建筑結構形式發展的力學原理分析

黃江南

（福建省閩武建筑設計院有限公司）

建筑行業的發展帶動了各大產業鏈的發展，形成了一個經濟圈。可以說建筑行業支撐著我國的經濟發展。隨著時代的發展，人們對建筑的要求更增加了審美觀念、環保理念，不管是美倫美奐的園林式建筑還是樸實無華的民用建筑都離不開力學原理的支撐，安全第一是建筑行業自始至終所堅持的第一要務，這就給建筑工程師和結構工程師提出了技術要求。

1 建筑結構形式的發展過程

我國的建筑結構形式可追逆到五十萬年的前舊石器時代，是建筑業的雛形即構木為巢的草創階段。隨著時間的推移人類文明的進步，建筑業也在不斷發展的創新，由木結構建筑發展到了以磚石結構為主的新階段，我國的萬里長城就是該階段的最為主要的代表，以磚、石為主要材料，經千年而不毀，其堅固程度可想而知，被譽為世界八大奇跡之一。隨著西方文化的傳入結合我國傳統文化、建筑業的發展，迎來了梁、板結構的發展與成熟期，尤其是到了明清時期各類建筑物如雨后春筍般破土而出，各式的園林、佛塔、壇廟、以及宮殿、帝陵紛紛采用了梁、板的結構形式。建筑行業隨著人類文明的發展在不斷地進行著質的變化，更加推動了人類經濟的發展歷程。

2 建筑結構形式的分類

2.1 根據材料進行分類

在進行工程建筑時根據所使用的材料不同可將建筑結構分為五類：以木材為主的結構形式，即在建筑過程中使用的基本都是木制材料。由于木材本身較輕的特點容易運輸、拆裝，還能反復使用的特點，使用范圍廣如在房屋、橋梁、塔架等中都有使用，近年來由于膠合木的出現，再次擴大了木制結構的使用范圍，在我國許多休閑地產、園林建筑中大多都以木制結構為主；混合結構，在進行建筑工程材料配置過程中，承重部分以磚石為主，樓板、頂以鋼筋混凝土為主，而這種結構大多在農村自家住房建筑中多見；以鋼筋混凝土為主的結構形式，該種結構形式的承重力比較強，多用于高層建筑。以鋼與混凝土為主的結構形式，這種結構形式的承重能力是此五種形式當中承重能力最強的，適用于超高層的建筑工程當中。

2.2 根據墻體結構進行分類

按照墻體的不同可將建筑結構形式分為六類：主要使用于高樓層、超高樓層建筑中的全剪力墻結構和框——結構；用于高樓層建筑中的框架-剪力墻結構；使用于超高樓層建筑中的簡體結構和框——支結構；主要使用于大空間建筑和大柱網建筑的無梁樓蓋結構。

3 建筑結構形式中所運用的力學原理

從建筑業的發展史來看，不管建筑行業的結構形式、設計重心如何變化，不管是以美觀為建筑方向，還是以樸實安全為方向，都有一個共同的特點是不變的，就是保證建筑工程的安全性，以給人們舒適的生活環境的同時保證人們的生命財產安全為目的。在進行建筑設計時，安全性與力學原理是密不可分的，結構中的支撐體承受著荷載，而外荷載則會產生支座反力，對建筑結構中的每一個墻面都會產生一定的剪力、壓軸力、彎矩、扭曲力。而在實際的施工過程中危險性最強的是彎矩力，當彎矩力作用在墻體上時，所施力量分布并不均勻，會使一部分建筑材料降低功能性，從而影響到整個建筑的安全性，嚴重者會直接導致建筑物的坍塌。因此，在建筑工程進行規劃設計和施工過程當中，都要將力學原理運用到位，精細、準確地計算出每面墻體所要承受的作用力，在進行材料選擇時，一定要以力學規定為依據，保證所用材料的質量絕對過關，達到建筑工程的最終目的。

