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現代鋼結構建筑表現淺析

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:46:58 [收藏]


    一、鋼結構建筑的發展歷史
    最早在建造房屋中使用鋼結構的國家可以追溯到十八世紀末的英國，一百年后法國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構的獨戶住宅，從此鋼結構建筑徹底改變了以往建筑造型的模式，建筑設計的理念與方法亦隨之嬗變。早期的鋼結構僅是部分構件、配件用鑄鐵、熟鐵制成，到了19世紀80年代結構型鋼的出現加快了鋼結構在建筑工程中的發展，使鋼結構建筑在20世紀60年代實現了其第二次理論和實踐的飛躍與創新的發展，德國包豪斯學派就是其理論的發源地。
    我國自1949年全國解放后，鋼結構就在大跨重型工業廠房、大型公共建筑和高聳結構中得到了應用。尤其是近20年來，鋼結構更加廣泛應用于土木工程的公共建筑中，比如沈陽桃仙國際機場屋蓋，北京天文館新館工程等，我國目前不僅能生產各種類型的建筑鋼材，同時鋼材生產的新技術、新工藝、新產品日益也增多，如彩鋼壓型板、彩鋼復合板、彩鋼扣板、拱形廠房及彩鋼制品等的生產，使建筑結構充滿現代化時代氣息，實際證明鋼結構建筑在我國更具有廣闊的發展前景。
    二、現代鋼結構的建筑特點
    （一）預工程化程度高，建設成本降低，工期縮短
    鋼結構建筑模數協調統一標準實現了建筑工業化大規模生產，提高了建筑預工程化，使不同材料、不同形狀和不同制造方法的建筑構配件具有一定的通用性和互換性。同時鋼結構建筑的預工程化使材料加工和安裝一體化，大大降低了建設成本；并且加快了施工速度，使工期能夠縮短40％以上，從而加快了房地產開發商的資金周轉速度，使建筑能更早投入使用。
    （二）建筑與結構的設計與功能一體化，使建筑更富有功能化
    在鋼結構建筑中，結構成為形象構成的重要因素，結構的形體，構件，節點從很大程度上導致并制約著建筑的形象。建筑與結構的設計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設計環節進行下去，創造出技術與藝術融為一體的鋼結構建筑。北京2008年奧運會國家體育場投標方案中有許多方案都體現了鋼結構建筑的這一特點。例如清華大學建筑設計院設計的可開合式方案，在體育場大屋面的中央設置兩個半圓型的玻璃頂面，同時相對旋轉、平行滑動完成大屋面的開合；又如中國建筑設計研究院場館方案外觀即為建筑的結構，形象完美純凈，功能與結構達到了完美的統一；還有日本朱式會設建筑事務所設計的折疊式方案，屋頂由懸臂的鋼架結構支承，可在30分鐘內完成開閉的動作，確保全年比賽的及活動不受天氣影響。
    （三）鋼結構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體，強度高，彈性模量亦高。其密度與強度的比值遠小于磚石，混凝土，木材，在同樣受力情況下鋼結構自重小，從而可以做成跨度較大和高度較高的結構以及靈活的結構形體。現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。并且鋼索與膜結構相結合形成索膜結構體系更能滿足建筑對跨度的要求，使這類型建筑成為標志性建筑，比如日本東京后樂園棒球場屋蓋是鋼索與氣承膜組成的索膜結構，面積達28000平方米，英國政府為迎接21世紀而興建的標志性建筑倫敦千年穹頂――大型綜合性展覽建筑也是索膜結構體系，其穹頂直徑達到320m.
