現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑設計與表現(xiàn)淺析

建筑自人類產(chǎn)生以來都是人們生活的重要組成部分，但在很長時間里運用的都是石材、木材等。隨著科技的發(fā)展新型材料的運用越來越廣泛，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)建筑設計與表現(xiàn)具有重要的意義和價值。

一、鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展歷史

最早在建造房屋中使用鋼結(jié)構(gòu)的國家可以追溯到十八世紀末的英國，一百年后法國工程師埃菲爾建造了聞名的鐵塔，人們也開始嘗試建造鋼結(jié)構(gòu)的獨戶住宅，從此鋼結(jié)構(gòu)建筑徹底改變了以往建筑造型的模式，建筑設計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60年代實現(xiàn)了其第二次理論和實踐的飛躍與創(chuàng)新的發(fā)展，德國包豪斯學派就是其理論的發(fā)源地。我國自1949年全國解放后，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)中得到了應用。尤其是近20年來，鋼結(jié)構(gòu)更加廣泛應用于土木工程的公共建筑中，比如沈陽桃仙國際機場屋蓋，北京天文館新館工程等，我國目前不僅能生產(chǎn)各種類型的建筑鋼材，同時鋼材生產(chǎn)的新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品也日益增多，如彩鋼壓型板、彩鋼復合板、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)布滿現(xiàn)代化時代氣息，實際證實鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國更具有廣闊的發(fā)展前景。

二、現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的建筑特點

預工程化程度高，建設成本降低，工期縮短

鋼結(jié)構(gòu)建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標準實現(xiàn)了建筑工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，提高了建筑預工程化，使不同材料、不同外形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。同時鋼結(jié)構(gòu)建筑的預工程化使材料加工和安裝一體化，大大降低了建設成本；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。

建筑與結(jié)構(gòu)的設計與功能一體化，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)點從很大程度上導致并制約著建筑的形象。建筑與結(jié)構(gòu)的設計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設計環(huán)節(jié)進行下去，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年奧運會國家體育場投標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。例如清華大學建筑設計院設計的可開合式方案，在體育場大屋面的中心設置兩個半圓型的玻璃頂面，同時相對旋轉(zhuǎn)、平行滑動完成大屋面的開合；又如中國建筑設計研究院場館方案外觀即為建筑的結(jié)構(gòu)，形象完美純凈，功能與結(jié)構(gòu)達到了完美的統(tǒng)一；還有日本株式會社建筑事務所設計的折疊式方案，屋頂由懸臂的鋼架結(jié)構(gòu)支承，可在30分鐘內(nèi)完成開閉的動作，確保全年比賽及活動不受天氣影響。

鋼結(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，強度高，彈性模量亦高。其密度與強度的比值遠小于磚石、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?，F(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米最高至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跨度的要求，使這類型建筑成為標志性建筑，比如日本東京后樂園棒球場屋蓋是鋼索與氣承膜組成的索膜結(jié)構(gòu)，面積達28000平方米，英國政府為迎接21世紀而興建的標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，其穹頂直徑達到320m。

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)對于資源、能源都非常短缺的我國意義尤為重大，因為中國是世界上最大的磚砌體建筑與混凝土建筑大國。鋼材是一種高強度高效能的材料，具有很高的再循環(huán)價值，邊角料也有價值，不需要制模施工。目前國際上引人矚目的新型住宅產(chǎn)品已引入我國，其環(huán)保節(jié)能的特點主要體現(xiàn)在兩個方面：

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，都具有舒適居住環(huán)境。室外0攝氏度時，室內(nèi)仍可以保持17攝氏度以上；在室外溫度達到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)維護墻體面積小，節(jié)約空調(diào)所需能源，減小維護費用。

三、鋼結(jié)構(gòu)建筑設計與技術(shù)表現(xiàn)

鋼結(jié)構(gòu)建筑設計的構(gòu)思成功關(guān)鍵所在是技術(shù)構(gòu)思與表現(xiàn)，在方案設計的深化中，需要同結(jié)構(gòu)工程師，設備工程師，甚至包括機械工程師密切配合。此時技術(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)點對其建筑設計與表現(xiàn)影響都是很重要的，下面就分別從幾個方面來闡述這一點。

鋼結(jié)構(gòu)建筑設計的技術(shù)表現(xiàn)

建筑形象的構(gòu)思是一個概念形象的創(chuàng)作過程，是建筑創(chuàng)作的難點之一，也是建筑設計中備受關(guān)注的核心問題之一?；仡櫣I(yè)革命以來建筑與科學技術(shù)關(guān)系的發(fā)展，可以明顯地發(fā)現(xiàn)建筑對技術(shù)變革反應的遲滯性，這從一個側(cè)面反映了建筑學在社會文化當中的深層地位，以及建筑學與人的生活方式的密切聯(lián)系。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活動的每個領域，使現(xiàn)代科學思維被融入到建筑設計中，新項目的規(guī)劃、建筑和景觀設計方法發(fā)生了巨大的變化。建筑設計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建筑的熟悉和設計方式，并最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)點和精細的加工來體現(xiàn)高超的技藝，以更高的工藝水平來設計和“制造”建筑。

鋼結(jié)構(gòu)建筑細部設計有較高要求

鋼結(jié)構(gòu)建筑設計的復雜化與精致度要求越高，對細部設計的要求也越高。因為細部設計決定一個地方最終是否得到確認及其質(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)點細部，經(jīng)常暴露在外，使建筑帶有強烈的科技感，比如建于1977年法國的巴黎蓬皮杜藝術(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)出人的聰明和能力。因而，對鋼結(jié)構(gòu)建筑來說細部質(zhì)量保持較高的設計要求是非常重要的，在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應受到非凡重視。

