淺談對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建筑材料的認(rèn)識(shí)

劉 豪, 郭春華

安陽(yáng)師范學(xué)院建筑工程學(xué)院（455002）

作為一位建筑師必須從全局出發(fā)去處理建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到的各種復(fù)雜問題。因?yàn)?，試圖將相互有關(guān)的空間分體系形式組成總體系進(jìn)而形成一個(gè)建筑環(huán)境,建筑師需要有一個(gè)分階段的設(shè)計(jì)過程，其至少要分三個(gè)“反饋”階段考慮：方案階段，初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段。

這樣的分階段設(shè)計(jì)是必需的,它可使設(shè)計(jì)者避免很多細(xì)節(jié)上的困難，而這些細(xì)節(jié)往往會(huì)干擾設(shè)計(jì)者的基本思路。實(shí)際上,一個(gè)成功的建筑設(shè)計(jì)師應(yīng)該具備一種從細(xì)節(jié)中分析出其本質(zhì)的能力。

概念構(gòu)思階段的任務(wù)是提出和斟酌全局場(chǎng)地規(guī)劃,活動(dòng)相互作用及房屋形式方案。為實(shí)現(xiàn)這些計(jì)劃，建筑師必須合理規(guī)劃場(chǎng)地各部分的基本用途，組織好空間布局，并應(yīng)用象征手法確定其具體形式。這就要求建筑師應(yīng)首先按照基本功能和空間關(guān)系對(duì)一項(xiàng)建筑設(shè)計(jì)構(gòu)思并模擬出一個(gè)抽象的建筑物,然后再對(duì)這一抽象的總體空間進(jìn)行深入探究。

在方案階段,如果設(shè)計(jì)者能夠準(zhǔn)確地預(yù)見所作方案的結(jié)構(gòu)整體性，并考慮到施工階段的可行性及經(jīng)濟(jì)性，那將是非常有幫助的。這就要求建筑師能夠從分體系之間的關(guān)系去構(gòu)思總體結(jié)構(gòu)方案。這樣易于反饋從而改進(jìn)空間形式方案。

在初步設(shè)計(jì)階段,建筑師的重點(diǎn)工作應(yīng)是細(xì)化可能成為最終方案的設(shè)計(jì),在這一階段應(yīng)該完成對(duì)結(jié)構(gòu)布局的進(jìn)一步規(guī)劃，重點(diǎn)論證和設(shè)計(jì)主要分體系的幾何尺寸、構(gòu)件和相互關(guān)系。這樣就可以依據(jù)全局設(shè)計(jì)方案，確定并解決各分體系的相互影響以及設(shè)計(jì)難題。但各細(xì)部的考慮還應(yīng)留有選擇余地。當(dāng)然，這些初步設(shè)計(jì)階段所作的決定仍可以反饋使方案進(jìn)一步改善，或甚至可能有重大變化。

當(dāng)設(shè)計(jì)者對(duì)初始階段設(shè)計(jì)方案的可行性滿意時(shí),就意味著全部設(shè)計(jì)的基本問題已經(jīng)解決,不會(huì)再因細(xì)節(jié)問題而發(fā)生大的變化。這時(shí)工作重點(diǎn)將再次轉(zhuǎn)移，進(jìn)入細(xì)部設(shè)計(jì)。在這一階段將重點(diǎn)完善各分體系的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。此時(shí)包括結(jié)構(gòu)工程在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域的專家的作用將十分突出,因?yàn)樗惺┕さ募?xì)節(jié)都必須設(shè)計(jì)出來。如果第一階段和第二階段的設(shè)計(jì)做的深入,那么在最初兩個(gè)階段所得到的總體結(jié)論和最后階段的細(xì)節(jié)的重新設(shè)計(jì)不再是問題。當(dāng)然，整個(gè)實(shí)施過程應(yīng)該是逐步發(fā)展的過程，從創(chuàng)造和細(xì)化（改進(jìn)）總體設(shè)計(jì)概念直到做出精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和細(xì)部構(gòu)造。

綜上所述：在第一階段，建筑師必須首先用概念的方式來確定基本方案的全部空間形式的可行性。在第一階段，專業(yè)人員的合作是非常重要的，但僅限于形成總的構(gòu)思方面。在第二階段,建筑師應(yīng)該能夠用圖形來確定各分體系的需求,并且通過估計(jì)關(guān)鍵構(gòu)件的性能來證明其相互作用的可行性。也就是說，主要分體系的性能只須做到一定深度，需要驗(yàn)證他們的基本形式和相互關(guān)系是否協(xié)調(diào)一致。這需要與工程師進(jìn)行更加詳細(xì)與明確的合作。在第三階段，建筑師和專業(yè)人員必須繼續(xù)合作完成所有構(gòu)件的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),并制定良好的施工文件。

當(dāng)然，這些設(shè)計(jì)的成功來源于建筑材料的發(fā)展與革新。

早期的建筑材料主要是木材和砌塊,如磚塊、石材或瓦片及其它類似的材料。磚和磚之間是由砂漿或者焦油狀的瀝青或其它粘合物粘結(jié)在一起。希臘人和羅馬人有時(shí)利用鐵棒或夾鉗來加固他們的建筑。例如,雅典的帕臺(tái)農(nóng)神廟的柱子,就是由在水中也能變得如石材般堅(jiān)硬的火山灰建成的。

