摘要:現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中采用鋼結(jié)構(gòu)的越來越多,特別是公共建筑和標(biāo)志性建筑。本文針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的特點(diǎn)并立足于現(xiàn)有條件,主要從技術(shù)層面和建筑設(shè)計(jì)與表現(xiàn)進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu) 建筑表現(xiàn)
建筑自人類產(chǎn)生以來都是人們生活的重要組成部分,但在很長(zhǎng)時(shí)間里運(yùn)用的都是石材,木材等。隨著科技的發(fā)展新型材料的運(yùn)用越來越廣泛,其中鋼材是其中普遍采用的一種。而以鋼結(jié)構(gòu)為主體的建筑是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流,鋼結(jié)構(gòu)建筑與鋼筋混凝土,砌體,木結(jié)構(gòu)建筑相比有一定的差別,鋼結(jié)構(gòu)建筑通常由型鋼、鋼管、鋼板等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)件組成,有的還用鋼鉸線、鋼絲繩(束)組成,其連接方式采用焊縫、螺栓或鉚釘連接,探討現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與表現(xiàn)具有重要的意義和價(jià)值。
一、鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展歷史
最早在建造房屋中使用鋼結(jié)構(gòu)的國(guó)家可以追溯到十八世紀(jì)末的英國(guó),一百年后法國(guó)工程師埃菲爾建造了著名的鐵塔,人們也開始嘗試建造鋼結(jié)構(gòu)的獨(dú)戶住宅,從此鋼結(jié)構(gòu)建筑徹底改變了以往建筑造型的模式,建筑設(shè)計(jì)的理念與方法亦隨之嬗變。早期的鋼結(jié)構(gòu)僅是部分構(gòu)件、配件用鑄鐵、熟鐵制成,到了19世紀(jì)80年代結(jié)構(gòu)型鋼的出現(xiàn)加快了鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的發(fā)展,使鋼結(jié)構(gòu)建筑在20世紀(jì)60年代實(shí)現(xiàn)了其第二次理論和實(shí)踐的飛躍與創(chuàng)新的發(fā)展,德國(guó)包豪斯學(xué)派就是其理論的發(fā)源地。
我國(guó)自1949年全國(guó)解放后,鋼結(jié)構(gòu)就在大跨重型工業(yè)廠房、大型公共建筑和高聳結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用。尤其是近20年來,鋼結(jié)構(gòu)更加廣泛應(yīng)用于土木工程的公共建筑中,比如沈陽桃仙國(guó)際機(jī)場(chǎng)屋蓋,北京天文館新館工程等,我國(guó)目前不僅能生產(chǎn)各種類型的建筑鋼材,同時(shí)鋼材生產(chǎn)的新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品日益也增多,如彩鋼壓型板、彩鋼復(fù)合板、彩鋼扣板、拱形廠房及彩鋼制品等的生產(chǎn),使建筑結(jié)構(gòu)充滿現(xiàn)代化時(shí)代氣息,實(shí)際證明鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)更具有廣闊的發(fā)展前景。
二、現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的建筑特點(diǎn)
。ㄒ唬╊A(yù)工程化程度高,建設(shè)成本降低,工期縮短
鋼結(jié)構(gòu)建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了建筑工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),提高了建筑預(yù)工程化,使不同材料、不同形狀和不同制造方法的建筑構(gòu)配件具有一定的通用性和互換性。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)建筑的預(yù)工程化使材料加工和安裝一體化,大大降低了建設(shè)成本;并且加快了施工速度,使工期能夠縮短40%以上,從而加快了房地產(chǎn)開發(fā)商的資金周轉(zhuǎn)速度,使建筑能更早投入使用。
