淺談對建筑結構設計及建筑材料的認識

劉 豪, 郭春華

安陽師范學院建筑工程學院（455002）

作為一位建筑師必須從全局出發去處理建筑設計中應該考慮到的各種復雜問題。因為，試圖將相互有關的空間分體系形式組成總體系進而形成一個建筑環境,建筑師需要有一個分階段的設計過程，其至少要分三個“反饋”階段考慮：方案階段，初步設計階段和施工圖設計階段。

這樣的分階段設計是必需的,它可使設計者避免很多細節上的困難，而這些細節往往會干擾設計者的基本思路。實際上,一個成功的建筑設計師應該具備一種從細節中分析出其本質的能力。

概念構思階段的任務是提出和斟酌全局場地規劃,活動相互作用及房屋形式方案。為實現這些計劃，建筑師必須合理規劃場地各部分的基本用途，組織好空間布局，并應用象征手法確定其具體形式。這就要求建筑師應首先按照基本功能和空間關系對一項建筑設計構思并模擬出一個抽象的建筑物,然后再對這一抽象的總體空間進行深入探究。

在方案階段,如果設計者能夠準確地預見所作方案的結構整體性，并考慮到施工階段的可行性及經濟性，那將是非常有幫助的。這就要求建筑師能夠從分體系之間的關系去構思總體結構方案。這樣易于反饋從而改進空間形式方案。

在初步設計階段,建筑師的重點工作應是細化可能成為最終方案的設計,在這一階段應該完成對結構布局的進一步規劃，重點論證和設計主要分體系的幾何尺寸、構件和相互關系。這樣就可以依據全局設計方案，確定并解決各分體系的相互影響以及設計難題。但各細部的考慮還應留有選擇余地。當然，這些初步設計階段所作的決定仍可以反饋使方案進一步改善，或甚至可能有重大變化。

當設計者對初始階段設計方案的可行性滿意時,就意味著全部設計的基本問題已經解決,不會再因細節問題而發生大的變化。這時工作重點將再次轉移，進入細部設計。在這一階段將重點完善各分體系的細節設計。此時包括結構工程在內的各個領域的專家的作用將十分突出,因為所有施工的細節都必須設計出來。如果第一階段和第二階段的設計做的深入,那么在最初兩個階段所得到的總體結論和最后階段的細節的重新設計不再是問題。當然，整個實施過程應該是逐步發展的過程，從創造和細化（改進）總體設計概念直到做出精確的結構設計和細部構造。

綜上所述：在第一階段，建筑師必須首先用概念的方式來確定基本方案的全部空間形式的可行性。在第一階段，專業人員的合作是非常重要的，但僅限于形成總的構思方面。在第二階段,建筑師應該能夠用圖形來確定各分體系的需求,并且通過估計關鍵構件的性能來證明其相互作用的可行性。也就是說，主要分體系的性能只須做到一定深度，需要驗證他們的基本形式和相互關系是否協調一致。這需要與工程師進行更加詳細與明確的合作。在第三階段，建筑師和專業人員必須繼續合作完成所有構件的設計細節,并制定良好的施工文件。

當然，這些設計的成功來源于建筑材料的發展與革新。

早期的建筑材料主要是木材和砌塊,如磚塊、石材或瓦片及其它類似的材料。磚和磚之間是由砂漿或者焦油狀的瀝青或其它粘合物粘結在一起。希臘人和羅馬人有時利用鐵棒或夾鉗來加固他們的建筑。例如,雅典的帕臺農神廟的柱子,就是由在水中也能變得如石材般堅硬的火山灰建成的。

鋼材和水泥─現代最重要的兩種建筑材料,在19世紀得到了推廣。在1856年貝塞麥煉鋼法出現之后，鋼材就以較低的價格大量供應。鋼材最大的優點就是它的抗拉強度非常高，這也就是說,當它在我們已知的能拉斷許多材料的一定拉力作用下，鋼材不會喪失它的強度。其他金屬元素加入后煉成的新型合金鋼材，大大提高了抗拉強度，并消除了原有的一些缺點。

現代的水泥(也叫波特蘭水泥)，發明于1824年。它是一種由石灰石和粘土加熱后碾成粉末的混合物。它是在施工現場與砂子、骨料(小石塊、碎石、礫石)及水，拌制成混凝土。各成分含量的不同，拌制出的混凝土強度和質量也不同。混凝土應用十分廣泛,它可以澆筑、泵送甚至噴射成所需的形狀。鋼材有很高的抗拉強度而混凝土具有很高的抗壓強度，因此，這兩種材料相互彌補了各自的不足。

鋼筋和混凝土也在以另一種方式互補，就是它們幾乎有著相同的收縮率和膨脹率。因此它們可以在拉力與壓力同時存在的條件下共同工作。混凝土中加入鋼筋，可以制成鋼筋混凝土梁或其它鋼筋混凝土構件以抵抗出現的拉力。混凝土和鋼筋之間形成一種使它們粘結在一起的粘結力，這個力使鋼筋在混凝土中不會產生滑移。酸會腐蝕鋼筋，而混凝土會產生與酸相反的堿性化學反應。

結構鋼和混凝土的使用是傳統的施工方式產生的主要變化。它使人們在建造多層建筑時，不必再使用以石材或磚砌筑的厚墻了，這些變化都有利于降低施工的費用，而且這使建造更高更大的結構變成可能。

現代建筑物的重量由鋼或混凝土框架來承受,墻體已經變成能夠抵擋風雨并進行采光的幕墻了。在早期的鋼或混凝土框架建筑中，幕墻一般由砌塊建成，這些砌塊有著和承重墻一樣堅實的外觀。但是現在，幕墻一般由諸如玻璃、鋁、塑料或各種混合材料等輕質材料建成。

在鋼材建造中的另一種優點是梁之間的連接方法。多年來,傳統的連接方法是鉚接。現在,鉚接大多已經被焊接取代。

預應力混凝土是鋼筋混凝土的一種改良方式。將鋼筋彎成各種形狀，使鋼筋具有一定的拉應力。然后它們被用于預應力混凝土，這種施工方法有兩種。一種方法是在混凝土中預留與鋼筋形狀相同的孔道，當鋼筋穿過孔道后，通過向孔道灌注砂漿或粘結劑使鋼筋和混凝土粘結在一起。另一種更常用的方法是將鋼筋置于與成品構件外形相符的模板底部，然后在鋼筋周圍澆筑混凝土。預應力混凝土用鋼量和用混凝土量都比較少。由于它的這個顯著的經濟性，預應力混凝土是一種非常理想的材料。

預應力混凝土使建造特殊形狀的建筑物成為可能，如一些具有不受任何支撐物阻擋視線的大空間的現代體育競技場。這種相對較新的結構的應用正在處于不斷發展之中。

在現在的建筑裝飾中也大量地運用到石材、織物等材料。石材這種質地堅硬、耐壓耐久、不腐不燃、易于維護的天然材料，其外形色彩豐富，肌理粗獷結實，紋理造型自由多變，裝飾性強。不足之處是易碎，不保溫，難于加工和修復。現在市場上用的最多的是花崗石和大理石;織物這種以纖維為主要原料，用手工或機械所編織而成的布料，是用于包墊家具的面層包裹和墻上裝飾的材料，在現在建筑裝飾中也普遍運用。