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1、论建筑结构与设计的协调统一 摘要：建筑是建筑物和构筑物的总称，它是运用一定的科学规律和美学法则创造的人工环境。任何建筑物必须满足三个要求:(1)功能性。建筑房屋是为了一定的目的,它要能满足人类的使用要求,即要求适用。(2)安全性。所盖的房屋在使用期间决不能倒塌或破坏,能抗御各种自然和人为灾害的袭击,即要求坚固。(3)艺术性。房屋在满足功能性和安全性之后,还应该注重它的艺术性,即要求美观。为了达到房屋“适用、坚固、美观”的要求,需要建筑、结构、设备各工种设计人员通力合作,共同完成任务。而结构设计的好直接坏关系到建筑物是否适用、经济、美观。特别在高烈度地震区，建筑必须在满足结构抗展要求的前提下，才
2、能谈得上建筑物的造型美观、功能完善等等。关键词： 建筑；结构设计；合理性；经济性；安全性；结合1 绪论1.1 概述现代化建筑物的设计要求越来越严格，所以，在建筑设计优化过程中更要注重结构设计的合理性、建筑的美观性、安全性和耐用性。因此在建筑行业广泛兴建的过程，建筑设计和结构设计的双重概念整合出现在建筑施工过程中，使得两者紧密地联系在一起，从而从根本上保证了建筑的效用最大化。结构设计需要务实，建筑设计需要创新。但是两者又是缺一不可的，任何一个项目设计都必须要协调好结构设计和建筑设计，只有协调好双方的关系，一个建筑工程设计才能完成，所以说建筑设计和结构设计是协调统一的。结构存在于建筑中，代表着一种
3、秩序。随着社会高速的发展，各个领域都呈现了剧烈的变化，各种学科、各种思潮相互渗透和融合，前所未有。建筑结构已经开始不甘寂寞，只发挥基本的承受荷载功能的技术性质，开始尝试结构的独特的具备建筑学的美学元素的艺术性潜能。要成就一座建筑所不可缺的三个基本条件：材料、结构、技术结构构成建筑内部空间和建筑产生形态的基础，结构存在于建筑空间之中，建筑无法脱离结构而存在，结构是建筑的骨骼，它传递荷载，支撑着建筑，是它保证着建筑的力学平衡、几何稳定、强度和刚度。在高层建筑中，由于结构是以水平荷载为主要控制荷载，故结构体系的选型和结构布置要考虑最有利于抗震和抗风的要求。同时，结构构件截面尺寸还要满足刚度和版性的要
4、求。这样便对建筑设计形成了一定的约束和限制，使建筑与结构二者相互协调统一。1.2 建筑设计与结构设计的基本概念 建筑设计是建筑学的核心内容。根据经验，建筑设计主要有五个基本的工作阶段：搜集资料、初步方案、初步设计、施工图纸和详图等。建筑设计主要是在建造之前按要求将施工、使用过程中的隐患问题进行设想，以图纸和文本形式制定解决问题的方案。建筑设计是整个建筑工程在备料、施工、使用等各个环节互相配合协作的共同依据，为整个工程提供详细的执行方案，使建筑物充分满足用户的需求。从某种角度看，建筑设计具有一定的预见性，它要全面预见到拟建建筑目前已经存在或者将来可能发生的各种问题，并在设计过程中从宏观到微观、从
5、整体到局部、从功能到构造逐步深化和实践。结构设计是建筑设计的依据。结构设计的主要任务是根据建筑物的功能体现、艺术追求和技术要求等，提供合理的建筑构造方案。为了满足建筑物各部分的使用功能，需要在构造设计中综合考虑结构选型、材料选用、施工方法以及各种结构件的加工制造工艺等问题。随着科学技术的发展，建筑学各学科的专业化程度也越来越高，建筑设计与结构设计这两个学科的相互配合与统一也就越来越重要。一个完美的建筑设计，离不开同等完美的结构设计，而后者又恰恰是整个建筑物安全、可靠、经济、美观的最根本保障。因此，在工程实践中，人们往往以建筑设计理念和结构设计理念的有机结合来实践建筑艺术。1.3 建筑结构与设计
