建筑与结构的关系

建筑结构与选型设计结课论文天津大学建筑学院城市规划1班贠毅超指导教师：张晋元1建筑与结构的关系导言：作为设计与建造服务于人类各项需求的构筑物的基础学科，建筑设计与结构设计曾经在很长的一段时间内被笼统归纳为广义的建筑学——建筑师既承担建筑的平面布局与立面造型设计，同时又作为结构工程师，直接或间接地参与全部建造过程。工业革命之后，特别是近现代以来，由于结构计算和设计的愈加复杂，单纯的造型设计功底，无法在满足大型现代建筑结构设计的要求。于是，建筑设计与结构设计走上了两条完全不同的道路前者更注重造型设计，力求体现个性；后者更注重严谨计算下得出的安全性、实用性、经济性的统一。这种学科的分离，也导致了两大学科的一些矛盾：建筑设计师认为结构工程师过多的限制设计的自由；而结构工程师则苦恼于建筑设计师不切实际的想象力造成的巨大工作负担。本文将以这一矛盾为切入点，以不同时代的标志建筑为案例通过对结构选型的美学价值以及安全价值的分析与论述，配合本人的实际设计案例这三个方面的内容，意图还原建筑与结构的真正关系。一、结构美学——一个建筑师的理性设计从古至今，从石拱结构到巨型桁架体系，从精心雕琢的巨石到光滑柔和的清水混凝土——一切伟大的人类建筑，无疑也是对结构美学生动讴歌。结构，不单单是建筑的支撑体系，更是建筑理性之美的源泉。在1889年法国埃菲尔铁塔建筑落成之前，埃及的胡夫金字塔一直是全世界最高的建筑。这座高达146.9米的巨型建筑外观呈四角锥形，底面正方形，边长230多米。塔身由230万块石块砌筑而成，其中外层石块11500块，平均重量达到了2.5吨。有趣的是，这样一座宏伟的奇观功能只是作为陵墓而已。而令人叹为观止的完美四角锥造型也更多是结构合理的考虑：原石更易被加工成矩形的石块，而四角锥形51º51’的底角使整体结构更加趋于稳定。胡夫金字塔的工程设计师并没有单纯地美学角度考虑问题，而是通过结构计算确定塔身的整体造型。这一理性的形态比例又恰恰符合了艺术的审美比例，不能不说是一种情理之中的伟大巧合。如果说理性的结构计算赋予古典建筑严谨的几何比例，那么拱结构的使用则成为了结构从纯粹的功能构件走向美学欣赏价值的重要飞跃。事实上，作为重要横向构件的梁，一直是困扰人类空间营造的一项技术难题——为了实现大空间，就必须实现大跨度。使用石材，由于自重过大，无法满足吊装的要求；使用木结构，虽然可以轻易实现大跨度，但木材自身不耐腐蚀、易燃烧，长时间承受应力会导致弯曲变形等缺点，又注定了它不能作为稳定而长久的建筑结构。而拱结构的特点在于，将竖向荷载转化为轴力，在满足抵消侧推力与承担竖向荷载的条图1.1埃及金字塔远眺建筑结构与选型设计结课论文天津大学建筑学院城市规划1班贠毅超指导教师：张晋元2件下，可以轻易实现较大的跨度，而拱自身独特的审美价值也直接体现了结构的美学。以闻名的赵州桥为例，结构设计师李春先先从跨度及稳定性的角度，确定桥下沿拱曲线。但这一曲线由于过于陡峭而无法满足通行的需求。所以，又在第一条拱曲线的上方设计了另一条较为平缓的拱曲线，通过第一拱支撑第二拱的荷载。新的问题又出现了，两拱之间的实体填充又会在桥端部形成巨大的自重，是桥身整体质量分布不均。于是，李春又创造性的在桥两端开出一对拱形的孔洞，既减轻了自重，又提供了泄洪的孔道，可谓一举两得。毫无疑问，赵州桥双拱曲的造型以及端部打开的孔洞是极富个性的造型设计。同时，这一造型也建立在理性的结构思考之上，体现了对拱结构特性的完美运用。所以，从根本上说，建筑设计与结构设计只存在相对的矛盾——通过理性的结构选型与大胆的艺术创新，我们也能创造出艺术和工程角度的双重杰作。现代建筑的结构体系给予了我们更大的造型自由；更大的跨度，更多变的平面布局，更多的可供选择的结构类型与建筑材料。如何在这一体系实现富裕工程理性的艺术创造力，正是现代建筑师面临的巨大课题。一个杰出的实例是，由贝聿铭主持设计的香港中银大厦。