4 從建筑實例分析力學原理的使用

4.1 使用堆砌結構的實例

堆砌結構是最古老也是最常見的一種建筑結構形式，其使用和發展歷程對人類的歷史文明貢獻出了不可替代的作用。其中最為著名、最令人驚嘆的就是公元前2690年左右古埃及國王為了彰顯其神的地位所建造起的胡夫金字塔。金字塔高達146.5m，底座長約230m，斜度為52°，塔底面積為52900m2，該金字塔的塔身使用了近230萬塊石頭堆砌而成，每塊石頭的平均重量都在2.5t左右，最大的石頭重約160t。后來經過專業人士的證實，金字塔在建造的過程中沒有使用任何的粘著物，由石頭一一堆疊而成，在建筑結構中是最典型的堆砌結構形式，所使用的力學原理就是壓應力，使其經過了四千多年的風雨歷程依然屹立不倒。這種只使用壓應力原理的建筑結構形式非常的簡單，是建筑結構發展的基礎，但是因為不能將建筑空間充分地利用起來，不能滿足社會發展的需求，在進行建筑過程中逐漸引進了更多新的力學原理。

4.2 梁板柱結構的使用案例

梁板柱結構使用的主要材料就是木制材料，隨著時代的發展，在很多的建筑工程中需要使用彎矩，而石材本身承受拉力的強度過低，而無法完成建筑任務。由于木制材料其韌性比較強，可以承受一定程度的拉力和壓力從而被大面積使用。我國的大部分宮殿、園林建筑都是采用的梁板柱結構形式，如建于公元1420年的故宮，是我國乃至世界保存最完整、規模最宏大的古皇宮建筑群，其建筑結構就是采用的梁板柱形式。從門窗到雕梁畫棟皆是以木制材料為主，將我國傳統的建筑結構形式使用的淋漓盡致。該建筑采用的力學原理是簡支梁的受彎方式，在我國的建筑業中發揮了極為重要的作用。但是由于木材本身不耐高溫極易引發火災、又容易被風化侵蝕，極大的縮短了建筑物的使用壽命和安全性。

4.3 桁架和網架的使用案例

該結構的形成是隨著鋼筋水泥混凝土的出現而得到的發展。從力學原理來分析，桁架和網架的結構形式可以減少建筑結構部分材料的彎矩，對于整體彎矩還是沒有作用力，在建筑業被稱為改良版的梁板柱結構，所承受的彎矩和剪力并沒有因為結構形式的變化而產生變化，整體的彎矩更是隨著建筑物跨度的加大而快速加大，截面受力依舊是不均勻，內部構件只承受軸力，而單獨構件承載的是均勻的拉壓應力。此改變讓桁架和網架結構比梁板柱結構更能適應跨度的需求。北京鳥巢就是運用了桁架和網架的力學原理而建造成功的。

4.4 拱殼結構、索膜結構的使用案例

隨著社會生產力地不斷提高，人們對建筑性質、質量有了更多的需求，隨之而來的是建筑難度的不斷增加，需要融入更多的力學原理才能滿足現代社會對建筑的需求。拱殼結構滿足了社會發展對建筑業大跨度空間結構的需求。拱殼結構所運用的是支座水平反力的力學原理，通過對截面產生負彎矩從而抵消荷載產生的正彎矩，能夠覆蓋更大面積的空間，如1983年日本建成的提籃式拱橋就是運用拱結構的力學原理，造型非常美麗。但由于荷載具有變異性，制約了更大的跨度，而索膜結構的力學原理更為合理，可將彎矩自動轉化成軸向接力，成為大跨度建筑的首選結構形式。如美國建成的金門懸索橋，日本建成的平戶懸索橋都是運用的了索膜結構的力學原理。

5 結語

建筑結構形式的發展告訴我們不管使用什么樣的建筑形式都需要受到力學原理的支撐，最終目標都是保證建筑的安全性。在新時代背景下發展的建筑結構形式同樣離不開力學原理的運用，力學原理是一切建筑的理論與基礎，只有將力學原理科學合理的使用，才能保證建筑工程的安全性。