鋼材和水泥─現(xiàn)代最重要的兩種建筑材料,在19世紀(jì)得到了推廣。在1856年貝塞麥煉鋼法出現(xiàn)之后，鋼材就以較低的價(jià)格大量供應(yīng)。鋼材最大的優(yōu)點(diǎn)就是它的抗拉強(qiáng)度非常高，這也就是說,當(dāng)它在我們已知的能拉斷許多材料的一定拉力作用下，鋼材不會(huì)喪失它的強(qiáng)度。其他金屬元素加入后煉成的新型合金鋼材，大大提高了抗拉強(qiáng)度，并消除了原有的一些缺點(diǎn)。

現(xiàn)代的水泥(也叫波特蘭水泥)，發(fā)明于1824年。它是一種由石灰石和粘土加熱后碾成粉末的混合物。它是在施工現(xiàn)場(chǎng)與砂子、骨料(小石塊、碎石、礫石)及水，拌制成混凝土。各成分含量的不同，拌制出的混凝土強(qiáng)度和質(zhì)量也不同?；炷翍?yīng)用十分廣泛,它可以澆筑、泵送甚至噴射成所需的形狀。鋼材有很高的抗拉強(qiáng)度而混凝土具有很高的抗壓強(qiáng)度，因此，這兩種材料相互彌補(bǔ)了各自的不足。

鋼筋和混凝土也在以另一種方式互補(bǔ)，就是它們幾乎有著相同的收縮率和膨脹率。因此它們可以在拉力與壓力同時(shí)存在的條件下共同工作?；炷林屑尤脘摻睿梢灾瞥射摻罨炷亮夯蚱渌摻罨炷翗?gòu)件以抵抗出現(xiàn)的拉力。混凝土和鋼筋之間形成一種使它們粘結(jié)在一起的粘結(jié)力，這個(gè)力使鋼筋在混凝土中不會(huì)產(chǎn)生滑移。酸會(huì)腐蝕鋼筋，而混凝土?xí)a(chǎn)生與酸相反的堿性化學(xué)反應(yīng)。

結(jié)構(gòu)鋼和混凝土的使用是傳統(tǒng)的施工方式產(chǎn)生的主要變化。它使人們?cè)诮ㄔ於鄬咏ㄖr(shí)，不必再使用以石材或磚砌筑的厚墻了，這些變化都有利于降低施工的費(fèi)用，而且這使建造更高更大的結(jié)構(gòu)變成可能。

現(xiàn)代建筑物的重量由鋼或混凝土框架來承受,墻體已經(jīng)變成能夠抵擋風(fēng)雨并進(jìn)行采光的幕墻了。在早期的鋼或混凝土框架建筑中，幕墻一般由砌塊建成，這些砌塊有著和承重墻一樣堅(jiān)實(shí)的外觀。但是現(xiàn)在，幕墻一般由諸如玻璃、鋁、塑料或各種混合材料等輕質(zhì)材料建成。

在鋼材建造中的另一種優(yōu)點(diǎn)是梁之間的連接方法。多年來,傳統(tǒng)的連接方法是鉚接?，F(xiàn)在,鉚接大多已經(jīng)被焊接取代。

預(yù)應(yīng)力混凝土是鋼筋混凝土的一種改良方式。將鋼筋彎成各種形狀，使鋼筋具有一定的拉應(yīng)力。然后它們被用于預(yù)應(yīng)力混凝土，這種施工方法有兩種。一種方法是在混凝土中預(yù)留與鋼筋形狀相同的孔道，當(dāng)鋼筋穿過孔道后，通過向孔道灌注砂漿或粘結(jié)劑使鋼筋和混凝土粘結(jié)在一起。另一種更常用的方法是將鋼筋置于與成品構(gòu)件外形相符的模板底部，然后在鋼筋周圍澆筑混凝土。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼量和用混凝土量都比較少。由于它的這個(gè)顯著的經(jīng)濟(jì)性，預(yù)應(yīng)力混凝土是一種非常理想的材料。

預(yù)應(yīng)力混凝土使建造特殊形狀的建筑物成為可能，如一些具有不受任何支撐物阻擋視線的大空間的現(xiàn)代體育競(jìng)技場(chǎng)。這種相對(duì)較新的結(jié)構(gòu)的應(yīng)用正在處于不斷發(fā)展之中。

在現(xiàn)在的建筑裝飾中也大量地運(yùn)用到石材、織物等材料。石材這種質(zhì)地堅(jiān)硬、耐壓耐久、不腐不燃、易于維護(hù)的天然材料，其外形色彩豐富，肌理粗獷結(jié)實(shí)，紋理造型自由多變，裝飾性強(qiáng)。不足之處是易碎，不保溫，難于加工和修復(fù)。現(xiàn)在市場(chǎng)上用的最多的是花崗石和大理石;織物這種以纖維為主要原料，用手工或機(jī)械所編織而成的布料，是用于包墊家具的面層包裹和墻上裝飾的材料，在現(xiàn)在建筑裝飾中也普遍運(yùn)用。