建筑結(jié)構(gòu)形式發(fā)展的力學(xué)原理分析

黃江南

（福建省閩武建筑設(shè)計(jì)院有限公司）

建筑行業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)了各大產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，形成了一個(gè)經(jīng)濟(jì)圈?？梢哉f建筑行業(yè)支撐著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)建筑的要求更增加了審美觀念、環(huán)保理念，不管是美倫美奐的園林式建筑還是樸實(shí)無華的民用建筑都離不開力學(xué)原理的支撐，安全第一是建筑行業(yè)自始至終所堅(jiān)持的第一要?jiǎng)?wù)，這就給建筑工程師和結(jié)構(gòu)工程師提出了技術(shù)要求。

1 建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展過程

我國的建筑結(jié)構(gòu)形式可追逆到五十萬年的前舊石器時(shí)代，是建筑業(yè)的雛形即構(gòu)木為巢的草創(chuàng)階段。隨著時(shí)間的推移人類文明的進(jìn)步，建筑業(yè)也在不斷發(fā)展的創(chuàng)新，由木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展到了以磚石結(jié)構(gòu)為主的新階段，我國的萬里長城就是該階段的最為主要的代表，以磚、石為主要材料，經(jīng)千年而不毀，其堅(jiān)固程度可想而知，被譽(yù)為世界八大奇跡之一。隨著西方文化的傳入結(jié)合我國傳統(tǒng)文化、建筑業(yè)的發(fā)展，迎來了梁、板結(jié)構(gòu)的發(fā)展與成熟期，尤其是到了明清時(shí)期各類建筑物如雨后春筍般破土而出，各式的園林、佛塔、壇廟、以及宮殿、帝陵紛紛采用了梁、板的結(jié)構(gòu)形式。建筑行業(yè)隨著人類文明的發(fā)展在不斷地進(jìn)行著質(zhì)的變化，更加推動(dòng)了人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展歷程。

2 建筑結(jié)構(gòu)形式的分類

2.1 根據(jù)材料進(jìn)行分類

在進(jìn)行工程建筑時(shí)根據(jù)所使用的材料不同可將建筑結(jié)構(gòu)分為五類：以木材為主的結(jié)構(gòu)形式，即在建筑過程中使用的基本都是木制材料。由于木材本身較輕的特點(diǎn)容易運(yùn)輸、拆裝，還能反復(fù)使用的特點(diǎn)，使用范圍廣如在房屋、橋梁、塔架等中都有使用，近年來由于膠合木的出現(xiàn)，再次擴(kuò)大了木制結(jié)構(gòu)的使用范圍，在我國許多休閑地產(chǎn)、園林建筑中大多都以木制結(jié)構(gòu)為主；混合結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行建筑工程材料配置過程中，承重部分以磚石為主，樓板、頂以鋼筋混凝土為主，而這種結(jié)構(gòu)大多在農(nóng)村自家住房建筑中多見；以鋼筋混凝土為主的結(jié)構(gòu)形式，該種結(jié)構(gòu)形式的承重力比較強(qiáng)，多用于高層建筑。以鋼與混凝土為主的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式的承重能力是此五種形式當(dāng)中承重能力最強(qiáng)的，適用于超高層的建筑工程當(dāng)中。

2.2 根據(jù)墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類

按照墻體的不同可將建筑結(jié)構(gòu)形式分為六類：主要使用于高樓層、超高樓層建筑中的全剪力墻結(jié)構(gòu)和框——結(jié)構(gòu)；用于高樓層建筑中的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；使用于超高樓層建筑中的簡體結(jié)構(gòu)和框——支結(jié)構(gòu)；主要使用于大空間建筑和大柱網(wǎng)建筑的無梁樓蓋結(jié)構(gòu)。

3 建筑結(jié)構(gòu)形式中所運(yùn)用的力學(xué)原理

從建筑業(yè)的發(fā)展史來看，不管建筑行業(yè)的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)重心如何變化，不管是以美觀為建筑方向，還是以樸實(shí)安全為方向，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)是不變的，就是保證建筑工程的安全性，以給人們舒適的生活環(huán)境的同時(shí)保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全為目的。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，安全性與力學(xué)原理是密不可分的，結(jié)構(gòu)中的支撐體承受著荷載，而外荷載則會(huì)產(chǎn)生支座反力，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)墻面都會(huì)產(chǎn)生一定的剪力、壓軸力、彎矩、扭曲力。而在實(shí)際的施工過程中危險(xiǎn)性最強(qiáng)的是彎矩力，當(dāng)彎矩力作用在墻體上時(shí)，所施力量分布并不均勻，會(huì)使一部分建筑材料降低功能性，從而影響到整個(gè)建筑的安全性，嚴(yán)重者會(huì)直接導(dǎo)致建筑物的坍塌。因此，在建筑工程進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工過程當(dāng)中，都要將力學(xué)原理運(yùn)用到位，精細(xì)、準(zhǔn)確地計(jì)算出每面墻體所要承受的作用力，在進(jìn)行材料選擇時(shí)，一定要以力學(xué)規(guī)定為依據(jù)，保證所用材料的質(zhì)量絕對(duì)過關(guān)，達(dá)到建筑工程的最終目的。

