鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)及材料的建構(gòu)學(xué)分析

張茂來

浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江 杭州 310000

引言

在建筑領(lǐng)域中，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有重要的地位和廣泛的應(yīng)用。作為一種先進(jìn)的建筑技術(shù)，鋼結(jié)構(gòu)建筑在大跨度、高層建筑以及特殊功能建筑等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。而鋼結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)點(diǎn)及材料的建構(gòu)學(xué)分析，是研究鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和材料應(yīng)用的關(guān)鍵內(nèi)容，通過對(duì)建構(gòu)學(xué)的學(xué)習(xí)，能夠更加明確鋼結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)特征，將其應(yīng)用在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以有效優(yōu)化與創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，從而推動(dòng)建筑工程領(lǐng)域發(fā)展。

1 建構(gòu)學(xué)釋義

1.1 基本概念

建構(gòu)學(xué)是一種現(xiàn)代建筑理論和設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)調(diào)建筑設(shè)計(jì)的過程性和建筑作品與環(huán)境的關(guān)系。首先，建構(gòu)學(xué)強(qiáng)調(diào)建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，將建筑視為一種不斷變化和演化的系統(tǒng)，而非靜止的物體，建構(gòu)學(xué)認(rèn)為建筑設(shè)計(jì)的過程應(yīng)該是一個(gè)持續(xù)的對(duì)話和交互過程，設(shè)計(jì)師與環(huán)境、材料和空間之間不斷進(jìn)行相互作用和反饋。其次，建構(gòu)學(xué)強(qiáng)調(diào)建筑作品與環(huán)境之間的相互關(guān)系，認(rèn)為建筑不是孤立存在的，而是與周圍環(huán)境相互聯(lián)系和影響的一部分，建構(gòu)學(xué)強(qiáng)調(diào)建筑作品與自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境以及文化背景之間的和諧和共生關(guān)系，通過與環(huán)境的互動(dòng)來創(chuàng)造出富有意義和價(jià)值的建筑。第三，建構(gòu)學(xué)注重材料和結(jié)構(gòu)的重要性，認(rèn)為建筑的形式和結(jié)構(gòu)應(yīng)該從材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的功能出發(fā)，通過合理的構(gòu)造和組織來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，建構(gòu)學(xué)強(qiáng)調(diào)材料的真實(shí)性和表達(dá)力，通過材料的選擇和處理來創(chuàng)造出獨(dú)特的建筑語言和體驗(yàn)。第四，建構(gòu)學(xué)強(qiáng)調(diào)建筑的可持續(xù)性和環(huán)境友好性，鼓勵(lì)設(shè)計(jì)師在建筑設(shè)計(jì)中考慮能源效率、資源利用和環(huán)境保護(hù)等因素，通過合理的設(shè)計(jì)和技術(shù)手段來降低對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。最后，建構(gòu)學(xué)注重建筑的用戶體驗(yàn)和情感共鳴，認(rèn)為建筑設(shè)計(jì)應(yīng)該關(guān)注人的需求和感受，通過創(chuàng)造舒適、安全和富有情感共鳴的空間，滿足人們的需求和愿望，建構(gòu)學(xué)強(qiáng)調(diào)建筑與人的關(guān)系，通過空間布局、光線、色彩等手段來營造出與人們互動(dòng)和溝通的環(huán)境[1]。

總而言之，建構(gòu)學(xué)是一種以過程性、環(huán)境關(guān)系、材料與結(jié)構(gòu)、可持續(xù)性和用戶體驗(yàn)為核心的建筑設(shè)計(jì)方法，通過理解建構(gòu)學(xué)的基本概念，設(shè)計(jì)師可以更好地把握建筑設(shè)計(jì)的本質(zhì)和價(jià)值，創(chuàng)造出與環(huán)境和人相互關(guān)聯(lián)的優(yōu)秀建筑作品。