建筑策劃也是鋼結(jié)構(gòu)建筑設計與表現(xiàn)的影響因素

因為鋼結(jié)構(gòu)建筑設計具有建筑設計的一般屬性，建筑師不是隨心所欲在作設計，業(yè)主設計任務書對建筑師的平面和設計構(gòu)思等發(fā)生的作用是重大的?？蛻粝ＭO計師有更好的業(yè)績，而且希望在其最終產(chǎn)品的確定過程中，設計師和市場專家都能更高效的參與決策。在這個階段，建設項目更強調(diào)整體設計、更強調(diào)專業(yè)設計師、市場專家及開發(fā)商之間的協(xié)調(diào)，設計過程包括了持續(xù)的信息和知識的交流與整合。另外，鋼結(jié)構(gòu)建筑的專業(yè)化不但能提供豐富的設計知識而且能有效的整合設計資源和市場專家共同對建筑負責，使設計和業(yè)主的經(jīng)營意圖有效的結(jié)合起來，使項目獲利和減少風險。

四、現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中建筑設計所面臨的問題

鋼結(jié)構(gòu)中建筑設計的防火問題

火災是對鋼結(jié)構(gòu)建筑的最大危害，鋼材雖為非燃燒材料，但鋼不耐火，溫度為400度時，鋼材的屈服強度將降至室溫下強度的一半，溫度達到600度時，鋼材基本損失全部強度和剛度，因此當建筑采用無防火保護措施的鋼結(jié)構(gòu)時，一旦發(fā)生火災，很輕易使建筑損壞，比如美國世貿(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911事件中兩個塔樓分別受飛機撞擊后所產(chǎn)生的大火使鋼材軟化，最終導致大樓倒塌。從發(fā)生的鋼結(jié)構(gòu)建筑火災案例可以發(fā)現(xiàn)兩類現(xiàn)象，一類為防火保護的鋼結(jié)構(gòu)在火災中沒有達到規(guī)定的耐火時間而破壞，另一類防火保護的鋼結(jié)構(gòu)在火災中超過了預期的耐火時間而并沒有破壞。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。

鋼結(jié)構(gòu)中建筑設計的防腐問題

鋼材假如長時間暴露在室外受到風雨等自然力的侵蝕，必然會生銹老化，其自身承載力會下降，建筑的美觀也會受影響。因此防腐問題也是鋼結(jié)構(gòu)建筑設計需要解決常見問題，目前的做法主要是采用新型防腐和構(gòu)造材料。在實際建筑設計中設計人員在碰到鋼結(jié)構(gòu)建筑中對所設計的建筑都做出非凡的要求，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。另外對鋼結(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進口，隨著中國綜合國力的增強，中國將會生產(chǎn)出更優(yōu)秀的新型防腐涂料。

鋼結(jié)構(gòu)中建筑物理問題

保溫。外部環(huán)境對建筑的熱輻射主要從兩個方面影響建筑的熱環(huán)境：一是透過窗戶進入室內(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結(jié)構(gòu)表面吸收，其中一部分熱量通過建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱傳導逐漸進入室內(nèi)。由于玻璃可以讓陽光直接射入室內(nèi)從而迅速升高室溫，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，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。所以對建筑的保溫措施主要集中在外圍護結(jié)構(gòu)上，而目前對此有兩種較為有效的解決辦法：

(1)研制、優(yōu)化保溫材料的構(gòu)造，提高建筑熱環(huán)境性能。例如在建筑物的內(nèi)外表面或者外層結(jié)構(gòu)的空氣層中，采用高效反射材料，可以將大部分的紅外射線反射回去，從而建筑物起到保暖和隔熱作用；此外還可運用高效節(jié)能玻璃，硅氣凝膠，新型節(jié)能墻體材料，達到節(jié)能的目的。

(2)防止保溫材料凝聚水外保暖和中間保溫作法。可防止保溫材料由于蒸汽的滲透積累而受潮。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影響，從而提高其耐久性。外保溫作法對外表面的保護層要求較高內(nèi)保暖和中間層保溫則由于外表面是由強度大的密實材料構(gòu)成，飾面層的處理比較簡單。

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到達聽眾的雙耳，缺少側(cè)向反射帶來的圍繞感。在這類建筑的設計中，需要綜合考慮材料的使用，包括吸聲性能以及裝飾性、強度、防火、吸濕、加工等多方面。目前廣泛地應用于音質(zhì)設計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。

隔音。噪聲與建筑密不可分，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、泉水聲、歌聲等；但也能聽到吵鬧、機器轟鳴、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隔聲隔振要求非常高，需要專門的聲學設計。對于旅館、公用建筑、民用住宅人們對安靜的要求也越來越重視。并盡量靠近聲源，會提高隔聲效果。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，進出部分使用隔聲門或吸聲迷道等。

五、結(jié)論

由本文以上討論可以得出下面三點看法和結(jié)論：

鋼結(jié)構(gòu)建筑設計應根據(jù)具體條件的不同而有所側(cè)重，一個好的建筑設計，必須做到形象構(gòu)思與結(jié)構(gòu)構(gòu)思的一體化。

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)與工藝不僅是實現(xiàn)形象構(gòu)思的必要手段，而且對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。

科學技術(shù)的進步，審美觀的改變必然使得鋼結(jié)構(gòu)建筑不斷地去擴展自身的表達語匯而尋求發(fā)展。我們所提倡的是：拋開風格要素，從結(jié)構(gòu)理性主義出發(fā)，從現(xiàn)代的和傳統(tǒng)的眾多風格流派中吸取精華，創(chuàng)造出技術(shù)和藝術(shù)有機融合的鋼結(jié)構(gòu)精品建筑。