    （四）原材料可以循環使用，有助于環保和可持續發展
    發展鋼結構對于資源，能源都非常短缺的我國意義尤為重大，因為中國是世界上最大的磚砌體建筑與混凝土建筑大國。鋼材是一種高強度高效能的材料，具有很高的再循環價值，邊角料也有價值，不需要制模施工。目前國際上引人矚目的新型住宅產品已引入我國，其環保節能的特點主要體現在兩個方面：
    （1）該類型住宅采用全封閉式保溫隔熱防潮系統，溫度變化小，熱損失低。不論冬夏，都具有舒適當居住環境。室外0攝氏度時，室內仍可以保持17攝氏度以上；在室外溫度達到30攝氏度的情況下，室內溫度僅為21攝氏度左右。
    （2）與磚混結構住宅相比，可節能60％以上，冬夏季空調設備可節約耗電30％以上，結構的廢舊利用為100％，與磚混結構比較，同樣樓層凈高條件下，鋼結構維護墻體面積小，節約空調所需能源，減小維護費用。
    三、鋼結構建筑設計與技術表現
    鋼結構建筑設計的構思成功關鍵所在是技術構思與表現，在方案設計的深化中，需要同結構工程師，設備工程師，甚至包括機械工程師密切配合。此時技術表現是自然而然的事情，無論是空間形式，形式體量還是構造節點對其建筑設計與表現影響都是很重要的，下面就分別從幾個方面來闡述這一點。
    （1）鋼結構建筑設計的技術表現
    建筑形象的構思是一個概念形象的創作過程，是建筑創作的難點之一，也是建筑設計中備受關注的核心問題之一。回顧工業革命以來建筑與科學技術關系的發展，可以明顯地發現建筑對技術變革反應的遲滯性，這從一個側面反映了建筑學在社會文化當中的深層地位，以及建筑學與人的生活方式的密切聯系。另外現代方興未艾的信息革命正在廣泛地滲透并涉及社會活動的每個領域，使現代科學思維被融入到建筑設計中，新項目的規劃、建筑和景觀設計方法發生了巨大的變化。建筑設計的宗旨也從單純的追求美發展到追求問題的合理解決，從根本上改變了人們以往對建筑的認識和設計方式，并最終影響了人類千百年來形成的傳統建筑觀，比如高技派建筑就是其主要代表，其以精致的節點和精細的加工來體現高超的技藝，以更高的工藝水平來設計和“制造”建筑。
    （2）鋼結構建筑細部設計有較高要求
    鋼結構建筑設計的復雜化與精致度要求越高，對細部設計的要求也越高。因為細部設計決定一個地方最終是否得到確認及其質量。在現代鋼結構建筑中，各種金屬結構桿件，連接金屬桿件的節點細部，常常暴露在外，使建筑帶有強烈的科技感，比如建于1977年法國的巴黎蓬皮杜藝術與文化中心，它的鋼柱、鋼梁、桁架等結構構件都裸露在外，從中不僅體現出技術美，而且體現出人的智慧和能力。因而，對鋼結構建筑來說細部質量保持較高的設計要求是非常重要的，在鋼結構建筑中應受到特別重視。
    （3）建筑策劃也是鋼結構建筑設計與表現的影響因素
    因為鋼結構建筑設計具有建筑設計的一般屬性，建筑師不是隨心所欲在作設計，業主設計任務書對建筑師的平面和設計構思等發生的作用是重大的。客戶希望設計師有更好的業績，而且希望在其最終產品的確定過程中，設計師和市場專家都能更高效的參與決策。在這個階段，建設項目更強調整體設計、更強調專業設計師、市場專家及開發商之間的協調，設計過程包括了持續的信息和知識的交流與整合。另外，鋼結構建筑的專業化不但能提供豐富的設計知識而且能有效的整合設計資源和市場專家共同對建筑負責，使設計和業主的經營意圖有效的結合起來，使項目獲利和減少風險。
    四、現代鋼結構中建筑設計所面臨的問題
    （一）鋼結構中建筑設計的防火問題
    火災是對鋼結構建筑的最大危害，鋼材雖為非燃燒材料，但鋼不耐火，溫度為400度時，鋼材的屈服強度將降至室溫下強度的一半，溫度達到600度時，鋼材基本損失全部強度和剛度，因此當建筑采用無防火保護措施的鋼結構時，一旦發生火災，很容易使建筑損壞，比如美國世貿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911事件中兩個塔樓分別受飛機撞擊后所產生的大火使鋼材軟化，最終導致大樓倒塌。從發生的鋼結構建筑火災案例可以發現兩類現象，一類為防火保護的鋼結構在火災中沒有達到規定的耐火時間而破壞，另一類防火保護的鋼結構在火災中超過了預期的耐火時間而并沒有破壞。建筑的構造防火問題一般在鋼筋混凝土結構上較易解決，而在鋼結構建筑上則需考慮更多的因素，以下為兩種常用防火措施：。一是采用進口的新型防火板??保全板；二是根據鋼結構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。