1.2 建構(gòu)元素的功能分析

在建筑領(lǐng)域中，建構(gòu)元素具有重要的作用，且具有多種功能，具體包括：①空間分隔。通過墻體、柱子、梁等建構(gòu)元素的設(shè)置，可以將建筑空間劃分為不同的區(qū)域和功能單元，實(shí)現(xiàn)不同空間功能的分隔和組織，例如墻體可以分割室內(nèi)空間，創(chuàng)造出私密的區(qū)域；柱子和梁可以支撐屋頂和樓板，將建筑空間垂直分層，實(shí)現(xiàn)空間的多層次利用。建構(gòu)元素的合理設(shè)置和布局能夠使建筑空間達(dá)到功能上的最優(yōu)化，提高空間利用效率。②視覺引導(dǎo)。通過建構(gòu)元素的布置和形態(tài)設(shè)計(jì)，可以引導(dǎo)人們的視線流動(dòng)，創(chuàng)造出豐富的視覺體驗(yàn)，例如建筑中的柱廊、拱門等建構(gòu)元素可以引導(dǎo)人們的目光流向，營造出獨(dú)特的空間序列和節(jié)奏感。建構(gòu)元素的大小、形狀和位置等因素都會(huì)影響人們的視覺感知，通過巧妙的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)空間的動(dòng)態(tài)和有序感[2]。③體現(xiàn)建筑邏輯。不同類型的建構(gòu)元素在結(jié)構(gòu)上具有不同的功能特點(diǎn)，例如梁柱結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了垂直的承重和支撐作用，拱形結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了弧形力學(xué)的穩(wěn)定性，通過合理選擇和使用建構(gòu)元素，可以使建筑物的結(jié)構(gòu)邏輯得以展示，使觀者能夠直觀地理解建筑的結(jié)構(gòu)組成和力學(xué)原理。④功能區(qū)劃。不同的建構(gòu)元素可以用于劃分不同的功能區(qū)域，為不同的活動(dòng)提供合適的環(huán)境，例如使用墻體可以分隔室內(nèi)的起居區(qū)和臥室區(qū)；使用隔斷可以劃分辦公室的工作區(qū)和會(huì)議區(qū)。建構(gòu)元素的選擇和布局需要考慮到功能需求和使用效果，以創(chuàng)造出適合人們活動(dòng)的舒適空間。

2 鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)的建構(gòu)學(xué)分析

2.1 鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)的基本概念

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，節(jié)點(diǎn)是連接鋼構(gòu)件之間的關(guān)鍵部位，通過不同的連接方式，如焊接、螺栓連接、鉚接等，將各個(gè)構(gòu)件連接在一起，形成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著傳遞荷載的作用，將荷載從一個(gè)構(gòu)件傳遞到另一個(gè)構(gòu)件，并確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。由于鋼結(jié)構(gòu)建筑通常承受較大的荷載，節(jié)點(diǎn)必須具有足夠的強(qiáng)度來抵抗荷載產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，且節(jié)點(diǎn)還需要具有適當(dāng)?shù)膭偠龋员ＷC結(jié)構(gòu)在荷載作用下不產(chǎn)生過大的變形，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性。鋼材具有高強(qiáng)度和良好的可塑性，但在節(jié)點(diǎn)處可能出現(xiàn)應(yīng)力集中和變形集中的問題，所以在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要根據(jù)材料的特性和節(jié)點(diǎn)所受力的性質(zhì)合理選擇節(jié)點(diǎn)的形式和尺寸，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，確保節(jié)點(diǎn)的性能和可靠性。隨著建筑技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也在不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，新型的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的材料和連接技術(shù)，以提高節(jié)點(diǎn)的性能和可靠性，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也在追求更加優(yōu)雅和精細(xì)的外觀效果，以滿足建筑的審美要求[3]。

