對鋼結構建筑結構表現的一些看法

農 海

柳州市建筑設計科學研究院 廣西 柳州 545001

【摘 要】在大力倡導建設綠色家園的時代背景下，鋼結構作為一種可回收的材料，在建筑上逐漸受到廣泛的關注。隨著鋼結構產業的迅速發展，鋼結構被廣泛運用到實際建筑結構中，并獲得了極大的認可和關注。本文將從鋼結構建筑結構的形態特征及其結構形式和空間造型方面進行分析。

【關鍵詞】鋼結構；建筑結構；表現；空間造型

0引言

跟傳統的建筑材料相比，鋼的性能更加優越，它是一種輕質高強的材料，有著極強的抗壓和抗拉性能，這也決定了其獨特的造型表現潛力及設計策略。在早期的鋼結構的建筑中，由于在傳統的審美觀念下，鋼結構僅僅是用來作為建筑結構的支撐，主體部分仍然是以石砌結構為主，在建筑行業飛速發展的今天，對于建筑結構的審美要求越來越高，因此對于鋼結構建筑來說，其結構表現能力得到了很大的發揮，在很多的鋼結構建筑中，我們可以看到那些鋼鐵構件優美的暴露在表面，給建筑帶來了極好的視覺效果，并且依然能保證有著優質的結構性能。

1 形態特征

1.1虛空的桿件體系

鋼結構建筑的結構主要是以桿件體系為主，且都為細長構件，即結構的構件長度要遠大于其截面尺寸，比如梁、柱、拉壓桿等。結構構件對空間邊界的限定作用不強，這些桿件可以設置在圍護表層以內，也可以設置在圍護表層以外，若沒有這些圍護表層，就可以呈現出很好的視覺效果。雖然鋼結構的內部空間具有結構構件，但其構件大多細小，構件在空間中可以相互串通，具有很大的靈活性。

對于一些在鋼結構中經常用的鋼材，比如型鋼、線材等都是以半成品的方式出現，這些構件之間的連接主要是以點為連接方式，并且這些材料的強度都非常高，比較小的截面面積就可以承受很大的荷載。因此，鋼結構大多是以桿件體系作為主要的結構。

1.2構件形式各異

對于鋼結構來說，其材料具有很高的強度，組成結構的這些桿件的長度很大，截面尺寸相對較小，因此在承受相同的荷載下，鋼構件的截面尺寸是遠遠小于磚石結構和混凝土結構的截面尺寸，所以，鋼結構的構件和整個結構的剛度都要小于相同條件下的混凝土結構的剛度。由于這種情況的存在，對于構件或結構就需要著重考慮其穩定性。因此在構件設計或結構設計時需要作為控制性因素進行考慮。比如鋼結構的構件在收到軸向壓力的時候，其控制性因素并不是材料的強度而是其穩定性。

在鋼結構中經常會用到各種形式的穩定性構件來防止失穩破壞，如在鋼梁上經常用到的加勁肋，格構柱上使用的綴條；鋼屋架之間的橫向和縱向支撐桿和高層結構中經常用到的各種拉桿，這些都是通過各種有效的措施來提高結構的穩定性。

另外，在結構的平衡和穩定中，拉桿起著非常大的作用，大多出現在帶有索的結構系統中，如懸索結構、懸掛結構、帳篷結構、索桿結構等，這也在根本上改變了傳統建筑基于受壓理論的空間造型特征，讓結構看起來更加美觀雅致，給人一種飄然的感覺。在一些特殊的結構中，甚至還會給人一種奇妙、刺激驚險的藝術效果。要充分利用鋼材結構特征多樣的性能，必須在保證結構安全的前提下，對其進行合理的設計處理，創造出造型獨特的鋼結構建筑。

1.3細部構造精美

焊接、鉚接和螺栓連接是鋼結構構件連接的基本方式，這些構件及其連接件大多都是在工廠預制，并能達到很高的精確度，對于節點的連接，其精確度和美觀度要充分表現出來，結構的節點是要進行力的傳遞，且是多種材料交匯連接的地方。對于現在建筑結構來說，節點不僅要保證安全的傳遞荷載，還要具有優美的表觀效果。因此這就需要通過高科技進行加工并采用巧妙的構造方式，讓這些結構中的細部構造體現出美感，散發出鋼結構建筑的魅力。