。ǘ┙ㄖc結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與功能一體化,使建筑更富有功能化
在鋼結(jié)構(gòu)建筑中,結(jié)構(gòu)成為形象構(gòu)成的重要因素,結(jié)構(gòu)的形體,構(gòu)件,節(jié)點(diǎn)從很大程度上導(dǎo)致并制約著建筑的形象。建筑與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與功能只有做到一體化,才能使建筑更富有功能化以便隨后的各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行下去,創(chuàng)造出技術(shù)與藝術(shù)融為一體的鋼結(jié)構(gòu)建筑。北京2008年奧運(yùn)會(huì)國(guó)家體育場(chǎng)投標(biāo)方案中有許多方案都體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑的這一特點(diǎn)。例如清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的可開合式方案,在體育場(chǎng)大屋面的中央設(shè)置兩個(gè)半圓型的玻璃頂面,同時(shí)相對(duì)旋轉(zhuǎn)、平行滑動(dòng)完成大屋面的開合;又如中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院場(chǎng)館方案外觀即為建筑的結(jié)構(gòu),形象完美純凈,功能與結(jié)構(gòu)達(dá)到了完美的統(tǒng)一;還有日本朱式會(huì)設(shè)建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)的折疊式方案,屋頂由懸臂的鋼架結(jié)構(gòu)支承,可在30分鐘內(nèi)完成開閉的動(dòng)作,確保全年比賽的及活動(dòng)不受天氣影響。
。ㄈ╀摻Y(jié)構(gòu)建筑能夠滿足超高度和超跨度的要求
鋼材組織均勻,接近于各向同性勻質(zhì)體,強(qiáng)度高,彈性模量亦高。其密度與強(qiáng)度的比值遠(yuǎn)小于磚石,混凝土,木材,在同樣受力情況下鋼結(jié)構(gòu)自重小,從而可以做成跨度較大和高度較高的結(jié)構(gòu)以及靈活的結(jié)構(gòu)形體,F(xiàn)在人類已具有建造跨度超過1000米的超大穹頂與高度超過1000米最高至4000米的超高層建筑的能力。并且鋼索與膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合形成索膜結(jié)構(gòu)體系更能滿足建筑對(duì)跨度的要求,使這類型建筑成為標(biāo)志性建筑,比如日本東京后樂園棒球場(chǎng)屋蓋是鋼索與氣承膜組成的索膜結(jié)構(gòu),面積達(dá)28000平方米,英國(guó)政府為迎接21世紀(jì)而興建的標(biāo)志性建筑倫敦千年穹頂――大型綜合性展覽建筑也是索膜結(jié)構(gòu)體系,其穹頂直徑達(dá)到320m。
(四)原材料可以循環(huán)使用,有助于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展
發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于資源,能源都非常短缺的我國(guó)意義尤為重大,因?yàn)橹袊?guó)是世界上最大的磚砌體建筑與混凝土建筑大國(guó)。鋼材是一種高強(qiáng)度高效能的材料,具有很高的再循環(huán)價(jià)值,邊角料也有價(jià)值,不需要制模施工。目前國(guó)際上引人矚目的新型住宅產(chǎn)品已引入我國(guó),其環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:
。1)該類型住宅采用全封閉式保溫隔熱防潮系統(tǒng),溫度變化小,熱損失低。不論冬夏,都具有舒適當(dāng)居住環(huán)境。室外0攝氏度時(shí),室內(nèi)仍可以保持17攝氏度以上;在室外溫度達(dá)到30攝氏度的情況下,室內(nèi)溫度僅為21攝氏度左右。
。2)與磚混結(jié)構(gòu)住宅相比,可節(jié)能60%以上,冬夏季空調(diào)設(shè)備可節(jié)約耗電30%以上,結(jié)構(gòu)的廢舊利用為100%,與磚混結(jié)構(gòu)比較,同樣樓層凈高條件下,鋼結(jié)構(gòu)維護(hù)墻體面積小,節(jié)約空調(diào)所需能源,減小維護(hù)費(fèi)用。
三、鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與技術(shù)表現(xiàn)
鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的構(gòu)思成功關(guān)鍵所在是技術(shù)構(gòu)思與表現(xiàn),在方案設(shè)計(jì)的深化中,需要同結(jié)構(gòu)工程師,設(shè)備工程師,甚至包括機(jī)械工程師密切配合。此時(shí)技術(shù)表現(xiàn)是自然而然的事情,無論是空間形式,形式體量還是構(gòu)造節(jié)點(diǎn)對(duì)其建筑設(shè)計(jì)與表現(xiàn)影響都是很重要的,下面就分別從幾個(gè)方面來闡述這一點(diǎn)。
。1)鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的技術(shù)表現(xiàn)
建筑形象的構(gòu)思是一個(gè)概念形象的創(chuàng)作過程,是建筑創(chuàng)作的難點(diǎn)之一,也是建筑設(shè)計(jì)中備受關(guān)注的核心問題之一;仡櫣I(yè)革命以來建筑與科學(xué)技術(shù)關(guān)系的發(fā)展,可以明顯地發(fā)現(xiàn)建筑對(duì)技術(shù)變革反應(yīng)的遲滯性,這從一個(gè)側(cè)面反映了建筑學(xué)在社會(huì)文化當(dāng)中的深層地位,以及建筑學(xué)與人的生活方式的密切聯(lián)系。另外現(xiàn)代方興未艾的信息革命正在廣泛地滲透并涉及社會(huì)活動(dòng)的每個(gè)領(lǐng)域,使現(xiàn)代科學(xué)思維被融入到建筑設(shè)計(jì)中,新項(xiàng)目的規(guī)劃、建筑和景觀設(shè)計(jì)方法發(fā)生了巨大的變化。建筑設(shè)計(jì)的宗旨也從單純的追求美發(fā)展到追求問題的合理解決,從根本上改變了人們以往對(duì)建筑的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)方式,并最終影響了人類千百年來形成的傳統(tǒng)建筑觀,比如高技派建筑就是其主要代表,其以精致的節(jié)點(diǎn)和精細(xì)的加工來體現(xiàn)高超的技藝,以更高的工藝水平來設(shè)計(jì)和“制造”建筑。
。2)鋼結(jié)構(gòu)建筑細(xì)部設(shè)計(jì)有較高要求
鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的復(fù)雜化與精致度要求越高,對(duì)細(xì)部設(shè)計(jì)的要求也越高。因?yàn)榧?xì)部設(shè)計(jì)決定一個(gè)地方最終是否得到確認(rèn)及其質(zhì)量。在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑中,各種金屬結(jié)構(gòu)桿件,連接金屬桿件的節(jié)點(diǎn)細(xì)部,常常暴露在外,使建筑帶有強(qiáng)烈的科技感,比如建于1977年法國(guó)的巴黎蓬皮杜藝術(shù)與文化中心,它的鋼柱、鋼梁、桁架等結(jié)構(gòu)構(gòu)件都裸露在外,從中不僅體現(xiàn)出技術(shù)美,而且體現(xiàn)出人的智慧和能力。因而,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑來說細(xì)部質(zhì)量保持較高的設(shè)計(jì)要求是非常重要的,在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)受到特別重視。
。3)建筑策劃也是鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與表現(xiàn)的影響因素
因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)具有建筑設(shè)計(jì)的一般屬性,建筑師不是隨心所欲在作設(shè)計(jì),業(yè)主設(shè)計(jì)任務(wù)書對(duì)建筑師的平面和設(shè)計(jì)構(gòu)思等發(fā)生的作用是重大的。客戶希望設(shè)計(jì)師有更好的業(yè)績(jī),而且希望在其最終產(chǎn)品的確定過程中,設(shè)計(jì)師和市場(chǎng)專家都能更高效的參與決策。在這個(gè)階段,建設(shè)項(xiàng)目更強(qiáng)調(diào)整體設(shè)計(jì)、更強(qiáng)調(diào)