4 從建筑實(shí)例分析力學(xué)原理的使用

4.1 使用堆砌結(jié)構(gòu)的實(shí)例

堆砌結(jié)構(gòu)是最古老也是最常見的一種建筑結(jié)構(gòu)形式，其使用和發(fā)展歷程對(duì)人類的歷史文明貢獻(xiàn)出了不可替代的作用。其中最為著名、最令人驚嘆的就是公元前2690年左右古埃及國王為了彰顯其神的地位所建造起的胡夫金字塔。金字塔高達(dá)146.5m，底座長約230m，斜度為52°，塔底面積為52900m2，該金字塔的塔身使用了近230萬塊石頭堆砌而成，每塊石頭的平均重量都在2.5t左右，最大的石頭重約160t。后來經(jīng)過專業(yè)人士的證實(shí)，金字塔在建造的過程中沒有使用任何的粘著物，由石頭一一堆疊而成，在建筑結(jié)構(gòu)中是最典型的堆砌結(jié)構(gòu)形式，所使用的力學(xué)原理就是壓應(yīng)力，使其經(jīng)過了四千多年的風(fēng)雨歷程依然屹立不倒。這種只使用壓應(yīng)力原理的建筑結(jié)構(gòu)形式非常的簡單，是建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的基礎(chǔ)，但是因?yàn)椴荒軐⒔ㄖ臻g充分地利用起來，不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求，在進(jìn)行建筑過程中逐漸引進(jìn)了更多新的力學(xué)原理。

4.2 梁板柱結(jié)構(gòu)的使用案例

梁板柱結(jié)構(gòu)使用的主要材料就是木制材料，隨著時(shí)代的發(fā)展，在很多的建筑工程中需要使用彎矩，而石材本身承受拉力的強(qiáng)度過低，而無法完成建筑任務(wù)。由于木制材料其韌性比較強(qiáng)，可以承受一定程度的拉力和壓力從而被大面積使用。我國的大部分宮殿、園林建筑都是采用的梁板柱結(jié)構(gòu)形式，如建于公元1420年的故宮，是我國乃至世界保存最完整、規(guī)模最宏大的古皇宮建筑群，其建筑結(jié)構(gòu)就是采用的梁板柱形式。從門窗到雕梁畫棟皆是以木制材料為主，將我國傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式使用的淋漓盡致。該建筑采用的力學(xué)原理是簡支梁的受彎方式，在我國的建筑業(yè)中發(fā)揮了極為重要的作用。但是由于木材本身不耐高溫極易引發(fā)火災(zāi)、又容易被風(fēng)化侵蝕，極大的縮短了建筑物的使用壽命和安全性。

4.3 桁架和網(wǎng)架的使用案例

該結(jié)構(gòu)的形成是隨著鋼筋水泥混凝土的出現(xiàn)而得到的發(fā)展。從力學(xué)原理來分析，桁架和網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)形式可以減少建筑結(jié)構(gòu)部分材料的彎矩，對(duì)于整體彎矩還是沒有作用力，在建筑業(yè)被稱為改良版的梁板柱結(jié)構(gòu)，所承受的彎矩和剪力并沒有因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式的變化而產(chǎn)生變化，整體的彎矩更是隨著建筑物跨度的加大而快速加大，截面受力依舊是不均勻，內(nèi)部構(gòu)件只承受軸力，而單獨(dú)構(gòu)件承載的是均勻的拉壓應(yīng)力。此改變讓桁架和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比梁板柱結(jié)構(gòu)更能適應(yīng)跨度的需求。北京鳥巢就是運(yùn)用了桁架和網(wǎng)架的力學(xué)原理而建造成功的。

4.4 拱殼結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)的使用案例

隨著社會(huì)生產(chǎn)力地不斷提高，人們對(duì)建筑性質(zhì)、質(zhì)量有了更多的需求，隨之而來的是建筑難度的不斷增加，需要融入更多的力學(xué)原理才能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)建筑的需求。拱殼結(jié)構(gòu)滿足了社會(huì)發(fā)展對(duì)建筑業(yè)大跨度空間結(jié)構(gòu)的需求。拱殼結(jié)構(gòu)所運(yùn)用的是支座水平反力的力學(xué)原理，通過對(duì)截面產(chǎn)生負(fù)彎矩從而抵消荷載產(chǎn)生的正彎矩，能夠覆蓋更大面積的空間，如1983年日本建成的提籃式拱橋就是運(yùn)用拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理，造型非常美麗。但由于荷載具有變異性，制約了更大的跨度，而索膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理更為合理，可將彎矩自動(dòng)轉(zhuǎn)化成軸向接力，成為大跨度建筑的首選結(jié)構(gòu)形式。如美國建成的金門懸索橋，日本建成的平戶懸索橋都是運(yùn)用的了索膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理。

5 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展告訴我們不管使用什么樣的建筑形式都需要受到力學(xué)原理的支撐，最終目標(biāo)都是保證建筑的安全性。在新時(shí)代背景下發(fā)展的建筑結(jié)構(gòu)形式同樣離不開力學(xué)原理的運(yùn)用，力學(xué)原理是一切建筑的理論與基礎(chǔ)，只有將力學(xué)原理科學(xué)合理的使用，才能保證建筑工程的安全性。