基于鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)支撐下的建筑表現(xiàn)力

張艷麗，張 濤，岳玲煥

1.悉地（北京）國際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京 100013

2.北京中色測繪院有限公司，北京 100012

1 鋼結(jié)構(gòu)與微觀材料質(zhì)感

鋼結(jié)構(gòu)以鋼作為基本建筑材料，其成分主要為鐵元素和碳元素。碳含量控制在1.7%以下可以得到不同性能的鋼，建筑用鋼按碳和合金含量分為碳素鋼和合金鋼兩類，建筑結(jié)構(gòu)中常常選用低碳素鋼和低合金鋼為結(jié)構(gòu)組成。與混凝土材料不同，鋼除了具備混凝土良好的受壓性能外，其受拉能力也十分顯著。鋼材破壞通常情況下是一種伴隨著明顯變形的延性破壞。鋼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)明確表達(dá)著結(jié)構(gòu)受力的基本邏輯關(guān)系，這一點(diǎn)與混凝土結(jié)構(gòu)“含蓄”的應(yīng)力表現(xiàn)存在區(qū)別。同時，鋼結(jié)構(gòu)具有材料帶來的時代特性，其質(zhì)感和施工工藝?yán)硇钥茖W(xué)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)受力精心組織和排布構(gòu)件從而滿足建筑的形態(tài)追求。

從微觀層面來看，鋼結(jié)構(gòu)的材料質(zhì)感體現(xiàn)在不同的加工處理方式上。鋼材通過研磨、拋光和磨砂工藝呈現(xiàn)出亮面或霧面形式：亮面因其具有良好的反光性能而與周邊環(huán)境形成有效互動，加深亮與暗的對比以增強(qiáng)建筑形態(tài)輪廓感；霧面細(xì)膩均勻的肌理帶來典雅和柔美感。同時對鋼材料外在表現(xiàn)進(jìn)行凹凸、穿孔、織網(wǎng)等加工，獲得多重材料表現(xiàn)。此外，鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)感也表現(xiàn)出冰冷、堅(jiān)硬等特性，對建筑表現(xiàn)力產(chǎn)生影響。

2 鋼結(jié)構(gòu)與中觀構(gòu)件形式

中觀層面分析，鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件主要有三類：線性構(gòu)件、平面構(gòu)件和空間構(gòu)件。與角鋼、槽鋼等標(biāo)準(zhǔn)型鋼相比，鋼索、圓鋼管、箱型截面鋼、H型鋼、鋼板成為鋼結(jié)構(gòu)中常常采用的構(gòu)件。設(shè)計(jì)中一旦涉及異型截面，通常以焊接鋼板形式滿足要求。限于鋼索的受拉特性往往被用作拉撐，提高整體結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。圓鋼管因其各向受力性能一致，具有廣闊的應(yīng)用空間。其連接以相貫節(jié)點(diǎn)為主——管與管直接相焊，或與鋼板、鋼球形成節(jié)點(diǎn)。桁架、支撐形式多為鋼柱、鋼管混凝土柱。箱型截面鋼被廣泛應(yīng)用，究其原因在于不僅具有圓鋼管顯著的特性和相似的用法，而且更易與梁和墻體連接。應(yīng)用最普遍的H型鋼，連接方式以焊接和螺栓連接為主，間或采用鉚接、銷接、楔接，扮演可梁、可柱、可支撐，或形成桁架或組合柱的多重角色。鋼板采用形成節(jié)點(diǎn)方式起連接作用，或在鋼板剪力墻中實(shí)現(xiàn)價值，設(shè)計(jì)出不同構(gòu)件和 節(jié)點(diǎn)。

連接節(jié)點(diǎn)不同是鋼結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)形式的最大差別。如與現(xiàn)澆混凝土形式相比，鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)需要力流清晰，構(gòu)造合理，力學(xué)平衡。立足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)采用鉸接和鋼接以獲得理想化的結(jié)構(gòu)模型；立足建筑設(shè)計(jì)，構(gòu)件與連接節(jié)點(diǎn)存在線與點(diǎn)的要素形態(tài)，點(diǎn)、線組合體現(xiàn)暴露的機(jī)械美學(xué)和精美的構(gòu)件特性，增加建筑表現(xiàn)力和感染力。

鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)分為與維護(hù)材料的連接節(jié)點(diǎn)（如玻璃、膜、墻板等）和與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)支式連接是與玻璃連接最常采用的形式，因其不需要龍骨的特點(diǎn)，鋼構(gòu)件形態(tài)得到充分展示。可自由設(shè)計(jì)或選用標(biāo)準(zhǔn)駁接爪，也可采用膠條或螺栓連接龍骨。與膜連接的方式主要有：縫制、熔合、膠粘和機(jī)械夾合。主受力縫處采用機(jī)械夾合，其基本方法是：膜材通過繩邊被夾在金屬夾板內(nèi)，并輔以襯墊。通常情況下，膜首先與鋼索相連，然后鋼索與主結(jié)構(gòu)相連。