6、协调统一的意义 （1）美观与安全需求。 建筑和结构专业极易发生矛盾,要求双方都得牺牲自己的合理性,以求妥协。意大利建筑师和工程师奈维尔曾说过：“建筑必须是一个技术与艺术的集合体，而并非是技术加艺术”。显然 结构设计的立足点在于力学，建筑设计的立足点则在于美学。技术与艺术的有机结合，力与形的协调统一才是一个优秀的建筑。“经济有效、物尽其用、用的其所”是我们每一个设计者应该考虑的首要问题，而自然界的生物体无疑是结构与形式的完美结合的典型。其构成始终遵循着用最少的材料达到最合理的形式，即能低能高效的原则，因为这是亿万年的进化、物竞天择、适者生存所淘汰下来的。现实生活中就需要我们去进行结构优化，在结构
7、材料、构造节点、力学和力流、艺术造型上和建筑形式美之间找到一个临界、平衡的交汇点，以达到用料最少的合理结构。（2）实用性能需求。 我们知道，建筑使人们为了满足社会生活需要，利用所掌握的物质手段，并运用一定的科学规律和美学法则创造的人工环境。好的建筑不仅要给人以美的享受、安全感，更要满足人们的使用要求。ME托罗说过：“结构设计与科学技术有密切的关系，然而却在很大程度上涉及到艺术，关系到人们的感受、情绪、适应性以及对合宜的结构造型的欣赏。”建筑空间是一种结构技术内化的空间艺术，结构对空间形态的形成有着决定性的作用。由自身的骨架、格架、构件、单元、材料等按照空间功能的要求，进行组合、穿插、分割、围合
8、、切割等手法的处理后，既要保证建筑的强度、刚度和几何形状，又要能符合最高效的、最合理的力学原理即为结构。意大利著名的 Nardini 酿酒厂，钢结构、玻璃围护。有两部分组成，一部分是上面的悬挂式，由两个椭圆形透明球组成，靠近研发中心的实验室玻璃蒸馏球，另一个像一个天然峡谷埋于地下，用做礼堂和客厅。两个椭圆空间相邻而立，既给人艺术上的美的享受，有很好的展示了它在使用上的合理搭配。同样，蒙特利尔世界博览会上西德馆，一种帆布帐篷的张力体系的钢索网状的张力结构。它以轻柔的材质张扬的结构形式给人一种自然、轻巧自由、韵律横生的感觉，更关键的是它的空间也随着结构呈现出动态感，且以这种动感的过渡很完美的实现了
9、功能需求的统一。随着科技的发展，人们不仅重视到了资源的稀缺，也更注重精神层面的享受（即对美的追求）、生活的便捷（更希望出现“沙龙式“的建筑）。因此，要用有限的资源建造出满足人们生活各类需求的在建筑，就要求设计者们必须把建筑与设计协调统一起来。否则往往只是凭建筑师的灵感随手一挥而诞生出许多创新的建筑方案，却只会苦了结构工程师。最终也往往会是结构工程师认为这是好的建筑方案，但是不可为的结构方案或者得花费巨大代价才只能勉强解决，这就是现在并不罕见的“凑合工程”的来源。著名的悉尼歌剧院就是其中的一朵奇葩。它位于悉尼大桥附近的班尼浪半岛上,是各国船只进出港时必经之地,因此悉尼歌剧院这一组像群帆泊港、似白