2.2 節(jié)點(diǎn)建構(gòu)學(xué)分析

從建構(gòu)學(xué)的角度來看，鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)具有傳遞力的功能，節(jié)點(diǎn)是將荷載從一個(gè)構(gòu)件傳遞到另一個(gè)構(gòu)件的關(guān)鍵部位。通過合理的設(shè)計(jì)和構(gòu)造，節(jié)點(diǎn)能夠有效地將荷載傳遞到整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力，節(jié)點(diǎn)在傳遞力的過程中應(yīng)注意荷載的平衡和分布，避免產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，保證節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和可靠性。鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)具有連接構(gòu)件的功能，節(jié)點(diǎn)通過焊接、螺栓連接、鉚接等方式將不同構(gòu)件連接在一起，形成整體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)的連接方式應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的性質(zhì)和荷載特點(diǎn)進(jìn)行選擇，確保連接的牢固性和穩(wěn)定性，在節(jié)點(diǎn)的連接設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮連接的剛度和變形能力，從而適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形和位移。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)還具有適應(yīng)多種工況的功能，在實(shí)際使用中結(jié)構(gòu)會(huì)面對(duì)不同的荷載和環(huán)境條件，比如風(fēng)荷載、地震荷載、溫度變化等，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮這些工況的影響，保證結(jié)構(gòu)在各種工況下的穩(wěn)定性和安全性；鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用多種方法，比如增加剪力連接、設(shè)置阻尼器等，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和適應(yīng)能力。此外，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮施工的可行性和經(jīng)濟(jì)，在實(shí)際施工中節(jié)點(diǎn)的加工和安裝可能涉及復(fù)雜的工藝和設(shè)備，所以節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡化和標(biāo)準(zhǔn)化，方便施工過程中的操作和調(diào)整，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中要考慮到材料的利用率和成本效益，以降低結(jié)構(gòu)的建造成本。

鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一些基本原則，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，確保節(jié)點(diǎn)能夠承受荷載并保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)注重材料的選擇和加工工藝，以提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和耐久性；節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的變形和位移，確保節(jié)點(diǎn)能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形需求。在實(shí)際應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、荷載條件和施工要求等因素，確保結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)和可行性，通過深入研究和分析節(jié)點(diǎn)的建構(gòu)學(xué)原理，合理運(yùn)用設(shè)計(jì)原則和工程實(shí)踐，可以不斷提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的性能和質(zhì)量，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑材料的建構(gòu)學(xué)分析

在鋼結(jié)構(gòu)建筑材料的建構(gòu)學(xué)分析中，需要從材料自身的物理力學(xué)與空間表現(xiàn)性兩個(gè)角度出發(fā)，才能夠明確建構(gòu)學(xué)的要點(diǎn)。

3.1 材料的物理力學(xué)分析

首先，鋼結(jié)構(gòu)建筑材料具有高強(qiáng)度的特點(diǎn)，鋼材是一種具有較高強(qiáng)度和硬度的金屬材料，能夠承受較大的外部荷載而不產(chǎn)生過大的變形和破壞，鋼結(jié)構(gòu)建筑中常使用的鋼材種類有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度鋼等，鋼材具有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度，能夠滿足結(jié)構(gòu)在不同工況下的強(qiáng)度需求。其次，鋼結(jié)構(gòu)建筑材料具有良好的剛度特性，剛度是材料抵抗變形的能力，反映了材料在受力后的變形程度，鋼材具有較高的彈性模量和剛度，使得鋼結(jié)構(gòu)能夠保持穩(wěn)定的形狀和結(jié)構(gòu)完整性，剛性特性使得鋼結(jié)構(gòu)能夠承受大荷載而不產(chǎn)生過大的變形，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。第三，鋼結(jié)構(gòu)建筑材料具有較好的韌性，韌性是材料抵抗斷裂的能力，表示材料在受力下的變形能力和吸能能力，鋼材具有良好的韌性，能夠在受到?jīng)_擊或高應(yīng)力加載時(shí)產(chǎn)生塑性變形，從而吸收能量和延緩破壞的發(fā)生，韌性特性使得鋼結(jié)構(gòu)在地震、風(fēng)荷載等突發(fā)荷載下具有較好的抗震和抗風(fēng)性能。最后，鋼結(jié)構(gòu)建筑材料具有較好的耐腐蝕性和耐久性，鋼材通過表面涂層或采用不銹鋼等材料進(jìn)行保護(hù)，能夠抵抗大氣、水分和化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命[4]。

