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论建筑中钢结构的技术性与艺术性

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浏览:- 发布日期:2019-10-29 11:00:00【

论建筑中钢结构的技术性与艺术性


【摘 要】 现阶段建筑工程中的钢结构应用的越来越广泛,钢结构在建筑中的应用由之前的结构应用已经扩张到综合应用,其中蕴藏了对建筑个性和情感的表达,钢结构已经从功能层次上升为艺术层次的高度。本文首先阐述了钢结构在建筑上的应用,接着分析了钢结构的设计特点,其后讨论了钢结构的艺术性的形态特征。

1 钢结构材料在建筑上的应用

钢结构的加工方法和我们加工普通材料的方法近似,只是在制作中需要借助更多的机械和动力。从现在工业对钢结构加工的各种方法可以看出,现代技术能够比较容易地做到钢结构的雕塑和编插,并通过这些办法作到构成建筑的钢结构和构造,从而增加了钢结构材料在建筑中运用的可能性。

1.1 结构系统

建筑的结构系统是用来承载重力、风力、地震力及各种荷载的。钢材,由于强度比较高,所以对于垂直于杆件的力的传递非常有利,抗弯就不很有利,构件稳定性的设计要求也比较高。结构中构造的表达是以力学的计算为前提的,绝对不能脱离力的合理传递而以所谓的表演的手法来设计结构的构造。从对近年来大量的优秀钢结构作品分析来看,将结构受力的合理性与空间的创造性完美地结合起来是成功的关键,都具有以下的特点:

1.简单明确的力的传递;

2.整体考虑结构与空间的关系;

3.用巧妙的办法解决构件稳定性的设计;

4.构件间精彩的连接与锚固。

1.2 连接和支撑系统

连接与支撑系统指的是在结构和围护系统之间的连系,它的作用是:第一,负责将围护系统与建筑附件的自重和受的荷载传递的主结构上;第二,对围护系统的形状和空间位置起到固定的作用;第三,解决主体结构系统和围护系统之间产生的变形和内力等问题。

连接和支撑在各种建筑结构形式中都会用到,不一定是在钢结构中,很多混凝土结构建筑使用钢结构材料的围护或构件时也需要钢结构连接件连接。一般情况下连接和支撑体系隐藏在建筑围护体系的后面,但是现在越来越多的连接和支撑体系暴露在人们的视觉下面,显露出自己的美来,大面积点式玻璃幕墙的拉杆与拉索正是典型的连接和支撑体系。

1.3 围护系统

围护系统指的是分隔开建筑的内部空间与外部空间部分,主要包括建筑的外墙面、门窗和屋面,也包括了一部分的内墙面和吊顶。附件指的是不起结构和围护作用的一些建筑构件,如:雨罩、遮阳板、楼梯、扶手、天线等等。它们多数有一定的功能作用,但有一部分附件仅仅是装饰作用,所以也可以把它们包括在围护系统中了。围护与建筑附件虽然不象建筑结构那样对建筑的整体造型具有决定性的作用,但是它处于建筑的最外面,直接同人们的视线和触觉接触,因此在很大的程度上直接体现了建筑的风格。

2 钢结构的设计特点

钢结构由于自身材料的特点,所以在设计时有着很多独特的地方。因为多数建筑师对于混凝土建筑比较了解,为了更简单地理解钢结构的设计特点,下面通过与混凝土结构的对比来了解钢结构有什么特殊的地方。

2.1 “柔性”的建筑

钢结构与以往的混凝土结构的设计思想的不同的是要认识到钢结构是“柔性”的,允许钢结构有一定的变形。在设计中一定要考虑到变形,这是因为材料性质的不同,钢的延性好,是弹钢结构塑性均质体,可以容纳和适应一定的变形;再有就是金属材料的热导率比较大,当钢结构暴钢结构露在外界时,受到温度的影响要比混凝土更直接和迅速,相对于砖石等材料有明显的热变形。钢结构这些原因产生的变形如果不加以处理就会在结构内部产生应力,最终对建筑物的局部乃至整钢结构体产生危害,我们在设计时要认真考虑如何利用、避免或者吸收这些形变。

