建筑結(jié)構(gòu)體系初探

建筑結(jié)構(gòu)體系初探結(jié)構(gòu)是建筑的骨架，是建筑賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同的建筑功能要求，要求建筑采用不同的結(jié)構(gòu)型式與體系。按其采用主要承重材料的不同，結(jié)構(gòu)可分為鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)；按組成結(jié)構(gòu)單元的幾何尺度與線、面、體的不同，結(jié)構(gòu)可分又為桿件結(jié)構(gòu)，薄壁結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)；按結(jié)構(gòu)承荷傳力的單向或多向不同，結(jié)構(gòu)可分為平面結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)。小空間的低層與多層房屋，多采用磚混建筑結(jié)構(gòu)。因其空間不大，可采用鋼、木、鋼筋混凝土作樓屋蓋，而用磚石作承重墻，柱?？臻g稍大、層數(shù)較多，尤其在地震區(qū)的多層和高層建筑多采用混凝土或鋼材的框架、框架—剪力墻、剪力墻、筒體等結(jié)構(gòu)。大空間的單層或多層房屋，多采用中跨與大跨建筑結(jié)構(gòu)。用各種建筑材料作梁，桁架，排架，拱，殼、折板、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索等結(jié)構(gòu)。大跨度結(jié)構(gòu)在橋梁上的應(yīng)用是很典型的，很多大跨度結(jié)構(gòu)型式也同樣被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，如大型桁架、預(yù)應(yīng)力大梁、大跨度拱、懸索等。隨著建筑材料和建筑技術(shù)的發(fā)展，越來越多的原來只在橋梁中使用的結(jié)構(gòu)，在建筑中也得到了廣泛的使用。選擇什么樣的結(jié)構(gòu)，要根據(jù)建筑的要求來確定。從宏觀上看，跨度與高度是選擇結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)，由于跨度與高度的變化，結(jié)構(gòu)形式會產(chǎn)生較大的差異。但是在同樣的跨度與高度前提下，并不是僅僅存在一種可以選擇的結(jié)構(gòu)，這是就要考慮多方面的因素，包括適用功能、美觀效果與經(jīng)濟(jì)性等多方面。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是極其復(fù)雜的，力學(xué)計(jì)算僅僅是對于結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖與荷載簡化模式的分析，實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀況存在著大量的被忽略的內(nèi)容。因此作為結(jié)構(gòu)工程師，不能簡單的依靠力學(xué)分析，更不能依靠計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果，而應(yīng)該根據(jù)力學(xué)與結(jié)構(gòu)的基本概念，把握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中宏觀的結(jié)構(gòu)體系與概念原則。這種宏觀的結(jié)構(gòu)體系與概念原則，就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)的概念設(shè)計(jì)原則。尤其對于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，概念原則更為重要。結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、效率與構(gòu)件的形式經(jīng)濟(jì)性與效率是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，也是價值工程的焦點(diǎn)——以最少的投入，獲得最高的產(chǎn)出。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時也是同樣，結(jié)構(gòu)工程師要根據(jù)建筑師對于建筑空間的要求，以最簡潔的結(jié)構(gòu)與用材滿足其要求，這就要求結(jié)構(gòu)工程師能夠精確的把握力學(xué)、材料以及施工工藝等多方面的知識與技巧，才能達(dá)到這一目的。