3.2 空間表現(xiàn)性

從建構(gòu)學(xué)的層面來看，由于鋼材具有良好的可塑性和可加工性，可以通過彎曲、焊接、切割等加工方式，將其打造成各種復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)，使得鋼結(jié)構(gòu)建筑在空間設(shè)計(jì)中具有更大的設(shè)計(jì)自由度，能夠創(chuàng)造出富有創(chuàng)意和個(gè)性化的建筑形式，無論是曲線造型、流線型結(jié)構(gòu)還是多角形體量，鋼結(jié)構(gòu)材料能夠靈活應(yīng)用，創(chuàng)造出豐富多樣的空間效果。相比傳統(tǒng)建筑材料，鋼材具有較高的強(qiáng)度和較小的密度，使得鋼結(jié)構(gòu)建筑具有較輕的自重，能夠創(chuàng)造出開放、寬敞的空間感，鋼結(jié)構(gòu)的薄弱和透明性賦予了建筑物優(yōu)雅、輕盈的外觀，使其在空間中呈現(xiàn)出獨(dú)特的氣質(zhì)和韻律感。同時(shí)，鋼材具有較好的跨度能力和抗壓性能，可以創(chuàng)造出大跨度的空間結(jié)構(gòu)，提供廣闊開放的空間體驗(yàn)，鋼結(jié)構(gòu)建筑通常采用大面積的玻璃幕墻或開放式的設(shè)計(jì)，使室內(nèi)與室外空間融為一體，提供了通透、明亮的空間感受，開放性的設(shè)計(jì)能夠與自然環(huán)境相融合，使人們能夠更好地享受自然景觀和室內(nèi)外的連接。除此之外，鋼結(jié)構(gòu)建筑材料的創(chuàng)新性，為其空間表現(xiàn)性提供了廣闊的發(fā)展空間，鋼材的特性使得鋼結(jié)構(gòu)建筑能夠?qū)崿F(xiàn)更大膽、更具創(chuàng)意的設(shè)計(jì)理念，創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式、獨(dú)特的空間布局以及前衛(wèi)的外觀設(shè)計(jì)都可以通過鋼結(jié)構(gòu)材料得以實(shí)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)建筑材料的創(chuàng)新性帶來了建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的突破和變革，為空間表現(xiàn)性帶來了更多的可能性。

3.3 實(shí)例分析—玻璃與鋼

玻璃作為一種透明材料，具有優(yōu)秀的光傳遞性和視覺通透性，能夠?yàn)榻ㄖ愍?dú)特的空間感受，玻璃墻面和窗戶的運(yùn)用可以打破建筑的封閉感，將室內(nèi)與室外空間連接起來，創(chuàng)造出通透明亮的空間環(huán)境。通過玻璃的使用，建筑內(nèi)外的景觀可以相互呼應(yīng)，自然光線得以充分利用，使室內(nèi)空間變得明亮、開放、寬敞；同時(shí)玻璃還可以承載建筑的功能性需求，比如遮陽、保溫、隔音等，提升建筑的舒適度和可持續(xù)性。鋼材料作為一種強(qiáng)度高、塑性好的結(jié)構(gòu)材料，為玻璃提供了穩(wěn)定的支撐和保護(hù)，鋼結(jié)構(gòu)的使用可以實(shí)現(xiàn)大跨度的建筑設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出寬敞開闊的空間形式，鋼結(jié)構(gòu)的輕巧特性使得建筑物的自重減小，從而增加了設(shè)計(jì)上的自由度；鋼材料的形態(tài)多樣性也為建筑設(shè)計(jì)帶來了更多的可能性，比如鋼結(jié)構(gòu)的曲線形態(tài)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等，可以形成獨(dú)特的建筑形象和空間體驗(yàn)。玻璃與鋼的結(jié)合在鋼結(jié)構(gòu)建筑中呈現(xiàn)出獨(dú)特的空間表現(xiàn)性，二者共同運(yùn)用可以打破傳統(tǒng)建筑材料的局限性，創(chuàng)造出現(xiàn)代感和輕盈感的空間形象，通過透明的玻璃墻面和鋼結(jié)構(gòu)的線條，建筑內(nèi)外的景觀可以相互交融，人們可以在室內(nèi)欣賞到室外的美景。此外，玻璃與鋼的運(yùn)用還可以形成豐富的反射、折射和透射效果，隨著光線的變化，呈現(xiàn)出不同的空間氛圍和表現(xiàn)形式。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文簡要闡述了建構(gòu)學(xué)的基本內(nèi)涵及其功能，并分別從節(jié)點(diǎn)與材料兩個(gè)方面對(duì)其建構(gòu)學(xué)進(jìn)行分析，希望可以對(duì)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域起到一定的借鑒與幫助作用，推動(dòng)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展。