鋼結構建筑節點及材料的建構學分析

張茂來

浙江省機電設計研究院有限公司 浙江 杭州 310000

引言

在建筑領域中，鋼結構建筑具有重要的地位和廣泛的應用。作為一種先進的建筑技術，鋼結構建筑在大跨度、高層建筑以及特殊功能建筑等領域發揮著重要的作用。而鋼結構建筑的節點及材料的建構學分析，是研究鋼結構建筑節點設計和材料應用的關鍵內容，通過對建構學的學習，能夠更加明確鋼結構的各項特征，將其應用在建筑鋼結構設計中，可以有效優化與創新設計理念，從而推動建筑工程領域發展。

1 建構學釋義

1.1 基本概念

建構學是一種現代建筑理論和設計方法，強調建筑設計的過程性和建筑作品與環境的關系。首先，建構學強調建筑設計是一個動態的過程，將建筑視為一種不斷變化和演化的系統，而非靜止的物體，建構學認為建筑設計的過程應該是一個持續的對話和交互過程，設計師與環境、材料和空間之間不斷進行相互作用和反饋。其次，建構學強調建筑作品與環境之間的相互關系，認為建筑不是孤立存在的，而是與周圍環境相互聯系和影響的一部分，建構學強調建筑作品與自然環境、社會環境以及文化背景之間的和諧和共生關系，通過與環境的互動來創造出富有意義和價值的建筑。第三，建構學注重材料和結構的重要性，認為建筑的形式和結構應該從材料的性質和結構的功能出發，通過合理的構造和組織來實現設計的目標，建構學強調材料的真實性和表達力，通過材料的選擇和處理來創造出獨特的建筑語言和體驗。第四，建構學強調建筑的可持續性和環境友好性，鼓勵設計師在建筑設計中考慮能源效率、資源利用和環境保護等因素，通過合理的設計和技術手段來降低對環境的影響，實現可持續發展的目標。最后，建構學注重建筑的用戶體驗和情感共鳴，認為建筑設計應該關注人的需求和感受，通過創造舒適、安全和富有情感共鳴的空間，滿足人們的需求和愿望，建構學強調建筑與人的關系，通過空間布局、光線、色彩等手段來營造出與人們互動和溝通的環境[1]。

總而言之，建構學是一種以過程性、環境關系、材料與結構、可持續性和用戶體驗為核心的建筑設計方法，通過理解建構學的基本概念，設計師可以更好地把握建筑設計的本質和價值，創造出與環境和人相互關聯的優秀建筑作品。

1.2 建構元素的功能分析

在建筑領域中，建構元素具有重要的作用，且具有多種功能，具體包括：①空間分隔。通過墻體、柱子、梁等建構元素的設置，可以將建筑空間劃分為不同的區域和功能單元，實現不同空間功能的分隔和組織，例如墻體可以分割室內空間，創造出私密的區域；柱子和梁可以支撐屋頂和樓板，將建筑空間垂直分層，實現空間的多層次利用。建構元素的合理設置和布局能夠使建筑空間達到功能上的最優化，提高空間利用效率。②視覺引導。通過建構元素的布置和形態設計，可以引導人們的視線流動，創造出豐富的視覺體驗，例如建筑中的柱廊、拱門等建構元素可以引導人們的目光流向，營造出獨特的空間序列和節奏感。建構元素的大小、形狀和位置等因素都會影響人們的視覺感知，通過巧妙的設計，可以實現空間的動態和有序感[2]。③體現建筑邏輯。不同類型的建構元素在結構上具有不同的功能特點，例如梁柱結構體現了垂直的承重和支撐作用，拱形結構體現了弧形力學的穩定性，通過合理選擇和使用建構元素，可以使建筑物的結構邏輯得以展示，使觀者能夠直觀地理解建筑的結構組成和力學原理。④功能區劃。不同的建構元素可以用于劃分不同的功能區域，為不同的活動提供合適的環境，例如使用墻體可以分隔室內的起居區和臥室區；使用隔斷可以劃分辦公室的工作區和會議區。建構元素的選擇和布局需要考慮到功能需求和使用效果，以創造出適合人們活動的舒適空間。