3 鋼結(jié)構(gòu)與宏觀高技立面

高技術(shù)與其說是一種風(fēng)格，不如說是一種設(shè)計(jì)途徑，主要表現(xiàn)在暴露、透明性、層次感、動態(tài)性、受拉構(gòu)件輕質(zhì)性等方面。基于鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)支撐下的建筑表現(xiàn)，作為高層結(jié)構(gòu)體系中最典型的構(gòu)件——抗側(cè)構(gòu)件，在立面表現(xiàn)中可以實(shí)現(xiàn)均衡穩(wěn)定和邏輯清晰的形象效果。以抗側(cè)構(gòu)件劃分立面比例，獲得合理的尺度感。特別是抗側(cè)斜撐構(gòu)件表現(xiàn)為軸向體系取代彎曲體系，明確傳導(dǎo)力的過程，展現(xiàn)建筑強(qiáng)度。

作為框架支撐的抗側(cè)構(gòu)件，在若干榀框架柱之間設(shè)置豎向支撐可以有效提高抗側(cè)剛度，與普通框架體系相比，其建筑高度提高兩倍。豎向支撐可以布置在建筑內(nèi)部或外立面，形成不同形態(tài)的建筑表現(xiàn)。在水平荷載作用下，獨(dú)立框架的最大層間側(cè)移發(fā)生在高樓底部。因此，盡量把支撐布置在框架高樓的底部，并且加大支撐的范圍，這是框架支撐的理想化布置方案。

第二種形式表現(xiàn)為巨型支撐。簡單筒體結(jié)構(gòu)通過密柱深梁增加剛度，形成靈活透明的空間形態(tài)。筒中筒和疊加成束筒、密柱深梁和巨型支撐筒，是數(shù)量和質(zhì)量增加的方式——這種支撐表現(xiàn)極具建筑形體美，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的張力和魅力。

第三種形式表現(xiàn)為網(wǎng)格形支撐。這種與支撐型外筒結(jié)構(gòu)相似，其區(qū)別在于支撐的密集和均勻以形成網(wǎng)格形式。優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在受力均勻、構(gòu)圖規(guī)整、尺度親近，具有良好的整體性能，與傳統(tǒng)立面只注重形式相比，這種網(wǎng)格形支撐不僅實(shí)現(xiàn)了形式美的要求，也巧妙完成了結(jié)構(gòu)體系的建立。

此外，主結(jié)構(gòu)和張力結(jié)構(gòu)在建筑立面表現(xiàn)中具有體現(xiàn)。高層主結(jié)構(gòu)既是水平抗側(cè)構(gòu)件，又是垂直承重構(gòu)件，承受大部分的荷載，關(guān)乎整體系統(tǒng)的穩(wěn)定與否；張力結(jié)構(gòu)在大跨建筑中應(yīng)用廣泛，鋼索拉伸呈現(xiàn)一種張力和輕靈畫面，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式顯著不同。

4 結(jié)論

結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展支持了當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)的不斷革新。同樣，在建筑設(shè)計(jì)歷程中，結(jié)構(gòu)技術(shù)一直扮演著主角，是設(shè)計(jì)過程中最活躍、最關(guān)鍵的元素之一。嚴(yán)格來講，好的建筑設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)技術(shù)方面也一定是不可挑剔的。因此，從鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)層面探討建筑表現(xiàn)力問題，具有重要意義和價值。結(jié)構(gòu)體系是可變的，具有極大的再造和重構(gòu)的潛力。運(yùn)用基本材料、構(gòu)件和立面形式，在提高結(jié)構(gòu)效能的基礎(chǔ)上，遵循一定的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)方法，創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)與形式高度統(tǒng)一的建筑精品。

[1]沈祖炎.中國建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009(9):15-24.

[2]卜亞文.鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的建筑表現(xiàn)力研究[D].中南大學(xué)碩士論文，2012.

[3]張冰.高層鋼構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)技術(shù)與建筑表現(xiàn)[D].東南大學(xué)碩士論文，2005.

[4]魏志婷.基于技術(shù)支撐下的建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)性研究[D].河北工業(yè)大學(xué)碩士論文，2007.

[5]蘇朝浩.結(jié)構(gòu)藝術(shù)與建筑創(chuàng)作之協(xié)同研究[D].華南理工大學(xué)博士論文，2010.