10、鹤飞翔的造型奇特的建筑群,就格外引人注目,吸引了无数的国外旅游者。应该说,它的建筑方案是很有特点的,八个薄壳分成两组,每组4个,分别覆盖两个大厅;另外,还有两个小薄壳置于餐厅之上。两组薄壳对称互靠,外贴乳白色面砖,给人以丰富的联想:好像白帆,有如贝壳,姿同海浪,貌似莲花。它已经成为悉尼的标志,无疑是很成功的。然而,这位杰出的建筑师,对结构方案却考虑得太少了。这10个双曲壳体向上悬臂斜挑,姿态各异。原方案中,10个壳体壳形各异,后来为了施工方便和经济因素,才统一在一个直径为75m的圆球面上,割出大小不同的三角瓣,分别作为10个壳体的曲面,以利预制。这个工程的结构方案最致命的缺点是,选错了结构形式
11、。悉尼歌剧院的壳体,都是悬臂斜向悬挑,当受重力作用时,壳体内根本不是薄膜压应力,壳体的优越性完全没有了。当受风力作用时,如风力作用于壳体凸面,则在壳体自重的联合作用下,更增加了使壳体的倾覆。因此,从结构力学的观点看,这组壳体根本无法实现。但这组建筑外形的确独特,也不忍割爱,只好在保留外形的条件下,改变内涵的结构形式。最后决定采用由许多大小不同的三铰拱并列拼接而成的“壳体”。三铰拱为钢筋混凝土预制构件,截面是Y型和T型,挺立的拱肋由大而小,顺序成对并列,拼凑成“壳体”曲面。这个工程1957年选中方案。1959年动工,直到1973年完工,工期长达14年。预算造价350万英磅,实际造价5000万英磅
12、,超过十多倍。可见建筑师的设计方案,不管多么出类拔萃,如果不同结构工程师密切配合,其后果将是何等严重!2 现代建筑结构设计存在的问题2.1 现代建筑结构设计存在的扭转问题几何形心、刚度中心、结构重心被称为建筑结构的三个核心，在进行建筑设计的时候，要保证建筑结构的三个核心尽可能的集中在一个点上，那就是三心合一的结构设计要求。结构扭转问题是说，在建筑结构设计的过程中没有实现三心合一的结构要求，从而造成在水平荷载作用下出现扭转振动的问题。为了避免由于在水平荷载作用下出现扭转发生损害的问题，应该在结构设计上选择一个合理的结构和布局，尽可能使建筑物在荷载水平作用上尽可能的做到三心合一。2.2 现代建筑结
13、构设计中存在的共振问题在建筑施工现场发生地震时，如果建筑的自振周期和场地的特征周期接近，就会造成建筑物和地面产生共振现象。因此建筑工地在进行建筑设计时，应通过调整结构层的特征周期进行评估，选择相应的结构类别和结构系统，并增加建筑物的自振周期和建设场地特征周期差异，尽量避免出现共振的地方。2.3现代建筑结构设计中存在的水平侧向位移问题水平侧向位移就算是达到了规定的结构要求，也不能够说明结构设计是合理的。还需要考虑到力的大小、周期和地震综合因素。由于抗震设计和地震强度大小、结构刚度有着直接的关系。当结构刚度小、结构不合理的时候，因为地震力太小会造成结构的位移范围也小，这就使得位移在结构容许的范围内
14、，则此结构不能被认为是合理的。由于一个长周期的结构，地震力小反而不是安全的。其次，位移曲线应该是连续变化的。除沿竖向刚度突变发生外，应该有明确的拐点或转折点。在正常情况下，剪力墙结构的位移曲线应是弯曲的。框架结构的位移曲线应该是剪切型的，即框-剪结构和框-筒结构的位移曲线应弯剪型。3 如何协调建筑结构与设计随着现代化的快速发展，建筑行业的发展速度也在不断增加，越来越多的人都对建筑的要求越来越高。除了应该具备的基本功能外，还要求具有美观、多功能等要求。建筑结构设计中建筑设计和结构设计的考虑将变得更加谨慎，并始终跟随时代的脚步。在建筑设计过程中，越来越注重生态建筑的设计理念。坚持以人为本的原则，实