2.2 “轻”的建筑

钢结构对于荷载是十分敏感的。所以在建筑设计中要尽可能地减轻建筑的重量,选择强钢结构度高、质量轻质材料,装修的做法也应该遵守这个设计原则。钢结构这一方面是钢结构本身的材料性质的原因,另一方面也有经济的问题,同样是增加一个钢结构荷重,钢结构增加的费用是钢筋混凝土结构增加费用的15~20倍。钢结构钢结构建筑常常选用玻璃幕墙、金属幕墙,其原因也不仅仅是美观,更重要的原因是幕钢结构墙重量轻,具有同样面积、同样热工效能的墙面,玻璃幕墙的重量只有传统砖墙的1/12一1/10,钢结构是混凝土预制外墙板的1/7。钢结构所以在设计时,要在如何减轻建筑的自重上下工夫。

2.3 “宽敞”的建筑

金属的强度一般都比较大,尤其是合金。钢的强度远远超过混凝土,可以承受的外力要高的多,承受同样荷载的构件截面要小很多。钢的价格比混凝土高很多,同样的荷载用钢量少会更经济。而同样的建筑面积,柱距大时柱子和梁的数量都会少,所以在实际设计中,钢结构的柱距往往会比混凝土的大很多。一般认为框架结构中10-15m的柱距会有比较好的经济性。再有,钢结构框架的柱梁节点可以设计成抗弯节点和铰节点,与混凝土框架结构所有梁柱节点都要是抗弯节点有很大的不同,跨度大的钢梁如果两端是铰接就可以设计为平行弦钢析架,风道和其它管道都可以从中间穿过去。所以钢结构的建筑从空间上看要比一般的建筑宽阔。这也是设计时与以往思维方式不同的。

2.4 整体化的设计思想

从前面可以看出,采用钢结构的建筑是要有整体化的设计概念的。整体化的设计思想是在充分考虑到各种影响因素后,全面地综合分析和考虑各方面问题,最后做到综合性和整体化的设计。其中有不同的层面,一是综合考虑结构、设备、空间各种因素,统一规划,作到功能和表达的统一;其次是从材料、工艺、加工各方面深入考虑,作到产品与表达的统一。前者是功能层面的,后者是制造层面的,两者结合形成建筑的完美表达,可以说这就是整体化的设计思想。整体化设计思想的前提是建筑师对于建筑设计、各专业知识、各方面要求和材料及制作加工的充分了解。

3 钢结构的形态特征

3.1 虚空的杆件体系

钢结构中较多是以杆件体系为主的结构,即组成结构的构件是长度远大于截面尺寸的细长杆件, 如梁、柱、拉杆、压杆等。结构杆件限定空间边界的作用不强, 它可以在围护表层之内, 也可以完全暴露在围护表层之外, 当无围护表层时, 就成为视觉艺术表达的重点。钢结构的内部空间虽存在结构构件, 但构件细小, 空间可互相贯通, 具有更大的灵活性。

3.2 形式各异的稳定性构件

为防止失稳破坏, 在钢结构中常有各种形式的稳定性构件, 从钢梁上的加劲肋到格构柱上的斜缀条, 从钢屋架之间的支撑杆和拉杆到高层结构中各种形式的支撑, 都是通过各种途径增加结构的稳定性。在蓬皮杜艺术与文化中心的设计中, 伦佐·皮亚诺和理查德·罗杰斯不仅创造了通用空间, 在结构上的独创性也获得了高度评价。纵向立面上的对角线方向支撑是保证该建筑物的稳定性不可缺少的部件, 也成为立面重要的异向构图元素。福斯特在巴塞罗那长途通讯塔设计中, 利用三条呈 120°角的钢索从竖向牵拉细长的塔身, 造成了强烈的浮游空中的“动态平衡”的视觉印象, 稳定之余不失轻巧, 成为当地山脉景观的一部分。

3.3 精美的细部构造

钢结构中构件之间一般通过焊缝或螺栓进行连接, 结构构件及其连接件都可以实现工厂化制作, 达到很高的精度, 节点的构造往往力求交接精细和比例优美, 充分表现金属细腻、光洁的质感。结构的节点部位既是结构中力的汇集点,也是不同材质和形式的结构构件的交接点, 而现代结构技术强调构件之间的逻辑关系美学, 力图表达节点处力学传递方式及形态特征, 通过高科技的加工技术和巧妙的构造方式, 使得建筑细部构造体现出现代科技的美学特征, 散发出钢结构动人的魅力。


 

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