結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性在滿足規(guī)范要求的堅(jiān)固與安全前提下，結(jié)構(gòu)工程師要全面綜合考慮建筑物在施工與使用期間，所有一切因素所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效果。很難設(shè)想，一個不經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)能稱得上好的設(shè)計(jì)。如前面設(shè)計(jì)原理所提到的，恰當(dāng)?shù)倪x擇結(jié)構(gòu)形式與構(gòu)件尺度，是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程師專業(yè)水準(zhǔn)的重要標(biāo)志。一個建筑物的經(jīng)濟(jì)性通常包括下列三大方面：首先，建筑物的靜態(tài)成本，即通常一般人們所認(rèn)為的經(jīng)濟(jì)性概念。雖然建筑物的成本費(fèi)用，隨時間、地點(diǎn)，建材生產(chǎn)與施工技術(shù)水平而不斷變化，但在一定的時期與范圍內(nèi)，這些費(fèi)用是相對固定的。建筑物的靜態(tài)成本，主要包括土建費(fèi)用與建筑設(shè)備費(fèi)用。它們與生產(chǎn)水平、施工技術(shù)、勞動效率等密切相關(guān)，先進(jìn)的工業(yè)化國家的機(jī)械化程度高，材料價格低于勞力價格，所以大量采用預(yù)制裝配化程度高的鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。發(fā)展中國家的勞力價格低于材料價格，故使用大量人力與小型機(jī)具施工，多采用磚石與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。當(dāng)然造價也受到其他如抗震、防火等次要因素的影響。另外，造價也受建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備三專業(yè)的相互影響，不能專注于降低某一專業(yè)的造價，而不顧其他兩專業(yè)的造價。其次，建筑物的動態(tài)成本，即建筑物投入使用后，為保證其適用功能而進(jìn)行的維護(hù)、修繕費(fèi)用。節(jié)省一次投資而造成長期維修成本高昂投入，或者其他連續(xù)性的問題的工程例子是很多的。維修成本包括建筑構(gòu)造與結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)（如露面鋼材需要除銹刷漆等的保養(yǎng)與維修費(fèi)）和保持正常使用環(huán)境（如采光、空調(diào)等）的能源與材料消耗費(fèi)用。另外，動態(tài)成本還應(yīng)包括早日竣工投產(chǎn)、收回投資、加速資金周轉(zhuǎn)等因素在內(nèi)。第三，建筑物的廣義成本，即由于建筑物所產(chǎn)生的社會與環(huán)境問題及其成本。雖然建設(shè)成本問題并不是大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者所要考慮的，這屬于投資決策問題。但在某些特殊問題上，結(jié)構(gòu)工程師的選擇是極其關(guān)鍵的。正如橋梁設(shè)計(jì)中橋高的選擇一樣：較高的橋面高度會帶來巨大的投資增加；而較低矮的橋面高度雖然成本相對低廉，但會限制大型船只在橋下的通行，造成運(yùn)輸障礙?，F(xiàn)在很多海灣都謀求建設(shè)跨海大橋，橋面的高度控制就是十分關(guān)鍵的建筑結(jié)構(gòu)——社會效益問題，低矮的橋面可能使某些港口資源不能被充分的利用。結(jié)構(gòu)本身的投資是一個復(fù)雜的問題，在鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的選擇過程中，尤其體現(xiàn)了這一點(diǎn)。這種投資比較不能是簡單的、靜態(tài)的、孤立的過程，一個成熟的設(shè)計(jì)師要在直接的材料成本、施工工藝成本、空間使用效率、建筑設(shè)備的協(xié)調(diào)、維修維護(hù)的費(fèi)用、意外事件的安全性甚至拆除成本與回收價值等多方面來探討結(jié)構(gòu)的選擇問題。這沒有一個唯一的答案，不同的建筑所處的情況與環(huán)境不同，結(jié)論也大相徑庭。C