2 鋼結構建筑節點的建構學分析

2.1 鋼結構建筑節點的基本概念

在鋼結構建筑中，節點是連接鋼構件之間的關鍵部位，通過不同的連接方式，如焊接、螺栓連接、鉚接等，將各個構件連接在一起，形成一個整體的結構系統。鋼結構節點承擔著傳遞荷載的作用，將荷載從一個構件傳遞到另一個構件，并確保結構的穩定性和安全性。由于鋼結構建筑通常承受較大的荷載，節點必須具有足夠的強度來抵抗荷載產生的應力和變形，且節點還需要具有適當的剛度，以保證結構在荷載作用下不產生過大的變形，保持結構的穩定性和整體性。鋼材具有高強度和良好的可塑性，但在節點處可能出現應力集中和變形集中的問題，所以在設計節點時，需要根據材料的特性和節點所受力的性質合理選擇節點的形式和尺寸，并采取相應的加強措施，確保節點的性能和可靠性。隨著建筑技術和工藝的不斷發展，鋼結構節點的設計也在不斷創新和改進，新型的節點設計采用了先進的材料和連接技術，以提高節點的性能和可靠性，同時鋼結構節點的設計也在追求更加優雅和精細的外觀效果，以滿足建筑的審美要求[3]。

2.2 節點建構學分析

從建構學的角度來看，鋼結構建筑節點具有傳遞力的功能，節點是將荷載從一個構件傳遞到另一個構件的關鍵部位。通過合理的設計和構造，節點能夠有效地將荷載傳遞到整個結構系統中，保證結構的穩定性和承載能力，節點在傳遞力的過程中應注意荷載的平衡和分布，避免產生過大的應力集中，保證節點的強度和可靠性。鋼結構建筑節點具有連接構件的功能，節點通過焊接、螺栓連接、鉚接等方式將不同構件連接在一起，形成整體的結構系統，節點的連接方式應根據構件的性質和荷載特點進行選擇，確保連接的牢固性和穩定性，在節點的連接設計中，應考慮連接的剛度和變形能力，從而適應結構的變形和位移。同時，鋼結構建筑節點還具有適應多種工況的功能，在實際使用中結構會面對不同的荷載和環境條件，比如風荷載、地震荷載、溫度變化等，節點的設計應考慮這些工況的影響，保證結構在各種工況下的穩定性和安全性；鋼結構建筑節點在設計時可以采用多種方法，比如增加剪力連接、設置阻尼器等，以提高結構的抗震性能和適應能力。此外，節點的設計還應考慮施工的可行性和經濟，在實際施工中節點的加工和安裝可能涉及復雜的工藝和設備，所以節點的設計應盡量簡化和標準化，方便施工過程中的操作和調整，節點的設計中要考慮到材料的利用率和成本效益，以降低結構的建造成本。

鋼結構建筑節點的設計應遵循一些基本原則，節點的設計應符合強度和穩定性的要求，確保節點能夠承受荷載并保持結構的穩定性；節點的設計應注重材料的選擇和加工工藝，以提高節點的強度和耐久性；節點的設計還應考慮結構的變形和位移，確保節點能夠適應結構的變形需求。在實際應用中，鋼結構建筑節點的設計需要綜合考慮結構的特點、荷載條件和施工要求等因素，確保結構的安全、經濟和可行性，通過深入研究和分析節點的建構學原理，合理運用設計原則和工程實踐，可以不斷提高鋼結構建筑的性能和質量，促進鋼結構建筑技術的發展和應用。