大厦建于1990年5月，地面以上70层，高达315米；平面呈52*52的正方形，沿对角线方向分成四个三角形区域向上，每隔若干层切去一个，直到44层保留1/4，成为至顶层的三角形，形成棱晶形的独特结构。使用了钢—混凝土混合结构的巨型桁架体系，充分发挥了材料的特性，是工程造价仅为28亿美元，而其149kg/m²则成为了新一代高层建筑的先驱。一般说来，超高层建筑为了抵抗水平力作用并减小自重，常会采取Y型核心筒结构。于是，在很长的一段时间内，我们对超高层建筑形象的认识就只限于Y型平面的塔楼。而贝聿铭则以他喜爱的三角形为出发点，充分考虑高层核心筒结构体系的特点，创造性的将平面三角形形扩展为空间的三角体系，形成类似棱晶结构的巨型桁架体系。外桁架既是重要的结构部件，又是建筑体量的外在骨架。不难看出，身为建筑师的贝聿铭一定也有着深刻的结构工程知识，才能将建筑由平面的草图三角发展成为棱晶式的结构，并在此基础上衍生出符合超高层建筑受力特点的巨型桁架体系。香港中银大厦的落成，无疑是对现代建筑结构工程技术美学的又一次成功诠释。现代建筑的基本材料，钢筋与混凝土，一度被认为是现代文明机械与非生命性的罪魁祸首。钢筋混凝土的森林里，那些冰冷的混凝土框架，巨型的塔柱，与穿满钢筋的剪力墙结构成为了文明的光鲜遮掩之下的丑陋内涵——但大众的负面映像却无法阻止现代建筑师与结构工程师，为改变混凝土材料外观与质感付出的不懈努力——清水混凝土的发明与运用，即图1.3香港中银大厦图1.2赵州桥建筑结构与选型设计结课论文天津大学建筑学院城市规划1班贠毅超指导教师：张晋元3是一个最佳的例证。这种技术产生于20世纪20年代，并成熟于日本。日本人改良了水泥墙面不加修饰的处理方法，利用现代的外墙修饰技术，将水泥墙面拆掉模板后进行细致的处理，使水泥表面达到非常细腻的效果，充分表达出水泥自身特有的原始与质朴。日本建筑师安藤忠雄，素有‘清水混凝土诗人之称“，他设计的建筑多仅以清水混凝土装饰墙面，平面布局简单，建筑形态质朴素净。比如他的代表作之一的“光之教堂”，平面只是一个略加扭转的矩形；建筑末端，开出十字星的孔洞。结构在这里就是建筑的全部，钢筋混凝土现浇墙，使用技术处理成光滑柔和的清水墙面，屋面板以及各类建筑构件以最原始和自然的方式直接展示在使用者面前。随着清晨的阳光透过十字孔洞射入大堂，清水的墙面泛起安详的柔光，置身和谐高宽比例的结构之中，注视混凝土天然的色泽——结构，凭借着技术，向人类展示着科学为建筑空间带来的无限美好。二、结构安全——一个建筑师的社会责任2008年5月12日，随着大地的剧烈震颤，汶川县城遭遇了建国以来最严重的破坏：8.9级的强震使市区建筑的90%完全倒塌，除了少部分逃生者外，多数人被瞬间掩埋在建筑的废墟之中。面对这一突如其来的特大灾难，细心的人却会发现一些建筑在震后依旧安然矗立。而那些经历强震，拯救了无数人性命安全结构，正是结构工程师和建筑师的社会责任感的直接体现。不妨仍旧从埃及的胡夫金字塔说起。事实上，自从1885年埃菲尔铁塔落成之后，金字塔早已失去了它人类最高建筑的宝冠，但世人依旧为他称奇。原因在于，我们无法确保埃菲尔铁塔在几百年后能否依旧矗立，而眼前的金字塔却已经安然耸立了四千年之久——一个现代技术的结晶竟然在时间的长河中轻易的被四千年前的建筑所打败，而究其本源，其实正是结构安全性的直接较量。埃菲尔铁塔虽然其名铁塔，但从结构角度，它只是一个超级庞大的巨型桁架。上部所有构件的荷载被全部传递到下方四个巨型桁架支座上，内部的应力通过高强螺栓被强制束缚在结构之内。久而久之，随着钢材构件的老化，势必会造成很多意料之外的影响。更为可怕的是，如果四个桁架支座的其中一条遭图1.4安藤忠雄光之教堂内景图2.1巴黎埃菲尔铁塔建筑结构与选型设计结课论文天津大学建筑学院城市规划1班贠毅超指导教师：张晋元4到破坏，塔身立刻会进入失稳体系，任何微小外力都有可能导致结构平衡的打破。所以，看似稳定安全的埃菲尔铁塔也是一颗捆绑在稳定基座上的定时炸弹——一旦结构遭受破坏，发生连锁反应会立刻将这个人类技术的骄傲瞬间变为废墟。