現(xiàn)代科技對建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響

甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王映梅

現(xiàn)代科技對建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響

甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王映梅

建筑的發(fā)展日新月異，雖然各種建筑的類型不同，但影響建筑的因素是共同的，包括了新技術(shù)、新材料、建筑的功能要求，還有結(jié)構(gòu)、構(gòu)件以及建筑設(shè)施進(jìn)步等?？梢哉f，在諸多的因素中，現(xiàn)代科技的發(fā)展對建筑具有最重要的影響力。建筑設(shè)計包括建造技術(shù)、藝術(shù)創(chuàng)造和功能設(shè)計，而現(xiàn)代科技在這幾個方面都起到了非常重要的作用。

一、現(xiàn)代建筑的特點是體系化

建筑物的類型和功能影響著建筑設(shè)計和建筑形式。居住、商業(yè)、工業(yè)、交通、教育、衛(wèi)生保健、娛樂和農(nóng)業(yè)等建筑都是根據(jù)其建筑物類型而設(shè)計的。建筑的結(jié)構(gòu)體系與建筑物的類型和功能是緊密關(guān)聯(lián)的。科技的發(fā)展使得建筑構(gòu)件可以工業(yè)化生產(chǎn)，系統(tǒng)的建筑理論促進(jìn)了最新技術(shù)與優(yōu)秀建筑設(shè)計相結(jié)合，從而創(chuàng)造出杰出的建筑。

現(xiàn)代建筑的體系可以分成兩種主要的系統(tǒng)。第一類為建筑的技術(shù)硬件系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、建筑系統(tǒng)、設(shè)施系統(tǒng)等。 第二類為設(shè)計與管理系統(tǒng)，包括建筑和結(jié)構(gòu)等工程設(shè)計各項文件、經(jīng)濟(jì)分析和可行性研究的數(shù)據(jù)及結(jié)果、設(shè)計和施工管理，包括建筑施工過程中所涉及的各種組織、人員之間的合作等。

建筑的完成依賴于建筑的各項系統(tǒng)，現(xiàn)代建筑的進(jìn)步就是這些系統(tǒng)組成的新的建筑體系的發(fā)展。不是單體建筑的出類拔萃，而是整個建筑體系的時代性進(jìn)步。

二、現(xiàn)代建筑的特征是出現(xiàn)了新的建筑類型

建筑科技的發(fā)展導(dǎo)致了建筑新形式的出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計新的能力，一方面促進(jìn)科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展，另一方面促使客戶提出新的需求，比如建造更高的、跨度更大的建筑。

1.巨型建筑物。在現(xiàn)代，巨型建筑的概念已經(jīng)被提出，巨型建筑作為一種新的建筑形式已經(jīng)出現(xiàn)在世界各地。 這些大型建筑物占地面積大，有不同用途，如市場、體育館、會堂和展覽館等。隨著許多大型建筑的相繼建造，城市中會出現(xiàn)更多這樣類型的建筑。由于這些建筑的龐大以及其擁有的大量使用者和參觀者，它們促進(jìn)了其周圍地區(qū)的發(fā)展，極大地擴(kuò)展了建筑設(shè)計的范圍，并改變了建筑的理念，促進(jìn)了一種新城市的產(chǎn)生。

2.高層建筑。高層建筑首次在芝加哥建造。在摩天大樓發(fā)展歷史中，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師一直在努力為這些建筑尋找更合適的建筑和結(jié)構(gòu)表達(dá)方式，并且為這些建筑能適應(yīng)城市周圍環(huán)境而設(shè)計方案。要建造那么高的大廈，需要解決一系列的技術(shù)問題。其中最首要的就是結(jié)構(gòu)安全問題。這不僅包括地基和上層建筑的有效耐壓強(qiáng)度，而且還包括抗地震、強(qiáng)風(fēng)、碰撞以及人類垂直和水平運(yùn)動引起的破壞等。

三、現(xiàn)代建筑科技創(chuàng)造的結(jié)構(gòu)類型

1.大跨度結(jié)構(gòu)。

在古代已有內(nèi)部支撐柱并且橫梁有較大跨度的空間建筑，到了l9世紀(jì)，其最大跨度為50m， 20世紀(jì)空間建筑的跨度已能達(dá)300m，而且懸索橋可以達(dá)到2 000～3 000m。鋼桁架在19世紀(jì)開始得以發(fā)展。在20世紀(jì)前半葉，鋼筋混凝土開始成為鋼材在大跨度建筑中的競爭者。在20世紀(jì)20年代和30 年代，出現(xiàn)了薄的鋼筋混凝土殼面。殼面不僅可以是圓頂，而且可以是筒形的、預(yù)應(yīng)力的和拉伸的薄膜結(jié)構(gòu)。目前增加了許多新的大跨度的結(jié)構(gòu)，如鋼、鋁、木、薄膜制的，還有空間桁架式以及張拉結(jié)構(gòu)。