3 鋼結構建筑材料的建構學分析

在鋼結構建筑材料的建構學分析中，需要從材料自身的物理力學與空間表現性兩個角度出發，才能夠明確建構學的要點。

3.1 材料的物理力學分析

首先，鋼結構建筑材料具有高強度的特點，鋼材是一種具有較高強度和硬度的金屬材料，能夠承受較大的外部荷載而不產生過大的變形和破壞，鋼結構建筑中常使用的鋼材種類有普通碳素結構鋼、低合金高強度鋼等，鋼材具有較高的屈服強度、抗拉強度和硬度，能夠滿足結構在不同工況下的強度需求。其次，鋼結構建筑材料具有良好的剛度特性，剛度是材料抵抗變形的能力，反映了材料在受力后的變形程度，鋼材具有較高的彈性模量和剛度，使得鋼結構能夠保持穩定的形狀和結構完整性，剛性特性使得鋼結構能夠承受大荷載而不產生過大的變形，保證了結構的穩定性和安全性。第三，鋼結構建筑材料具有較好的韌性，韌性是材料抵抗斷裂的能力，表示材料在受力下的變形能力和吸能能力，鋼材具有良好的韌性，能夠在受到沖擊或高應力加載時產生塑性變形，從而吸收能量和延緩破壞的發生，韌性特性使得鋼結構在地震、風荷載等突發荷載下具有較好的抗震和抗風性能。最后，鋼結構建筑材料具有較好的耐腐蝕性和耐久性，鋼材通過表面涂層或采用不銹鋼等材料進行保護，能夠抵抗大氣、水分和化學物質的腐蝕，延長結構的使用壽命[4]。

3.2 空間表現性

從建構學的層面來看，由于鋼材具有良好的可塑性和可加工性，可以通過彎曲、焊接、切割等加工方式，將其打造成各種復雜的形狀和結構，使得鋼結構建筑在空間設計中具有更大的設計自由度，能夠創造出富有創意和個性化的建筑形式，無論是曲線造型、流線型結構還是多角形體量，鋼結構材料能夠靈活應用，創造出豐富多樣的空間效果。相比傳統建筑材料，鋼材具有較高的強度和較小的密度，使得鋼結構建筑具有較輕的自重，能夠創造出開放、寬敞的空間感，鋼結構的薄弱和透明性賦予了建筑物優雅、輕盈的外觀，使其在空間中呈現出獨特的氣質和韻律感。同時，鋼材具有較好的跨度能力和抗壓性能，可以創造出大跨度的空間結構，提供廣闊開放的空間體驗，鋼結構建筑通常采用大面積的玻璃幕墻或開放式的設計，使室內與室外空間融為一體，提供了通透、明亮的空間感受，開放性的設計能夠與自然環境相融合，使人們能夠更好地享受自然景觀和室內外的連接。除此之外，鋼結構建筑材料的創新性，為其空間表現性提供了廣闊的發展空間，鋼材的特性使得鋼結構建筑能夠實現更大膽、更具創意的設計理念，創新的結構形式、獨特的空間布局以及前衛的外觀設計都可以通過鋼結構材料得以實現，鋼結構建筑材料的創新性帶來了建筑設計領域的突破和變革，為空間表現性帶來了更多的可能性。

3.3 實例分析—玻璃與鋼

玻璃作為一種透明材料，具有優秀的光傳遞性和視覺通透性，能夠為建筑帶來獨特的空間感受，玻璃墻面和窗戶的運用可以打破建筑的封閉感，將室內與室外空間連接起來，創造出通透明亮的空間環境。通過玻璃的使用，建筑內外的景觀可以相互呼應，自然光線得以充分利用，使室內空間變得明亮、開放、寬敞；同時玻璃還可以承載建筑的功能性需求，比如遮陽、保溫、隔音等，提升建筑的舒適度和可持續性。鋼材料作為一種強度高、塑性好的結構材料，為玻璃提供了穩定的支撐和保護，鋼結構的使用可以實現大跨度的建筑設計，創造出寬敞開闊的空間形式，鋼結構的輕巧特性使得建筑物的自重減小，從而增加了設計上的自由度；鋼材料的形態多樣性也為建筑設計帶來了更多的可能性，比如鋼結構的曲線形態、網殼結構等，可以形成獨特的建筑形象和空間體驗。玻璃與鋼的結合在鋼結構建筑中呈現出獨特的空間表現性，二者共同運用可以打破傳統建筑材料的局限性，創造出現代感和輕盈感的空間形象，通過透明的玻璃墻面和鋼結構的線條，建筑內外的景觀可以相互交融，人們可以在室內欣賞到室外的美景。此外，玻璃與鋼的運用還可以形成豐富的反射、折射和透射效果，隨著光線的變化，呈現出不同的空間氛圍和表現形式。

4 結束語

綜上所述，本文簡要闡述了建構學的基本內涵及其功能，并分別從節點與材料兩個方面對其建構學進行分析，希望可以對建筑設計領域起到一定的借鑒與幫助作用，推動建筑設計領域進一步發展。