金字塔虽然结构笨重，却是一个静定体系。它的外形在倾角上类似于锥形的山峰，地震力、风力等各种外力的作用虽会逐渐侵蚀结构，但这种破坏亦是符合建筑自身的结构特点的。因此，无论发生何种破坏，结构总能立刻在内部形成新的平衡体系。或者说，但发生外力破坏时，结构并不会立刻完全损坏，使得人们可以对建筑进行修复，或者可以安全的逃离结构——而这，正是安全结构设计的关键。文艺复兴时期建造的佛罗伦萨主教堂穹顶正是对这一原则的饯行：设计者伯鲁乃列斯基潜心学习古代拱券技术，不仅考虑了穹顶得排水。采光和设置小楼梯等问题，还考虑了风力、暴风雨和地震，提出了专项应对措施。首先，将巨大的穹顶安置于石质的鼓座之上，不仅有效抵消了拱形的侧推力，同时提高结构的自稳定性。其次，关于穹顶的构造，采用了矢形的截面，并使用了骨架券的结构。这种骨架券在八边形的八个角上升起8个主券，8个边上又各有两根次券。每两根主券之间由下至上水平地砌9道平券，把主券、次券连成整体。大小券在顶上由一个8边形的收束环，环上压采光亭，形成稳定的骨架结构。穹顶是双层的，并在内部设置两圈环形的走廊，增强了结构的整体刚度。穹顶的底部，设有一圈铁链抵消侧推力；在将近1/3高度的地方设有木箍，同时，大量的铆钉，插销都共轭形成了稳定的结构体系——即使遭到破坏，也不会完全影响结构的整体刚度；而多管齐下，相互制约的结构模式使得穹顶在最少的材料消耗下形成刚度极强的整体。无独有偶，千里之外的中国也在结构安全性的领域取得长足的进展。山西省朔州是应县的佛宫寺释迦塔，始建于公元1256年。塔身坐落在四米高的台基之上，塔高67.31米，底层直径30.27米，成平面八角形。共五层六檐，还包含若干暗层（实际9层）。各层均用内外两圈木柱支撑，每层外有二十四根柱子，内有八根，木柱间使用了大量的斜撑、梁、枋和短柱，组成了极为复杂的木梁体系。细致的分析研究表明，木塔是双层套筒式结构，这与现今高层抗震安全设计采用的核心筒架构极为类似。暗层中使用的大量斜撑，起到了现今抗震构造中圈梁的作用。而更为重要的是，木材本身的一项极易被忽略的属性：结构韧性。事实上，砖石混凝土等刚性较大的材料，在遇到地震时会结构内部产生巨大的应力；一旦应力突破的材料极限就会立即破坏。木材由于木纤维的特性，具有较强的韧性，使得它在发生一般挠曲后图2.2佛罗伦萨主教堂剖面图图2.3应县木塔结构示意图建筑结构与选型设计结课论文天津大学建筑学院城市规划1班贠毅超指导教师：张晋元5仍可恢复原状或者达到新的静定状态。对于现代建筑的启示是：有意识的在方案初步以及结构选型阶段即考虑加入柔性架空结构。比如，设置柔性隔离层，安装阻尼抗震球；形态设计上，劲量避免建筑质心与应力中心的偏离，避免过多的细微变化导致的建筑刚度的突变。在最近的日本海啸中，我们看到，随着地面剧烈的震动，东京市的高层剧烈的摇晃，却没有产生丝毫的结构损坏。得益于柔性架空结构，高层建筑好像风吹拂的枝条不停地摇曳，将地震力完全吸收，从而将地震对建筑的影响降至最低。钢材是一种优良的结构材料：既具有足够的结构强度，又有极为优秀的容重。更重要的是，钢材是继木材之后又一种韧性材料。当强震来袭时，材料自身的弯曲变形即刻将能量转化吸收；同时，由于极大的结构刚度与较低的结构重量，使得钢结构成为了超高层建筑普遍采用的结构形式。但纯钢结构究竟不是一种安全的结构体系。由于钢材自身的耐火特性较低，在高温燃烧下很快失去大部分的结构刚度，使得原本安全的构架瞬间变为一滩软泥。我们已经在“911”事件中见证了这一惨剧：恐怖分子劫持客机的直接碰撞都无法破坏钢结构的稳定性，但随后的燃油泄漏以及诱发的大火确实钢材完全失去结构强度。若干小时之后，世贸双塔楼，这一曾经作为纽约曼哈顿新地标的建筑随着主要结构的崩坏而垂直倒塌，上万人不幸罹难。“911”事件带来的教训是，超高层建筑设计必须有一个耐火等级极高的核心，即核心筒架构。事实上，在日后新建的高层建筑大都采用了这一体系。譬如上海金茂大厦，核心式中控的天井，但出