2結構形式與空間造型多樣

在現代建筑結構設計中，為了滿足建筑各方面的要求，要合理組織和確定結構各部分的傳輸系統和傳力方式，并將其有機的結合起來。這不僅要考慮和解決好建筑功能方面問題，還必須得利用邏輯思維對建筑結構進行科學的創新，并展現優美的建筑藝術。對于鋼結構建筑來說，在形式上有巨大的潛力去探索，但這都是以鋼結構的基本力學性能為基礎進行探索，從各個角度尋找創新靈感，一些創新形的結構形式對于現實社會來說不是經濟的，但是在科學的分析中確實經濟合理的。對于一些具有高科技的建筑形式主要采用的是張拉、向心、開放式結構體系。

2.1張拉結構體系

在鋼結構建筑出現之前，由于砌體和鋼筋混凝土的抗拉強度極低，結構內力基本上都是通過壓力作用方式傳遞。當結構受風和地震的水平作用，導致結構中產生拉力，就需要通過各種方式將拉力減小或轉化成壓力。自從鋼結構的出現，以前的結構觀念完全改變，由于鋼具有良好的拉伸性能，特別是各種拉力索用于促進各種新形式的張力系統的出現，如懸掛結構，懸索結構。懸索結構由于掛點的需求往往設有很高的頂柱、鋼架等凸出物，形成的立柱、支撐等構件大多暴露在空氣中，因此這些線元素給人帶來了一種復雜的視覺特征。下圖1為張拉結構。

圖1 張拉結構

2.2向心結構體系

平面體系幾何不穩定是以平行四邊形為特征，從中產生過很多建筑形式，如古埃及的巨石建筑，羅馬的柱式建筑以及現在的框架結構建筑。這種形式的自身就存在不足，這種形式的結構每當增加高度或者跨度，都會使其自重成倍增加。向心結構體系則與此相反，其以符合力學特征為基礎的幾何形式，從中產生了哥特式建筑，羅馬拱券以及今天的高層和大跨度建筑。

向心結構體系的發展加速了建筑業的發展，同時也伴隨著幾何學的發展和應用，這種向心體系和平面體系相比有著很大的優越性：①創造的建筑內部有巨大的無支撐空間或超高層建筑結構；②使用更多預制的小空間單元，生產、裝卸方便；③以高強度覆蓋一般空間或起支撐體作用，在上面可以隨意懸掛其他構件。

2.3開放式結構體系

正是先進的技術推動了對于結構開放式的追求，使建筑結構的空間呈現出開放性和生長性?？梢哉f的是，開放式的結構和空間是源自于對生態系統的認識。生態系統本身就是一個高度有序的開放式系統，因此對于建筑結構來說，系統的有序性體現在空間結構的規則和時間上有規律的運動秩序。所以說，首要的是要求建筑結構系統具有開放性。

結構系統由很多不同大小的結構構件，依照相應的等級和次序裝配而成，隨著建筑的維護、更新和擴建，其內部空間和外在形象是允許轉變的，允許各種性質各異的變化，使建筑像生命一樣新陳代謝，長時間發揮其作用，增強建筑的靈活性和適應性。

對于高水平建筑師們在開放性結構上的探究可以總結為三點①利用先進化的工業生產方式和結構單元通過預制的標準化構件進行組合，然后將這些單元進行組裝形成結構系統，以門、窗、墻板、屋面板等維護結構維護分割或覆蓋整個結構，，共同承擔建筑的自重及所受的外荷載的作用。②使結構系統具有較大的靈活多變性。并讓各個系統有機的結合在一起，為今后可能出現的建筑修筑、改建或擴建提供方便，讓室內和室外的空間布置更加靈活。對于可能發生的空間使用和安裝設備的變化提供可能性。使建筑的結構系統能夠變成有序的動態開放的形式，對于物質和能量的交換，在各個系統的內部與外部環境之間都可以進行。③對于建筑材料的選用，要選取質量輕和強度高的材料，集成化和工業化程度要高，采用可方便裝卸的標準預制構件