    （二）鋼結構中建筑設計的防腐問題
    鋼材如果長時間暴露在室外受到風雨等自然力的侵蝕，必然會生銹老化，其自身承載力會下降，建筑的美觀也會受影響。因此防腐問題也是鋼結構建筑設計需要解決常見問題，目前的做法主要是采用新型防腐和構造材料。在實際建筑設計中設計人員在遇到鋼結構建筑中對所設計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，再刷鋼結構面漆兩度（面漆顏色由甲方定）。另外對鋼結構建筑的鋼結構構件施工也有確定的要求，比如構件出廠前涂紅丹防銹底漆一道；鋼結構安裝調整后，將其清洗干凈，然后再刷一度底漆，兩度面漆。然而現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進口，我想隨著中國綜合國力的增強，中國將會生產出更優秀的新型防腐涂料。
    （三）鋼結構中建筑物理問題
    （1）保溫。外部環境對建筑的熱輻射主要從兩個方面影響建筑的熱環境：一是透過窗戶進入室內，并被室內表面所吸收，產生了加熱的效果；二是被建筑的外圍護結構表面吸收，其中一部分熱量通過建筑圍護結構的熱傳導逐漸進入室內。由于玻璃可以讓陽光直接射入室內從而迅速升高室溫，特別是隨著新型玻璃材料的不斷出現，玻璃的熱工性能逐步改進，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。所以對建筑的保溫措施主要集中在外圍護結構上，而目前對此解決辦法有兩種較為有效：
    1）研制、優化保溫材料的構造，提高建筑熱環境性能。例如在建筑物得內外表面或者外層結構的空氣層中，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；此外還可運用高效節能玻璃，硅氣凝膠，新型節能墻體材料，達到節能的目的。
    2）防止保溫材料凝結水外保溫和中間保溫作法。可防止保溫材料由于蒸汽的滲透積累而受潮。內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構受到室外溫度的劇烈波動影響，從而提高其耐久性。外保溫作法對外表面的保護層要求較高內保溫和中間層保溫則由于外表面是由強度大的密實材料構成，飾面層的處理比較簡單。
    （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到達聽眾的雙耳，缺少側向反射帶來的圍繞感。在這類建筑的設計中，需要綜合考慮材料的使用，包括吸聲性能以及裝飾性、強度、防火、吸濕、加工等多方面。目前廣泛地應用于音質設計和噪聲控制中的解決途徑是吸聲材料和吸聲結構。
    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，使聲能轉化為摩擦熱能而吸聲。
    2）吸聲結構：材料本身可以不具有吸聲特性，但材料制成某種結構而產生吸聲。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成為建筑聲學重要的組成部分。噪聲規劃、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隔聲隔振要求非常高，需要專門的聲學設計。對于旅館、公用建筑、民用住宅人們對安靜的要求也越來越重視。并盡量靠近聲源，會提高隔聲效果。一般隔聲間外墻使用隔聲性能較好的材料或結構，如磚、混凝土、紙面石膏板墻等，觀察部分使用隔聲窗，進出部分使用隔聲門或吸聲迷道等。
    由本文以上討論可以得出下面三點看法和結論：
    （1）鋼結構建筑設計應根據不同具體條件的不同而有所側重，一個好的建筑設計，必須做到形象構思與結構構思的一體化。
    （2）鋼結構建筑的科技含量很高，結構本身往往就是建筑表現，鋼結構的表現與工藝不僅是實現形象構思的必要手段，而且對建筑形象的影響極為顯著，這就決定了結構構思是形象構思成功與否的關鍵所在。
    （3）科學技術的進步，審美觀的改變必然使得鋼結構建筑不斷地去擴展自身的表達語匯而尋求發展。我們所提倡的是：拋開風格要素，從結構理性主義出發，從現代的和傳統的眾多風格流派中吸取精華，創造出技術和藝術有機融合的鋼結構精品建筑。



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