(gòu)思是形象構(gòu)思成功與否的關(guān)鍵所在。
?。?）科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，審美觀的改變必然使得鋼結(jié)構(gòu)建筑不斷地去擴(kuò)展自身的表達(dá)語(yǔ)匯而尋求發(fā)展。我們所提倡的是：拋開風(fēng)格要素，從結(jié)構(gòu)理性主義出發(fā)，從現(xiàn)代的和傳統(tǒng)的眾多風(fēng)格流派中吸取精華，創(chuàng)造出技術(shù)和藝術(shù)有機(jī)融合的鋼結(jié)構(gòu)精品建筑。 |
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