2.薄膜張拉結(jié)構(gòu)。薄膜和其他類似的結(jié)構(gòu)(懸掛結(jié)構(gòu)、懸素屋頂、薄膜屋頂、張拉結(jié)構(gòu)等)是由一些杰出的建筑設(shè)計師創(chuàng)造設(shè)計的。

第一座薄膜屋頂?shù)慕ㄖ?973年建于美國加利福尼亞。至今最著名的薄膜屋頂建筑是1981年建成的沙特阿拉伯的阿卜杜拉國王國際機(jī)場的哈吉候機(jī)廳。該建筑中聚四氟乙烯玻璃纖維制的薄膜屋頂面積有46m2，是現(xiàn)今世界上最大的屋頂結(jié)構(gòu)，由210個帳篷組成，每個帳篷表面積有2 000m2。建筑在工廠預(yù)制，結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配上都精工細(xì)作，巧奪天工。

另外一個由聚四氟乙烯玻璃纖維建造的薄膜屋頂?shù)闹匾ㄖ独敲绹し饑H機(jī)場。該建筑的屋頂每平方英尺只有2磅重，擁有超輕特點。如果屋頂材料采用鋼的話，其重量將有現(xiàn)在的50多倍；如果用鋼筋和混凝土，則重量將更重。雖然該屋頂重量很輕，但它能承受大量的雪荷載，而且為屋頂下的空間提供有效的日光。

在張拉結(jié)構(gòu)中主要表現(xiàn)的是一種張拉力。其中的重要組成部分為桅桿(塔柱等)、懸索或其他支撐(拱形物和桁架)、金屬板或織物吊頂以及特殊設(shè)計和建造的邊緣(夾緊邊緣、角板、環(huán)狀體等)。表面外形主要采用兩種——同向曲面和反向曲面，這兩種外形在建筑中有單一使用的，也有混合使用的。

3.空間桁架結(jié)構(gòu)。空間桁架的發(fā)展使人們創(chuàng)造和使用了一些特殊類型的桁架系統(tǒng)，梅羅系統(tǒng)是最早的空間格狀結(jié)構(gòu)的一種，是實踐中最常采用的。它有許多預(yù)制鋼管用螺絲擰接成鍛制的鋼連接件，即所謂的梅羅球。18個這樣的部件連接在一起，不會產(chǎn)生偏心率。這些系統(tǒng)的兩種基本類型是筒形穹頂和斜撐圓頂?shù)钠焦羌芫W(wǎng)格和曲線形式。在平骨架的雙層網(wǎng)格中，兩排平行的網(wǎng)格用傾斜的腹桿連接起來，網(wǎng)格架可以直接地互相覆蓋或者互相平衡。這些基本的聯(lián)系使得該系統(tǒng)有著不同的幾何形。網(wǎng)格屋頂和穹頂結(jié)構(gòu)由相互連接的鋼或鋁部件組成。這里一個重要的革新是由布克敏斯特·福勒發(fā)明的網(wǎng)架穹頂?？臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主要使用圓形或管形組件，其結(jié)點是實心的或空心的球形、圓柱形、棱形、平板形，或者無結(jié)點。這些結(jié)構(gòu)大多數(shù)是雙層的，用線狀支條構(gòu)成的上層和下層由垂直或傾斜的、同樣是直線狀的鋼條相互連接。單層的空間格架的鋼條通常是安裝在弧形表面上。多種空間格架為建造不同的建筑結(jié)構(gòu)，包括圓頂、拱頂和不規(guī)則結(jié)構(gòu)，提供了豐富的靈感，因此，它在建筑設(shè)計上占有重要的位置。

4.氣承結(jié)構(gòu)和充氣結(jié)構(gòu)。充氣結(jié)構(gòu)含有纖維薄膜，可同時用于屋頂結(jié)構(gòu)和風(fēng)雨棚。充氣薄膜內(nèi)的恒定氣壓比外部氣壓高出20%，可以防止震動。由于這種結(jié)構(gòu)需要能源供給因而使用有限。充氣結(jié)構(gòu)的另一類為建筑物內(nèi)部完全或部分類似充氣密封結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)的氣壓差大概高于20%。氣承結(jié)構(gòu)主要用于只有單獨(dú)一個主廳的建筑物，如室內(nèi)網(wǎng)球場、游泳池或展覽廳。