專業(yè)設(shè)計(jì)師、市場(chǎng)專家及開發(fā)商之間的協(xié)調(diào),設(shè)計(jì)過程包括了持續(xù)的信息和知識(shí)的交流與整合。另外,鋼結(jié)構(gòu)建筑的專業(yè)化不但能提供豐富的設(shè)計(jì)知識(shí)而且能有效的整合設(shè)計(jì)資源和市場(chǎng)專家共同對(duì)建筑負(fù)責(zé),使設(shè)計(jì)和業(yè)主的經(jīng)營(yíng)意圖有效的結(jié)合起來,使項(xiàng)目獲利和減少風(fēng)險(xiǎn)。
四、現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中建筑設(shè)計(jì)所面臨的問題
(一)鋼結(jié)構(gòu)中建筑設(shè)計(jì)的防火問題
火災(zāi)是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的最大危害,鋼材雖為非燃燒材料,但鋼不耐火,溫度為400度時(shí),鋼材的屈服強(qiáng)度將降至室溫下強(qiáng)度的一半,溫度達(dá)到600度時(shí),鋼材基本損失全部強(qiáng)度和剛度,因此當(dāng)建筑采用無防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)時(shí),一旦發(fā)生火災(zāi),很容易使建筑損壞,比如美國(guó)世貿(mào)中心大樓外墻是排列很密的鋼柱,外面包以銀色鋁板,在美國(guó)911事件中兩個(gè)塔樓分別受飛機(jī)撞擊后所產(chǎn)生的大火使鋼材軟化,最終導(dǎo)致大樓倒塌。從發(fā)生的鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)案例可以發(fā)現(xiàn)兩類現(xiàn)象,一類為防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中沒有達(dá)到規(guī)定的耐火時(shí)間而破壞,另一類防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中超過了預(yù)期的耐火時(shí)間而并沒有破壞。建筑的構(gòu)造防火問題一般在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上較易解決,而在鋼結(jié)構(gòu)建筑上則需考慮更多的因素,以下為兩種常用防火措施:.一是采用進(jìn)口的新型防火板——保全板;二是根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的部位不同分別采用厚型或薄型的防火涂料,并在露明部位加涂裝飾漆。
。ǘ╀摻Y(jié)構(gòu)中建筑設(shè)計(jì)的防腐問題
鋼材如果長(zhǎng)時(shí)間暴露在室外受到風(fēng)雨等自然力的侵蝕,必然會(huì)生銹老化,其自身承載力會(huì)下降,建筑的美觀也會(huì)受影響。因此防腐問題也是鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)需要解決常見問題,目前的做法主要是采用新型防腐和構(gòu)造材料。在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員在遇到鋼結(jié)構(gòu)建筑中對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑都做出特別的要求,比如涂刷防銹涂料,防火涂料屬于油漆類。防火涂料一般做法為先刷紅丹防銹底漆兩度,再刷鋼結(jié)構(gòu)面漆兩度(面漆顏色由甲方定)。另外對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工也有確定的要求,比如構(gòu)件出廠前涂紅丹防銹底漆一道;鋼結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整后,將其清洗干凈,然后再刷一度底漆,兩度面漆。然而現(xiàn)在雖然有各種不同類型的防腐涂料但較為有效的防腐涂料還需外國(guó)進(jìn)口,我想隨著中國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng),中國(guó)將會(huì)生產(chǎn)出更優(yōu)秀的新型防腐涂料。
(三)鋼結(jié)構(gòu)中建筑物理問題