延伸閱讀：建筑經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)構(gòu)的效率所謂結(jié)構(gòu)的效率是指結(jié)構(gòu)所固有合理性——結(jié)構(gòu)對于所承接的荷載進(jìn)行傳遞時，其簡潔性、實(shí)用性與可靠性。建筑結(jié)構(gòu)的最直接的目的是形成人工環(huán)境的空間體系，為此，結(jié)構(gòu)構(gòu)件以各種不同方式跨越空間，靠靜力平衡來抗衡荷載并傳遞荷載，最終把力傳到基礎(chǔ)與地基上，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最基本任務(wù)。簡捷有效的傳力體系是設(shè)計(jì)的目標(biāo)，為取得最高的承載效率，要做到：1.提高傳力的效率——一切荷載應(yīng)盡可能的以最短路線取得平衡并傳到地基；2.保證材料的效率——一切結(jié)構(gòu)材料應(yīng)發(fā)揮出最大強(qiáng)度潛力，以抗衡荷載。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是遵循著這些內(nèi)在而必然的客觀規(guī)律向前發(fā)展、不斷進(jìn)步、永無止境。自古至今，無論中外，一概如此，這是推動結(jié)構(gòu)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律。這些規(guī)律的中心是如何用材，即提高并發(fā)揮結(jié)構(gòu)材料的最大效率。傳力效率從長期實(shí)踐驗(yàn)證中積累的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一條最為基本的原理：傳力不能走“彎路”——結(jié)構(gòu)上的所有荷載，最佳傳遞路徑是能被支座反力直接平衡——即從荷載作用點(diǎn)通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件、支座到達(dá)地基的傳力路線越短，則構(gòu)件用料越少、結(jié)構(gòu)自重越輕、經(jīng)濟(jì)效率也越好。由此出發(fā)，來改進(jìn)、尋求、探索更經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)結(jié)構(gòu)承荷傳力路線的長短，其荷載平衡方式有直接平衡、間接平衡與迂回平衡三種。1.直接平衡——既然荷載應(yīng)以最短、最直接途徑來達(dá)到平衡，那么二力平衡是最直接的平衡。如軸心受壓柱中，荷載直接沿柱軸線以最簡單，最直接，最短途徑傳入地基、達(dá)到平衡。嚴(yán)格地按照力的最短途徑來確定構(gòu)件外形應(yīng)是最經(jīng)濟(jì)方式，但在建筑中卻很不現(xiàn)實(shí)，因形成跨度是結(jié)構(gòu)的基本要求，而跨度的支座兩端距離較大，外荷載與支座反力并不共線，總要走一定“彎路”才能傳到支座上去。因此，建筑中的承荷傳力很少以這種最直接平衡方式出現(xiàn)，而更經(jīng)常以間接，甚至迂回平衡方式實(shí)現(xiàn)。但是，力的間接或迂回傳遞，就意味著降低效率，付出代價與提高造價。一個設(shè)計(jì)者必力跡線的走向與分布是布置格構(gòu)桿件的依據(jù)原則，使桿件盡量處于受拉的主應(yīng)力跡線上，可以獲得最大的受力效果。同時，為加大側(cè)向剛度——壓桿（墻、柱、撐、拱等）存在壓曲失穩(wěn)、拉桿（拉桿、懸索等）存在過于細(xì)長會柔軟與顫動，平面結(jié)構(gòu)（梁、柱、剛架、拱索等）存在過于單薄，要增設(shè)空間支撐或加大截面寬度。綜合抗彎與側(cè)向剛度雙重需要，為加大截面的高度與寬度，為材盡共用、把材料用到遠(yuǎn)離截面形心的上下與左右邊緣、遂成格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。構(gòu)件格構(gòu)化后的桿件，都是僅承受軸向拉力或壓力的二力桿或起到穩(wěn)定性的桿件。桁架是典型代表，可以使用桁架組成各種空間結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。構(gòu)件的合理性是相對的，受力合理只是其中的一個方面。矩形截面梁，受力有不合理的一面，但是它的外形簡單，制作方便，又有其合理的一面。在小跨度范圍內(nèi)，矩形曲面梁仍是廣泛應(yīng)用的構(gòu)件型式之一。梁、剛架、拱、索是最基本的四種結(jié)構(gòu)型式，各類結(jié)構(gòu)各有自己的跨度適用范圍。一般情況下，應(yīng)用最廣，最常見、也最基本的梁多用于小跨，用于中跨的梁應(yīng)與柱剛接形成剛架。索用于大跨。而拱，由于它宜于用磚、石、混凝土等耐壓材料，故應(yīng)用范圍極廣，能用于小跨，中跨以至大跨。另外，結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)選組合應(yīng)該大大提倡。這種工程實(shí)例很多，其中美國雷里競技館（Raleigh,1953年）的結(jié)構(gòu)體系就應(yīng)該值得稱頌。它是懸索結(jié)構(gòu)和拱式結(jié)構(gòu)的組合，是世界最早的雙曲拋物面懸索屋蓋。屋蓋采用