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基于鋼結構技術支撐下的建筑表現力

2014-08-15 00:52:53張艷麗岳玲煥
科技傳播 2014年12期
關鍵詞:鋼結構結構建筑

張艷麗,張 濤,岳玲煥

1.悉地(北京)國際建筑設計顧問有限公司,北京 100013

2.北京中色測繪院有限公司,北京 100012

1 鋼結構與微觀材料質感

鋼結構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,建筑結構中常常選用低碳素鋼和低合金鋼為結構組成。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。鋼結構的受力狀態明確表達著結構受力的基本邏輯關系,這一點與混凝土結構“含蓄”的應力表現存在區別。同時,鋼結構具有材料帶來的時代特性,其質感和施工工藝理性科學,可以根據結構受力精心組織和排布構件從而滿足建筑的形態追求。

從微觀層面來看,鋼結構的材料質感體現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境形成有效互動,加深亮與暗的對比以增強建筑形態輪廓感;霧面細膩均勻的肌理帶來典雅和柔美感。同時對鋼材料外在表現進行凹凸、穿孔、織網等加工,獲得多重材料表現。此外,鋼結構材料質感也表現出冰冷、堅硬等特性,對建筑表現力產生影響。

2 鋼結構與中觀構件形式

中觀層面分析,鋼結構基本構件主要有三類:線性構件、平面構件和空間構件。與角鋼、槽鋼等標準型鋼相比,鋼索、圓鋼管、箱型截面鋼、H型鋼、鋼板成為鋼結構中常常采用的構件。設計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,提高整體結構的剛度和穩定性。圓鋼管因其各向受力性能一致,具有廣闊的應用空間。其連接以相貫節點為主——管與管直接相焊,或與鋼板、鋼球形成節點。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。鋼板采用形成節點方式起連接作用,或在鋼板剪力墻中實現價值,設計出不同構件和 節點。

連接節點不同是鋼結構與其他結構形式的最大差別。如與現澆混凝土形式相比,鋼結構的連接節點需要力流清晰,構造合理,力學平衡。立足結構設計,鋼結構節點采用鉸接和鋼接以獲得理想化的結構模型;立足建筑設計,構件與連接節點存在線與點的要素形態,點、線組合體現暴露的機械美學和精美的構件特性,增加建筑表現力和感染力。

鋼結構的連接節點分為與維護材料的連接節點(如玻璃、膜、墻板等)和與結構構件的連接節點。點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,鋼構件形態得到充分展示。可自由設計或選用標準駁接爪,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、膠粘和機械夾合。主受力縫處采用機械夾合,其基本方法是:膜材通過繩邊被夾在金屬夾板內,并輔以襯墊。通常情況下,膜首先與鋼索相連,然后鋼索與主結構相連。

3 鋼結構與宏觀高技立面

高技術與其說是一種風格,不如說是一種設計途徑,主要表現在暴露、透明性、層次感、動態性、受拉構件輕質性等方面。基于鋼結構技術支撐下的建筑表現,作為高層結構體系中最典型的構件——抗側構件,在立面表現中可以實現均衡穩定和邏輯清晰的形象效果。以抗側構件劃分立面比例,獲得合理的尺度感。特別是抗側斜撐構件表現為軸向體系取代彎曲體系,明確傳導力的過程,展現建筑強度。

作為框架支撐的抗側構件,在若干榀框架柱之間設置豎向支撐可以有效提高抗側剛度,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部或外立面,形成不同形態的建筑表現。在水平荷載作用下,獨立框架的最大層間側移發生在高樓底部。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。

第二種形式表現為巨型支撐。簡單筒體結構通過密柱深梁增加剛度,形成靈活透明的空間形態。筒中筒和疊加成束筒、密柱深梁和巨型支撐筒,是數量和質量增加的方式——這種支撐表現極具建筑形體美,體現結構的張力和魅力。

第三種形式表現為網格形支撐。這種與支撐型外筒結構相似,其區別在于支撐的密集和均勻以形成網格形式。優點體現在受力均勻、構圖規整、尺度親近,具有良好的整體性能,與傳統立面只注重形式相比,這種網格形支撐不僅實現了形式美的要求,也巧妙完成了結構體系的建立。

此外,主結構和張力結構在建筑立面表現中具有體現。高層主結構既是水平抗側構件,又是垂直承重構件,承受大部分的荷載,關乎整體系統的穩定與否;張力結構在大跨建筑中應用廣泛,鋼索拉伸呈現一種張力和輕靈畫面,與傳統結構形式顯著不同。

4 結論

結構技術的發展支持了當代建筑設計的不斷革新。同樣,在建筑設計歷程中,結構技術一直扮演著主角,是設計過程中最活躍、最關鍵的元素之一。嚴格來講,好的建筑設計在結構技術方面也一定是不可挑剔的。因此,從鋼結構技術層面探討建筑表現力問題,具有重要意義和價值。結構體系是可變的,具有極大的再造和重構的潛力。運用基本材料、構件和立面形式,在提高結構效能的基礎上,遵循一定的結構表現方法,創造出結構與形式高度統一的建筑精品。

[1]沈祖炎.中國建筑鋼結構技術發展現狀及展望[J].建筑結構,2009(9):15-24.

[2]卜亞文.鋼結構技術的建筑表現力研究[D].中南大學碩士論文,2012.

[3]張冰.高層鋼構建筑的結構技術與建筑表現[D].東南大學碩士論文,2005.

[4]魏志婷.基于技術支撐下的建筑結構表現性研究[D].河北工業大學碩士論文,2007.

[5]蘇朝浩.結構藝術與建筑創作之協同研究[D].華南理工大學博士論文,2010.

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