。1)保溫。外部環(huán)境對(duì)建筑的熱輻射主要從兩個(gè)方面影響建筑的熱環(huán)境:一是透過窗戶進(jìn)入室內(nèi),并被室內(nèi)表面所吸收,產(chǎn)生了加熱的效果;二是被建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸收,其中一部分熱量通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)逐漸進(jìn)入室內(nèi)。由于玻璃可以讓陽光直接射入室內(nèi)從而迅速升高室溫,特別是隨著新型玻璃材料的不斷出現(xiàn),玻璃的熱工性能逐步改進(jìn),建筑采光與建筑保溫之間的矛盾已日趨淡化,“遮蔽”與“阻隔”走向平衡。所以對(duì)建筑的保溫措施主要集中在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上,而目前對(duì)此解決辦法有兩種較為有效:
1)研制、優(yōu)化保溫材料的構(gòu)造,提高建筑熱環(huán)境性能。例如在建筑物得內(nèi)外表面或者外層結(jié)構(gòu)的空氣層中,采用高效反射材料,可以將大部分的紅外射線反射回去,從而建筑物起到保溫和隔熱作用;此外還可運(yùn)用高效節(jié)能玻璃,硅氣凝膠,新型節(jié)能墻體材料,達(dá)到節(jié)能的目的。
2)防止保溫材料凝結(jié)水外保溫和中間保溫作法?煞乐贡夭牧嫌捎谡羝臐B透積累而受潮。內(nèi)保溫作法則保溫材料有可能在冬季受潮,外保溫可避免主要承重結(jié)構(gòu)受到室外溫度的劇烈波動(dòng)影響,從而提高其耐久性。外保溫作法對(duì)外表面的保護(hù)層要求較高內(nèi)保溫和中間層保溫則由于外表面是由強(qiáng)度大的密實(shí)材料構(gòu)成,飾面層的處理比較簡(jiǎn)單。
。2)吸音。在一些建筑大廳中,尤其是在音樂廳中頂棚反射板增加的反射聲幾乎同時(shí)到達(dá)聽眾的雙耳,缺少側(cè)向反射帶來的圍繞感。在這類建筑的設(shè)計(jì)中,需要綜合考慮材料的使用,包括吸聲性能以及裝飾性、強(qiáng)度、防火、吸濕、加工等多方面。目前廣泛地應(yīng)用于音質(zhì)設(shè)計(jì)和噪聲控制中的解決途徑是吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)。
1)吸聲材料:材料本身具有吸聲特性。如玻璃棉、巖棉等纖維或多孔材料具有良好的吸聲性能,由于空氣的粘滯阻力、空氣分子與孔隙壁的摩擦,使聲能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能而吸聲。
2)吸聲結(jié)構(gòu):材料本身可以不具有吸聲特性,但材料制成某種結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生吸聲。如穿孔石膏板吊頂。
(3)隔音。噪聲于建筑密不可分,噪聲污染的防治與治理已經(jīng)成為建筑聲學(xué)重要的組成部分。噪聲規(guī)劃、噪聲控制等理論也逐漸演化開來。人們可以聽到的聲音都屬于聲環(huán)境范疇。人們可以聽到談話、鳥鳴、音樂、泉水叮咚、歌聲等;但也能聽到吵鬧、機(jī)器轟鳴、車輛的轟鳴等噪聲。但主要是有安靜要求的房間,如錄音室、演播室、旅館客房、居民住宅臥室等建筑對(duì)隔聲隔振要求非常高,需要專門的聲學(xué)設(shè)計(jì)。對(duì)于旅館、公用建筑、民用住宅人們對(duì)安靜的要求也越來越重視。并盡量靠近聲源,會(huì)提高隔聲效果。一般隔聲間外墻使用隔聲性能較好的材料或結(jié)構(gòu),如磚、混凝土、紙面石膏板墻等,觀察部分使用隔聲窗,進(jìn)出部分使用隔聲門或吸聲迷道等。
五 結(jié)論
由本文以上討論可以得出下面三點(diǎn)看法和結(jié)論:
(1)鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同具體條件的不同而有所側(cè)重,一個(gè)好的建筑設(shè)計(jì),必須做到形象構(gòu)思與結(jié)構(gòu)構(gòu)思的一體化。
(2)鋼結(jié)構(gòu)建筑的科技含量很高,結(jié)構(gòu)本身往往就是建筑表現(xiàn),鋼結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)與工藝不僅是實(shí)現(xiàn)形象構(gòu)思的必要手段,而且對(duì)建筑形象的影響極為顯著,這就決定了結(jié)構(gòu)構(gòu)思是形象構(gòu)思成功與否的關(guān)鍵所在。
。3)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,審美觀的改變必然使得鋼結(jié)構(gòu)建筑不斷地去擴(kuò)展自身的表達(dá)語匯而尋求發(fā)展。我們所提倡的是:拋開風(fēng)格要素,從結(jié)構(gòu)理性主義出發(fā),從現(xiàn)代的和傳統(tǒng)的眾多風(fēng)格流派中吸取精華,創(chuàng)造出技術(shù)和藝術(shù)有機(jī)融合的鋼結(jié)構(gòu)精品建筑。