15、现人与自然协调发展的重要要求，从而实现可持续发展的建筑目标。建筑结构设计中结构合理、安全应用、施工简单，这些始终都是经济合理的建设要求。因此在建设规划过程中，对于建筑设计和结构设计的有机结合和协调是势在必行的，应尽可能的将二者结合起来应用在建筑细节上。3.1 双曲抛物面壳作屋盖结构 双曲抛物面壳形如马鞍,它在一个方向向下弯曲,作用如薄拱,内力是压应力;而在另一个与之相垂直的方向,作用如悬索,内力是拉应力。它虽然是双曲壳,但两个相互垂直方向的曲率是相反的,因此它可以由一族直线组成,形成所谓直纹曲面。双曲抛物面壳作屋盖能把建筑功能上需要的围护构件与结构承重上需要的受力构件结合起来,一身二任。同时,
16、它具有双向相反弯曲的外形,屋面排水流畅快速,不易积水。加之两块壳板之间的接缝,位于截面的高处,雨水无法积存,因之构件间接缝容易处理。壳板的体型也比较小,以24m跨度马鞍形壳板为例,总高度才1.06m,而同样跨度的梯形屋架,跨中高度达.4075.m相差约3mo可见采用双曲抛物面壳作屋盖,可节省建筑空间的体积。3.2索网屋盖中间设置受力结构一个方向的主索(承重索)向下弯曲,与之垂直的另一个方向的副索(稳定索)向上弯曲,主索如同悬索结构受拉力,副索压在主索上,如同拱一样,对索网起稳定作用。众所周知的，美国耶鲁大学的溜冰场它的屋盖就是双向索网结构,整个屋盖一分为二,中间用一个落地拱把它分开。因此在场地
17、中央运动员活动的地方恰是拱顶部分,净空最大,建筑功能与结构承重毫无矛盾。其实耶大冰球场屋盖也可以理解为原本是整个双向索网结构,由于中间承重索下垂度太大,影响功能使用,故在场地中间设置一落地拱,即给承重索中间加一个支点,把它顶上去,将它一分为二,变成两段承重索,这两段承重索因跨度少了一半,下垂度亦相应减少,且位置向两侧移开,使得场地中间运动员活动之处,净空变得最大。当然,这个中间承重结构可以是落地拱,也可以是析架、悬索、索拱结构等其他可用结构。3.3 纵横框剪结构现在中国建筑科学研究院设计所做了一个纵框横剪结构方案, 这种新结构是取消全部横向框架,代之以适当数量的横向剪力墙。因此,横向除了剪力墙
18、外,没有横向梁,而纵向仍为纵向框架结构。纵横向水平力分别由纵向框架和横向剪力墙承担。从建筑方面看,横向剪力墙将整个房屋划分为一个个独立的子空间,每个子空间可以有完全不同的建筑功能。由于没有横向框架,柱子在横向无须整齐排列,也就是说,纵向各棍框架的柱距可以自行根据需要调整,不必划一。这给建筑师在子空间内布置房间以极大的自由。从结构方面来说,好处更大。它具备框架结构和剪力墙结构两者的优点,充分发挥两者的效能。在房屋纵向,高宽比比较小,加之跨数多,采用纵向框架也无大碍,能抵抗纵向水平力。在房屋横向,高宽比比较大,如用框架,则刚度太弱;现用横向剪力墙,大大提高了房屋的横向刚度。这种结构方案最大的好处是
19、能使房屋在纵横两个方向的侧向刚度大体相当,能充分发挥其整体抗侧力能力。而一般结构体系的房屋则常是纵横向的刚度不一样。当然，随着科学技术的发展如今解决这类问题的方案远不止这些，还有：对于高层建筑采用框剪结构、将拱形结构用于屋盖、利用空心管柱的空心部分作为落水管等相应管道等等，这里就不一一例举了。4 结论 建筑的发展主要体现在两个方面：一是人们对建筑功能的要求，以及人们对建筑审美方面的要求；二是人们对建筑结构和技术方法的要求。这两个方面是辩证统一的。建筑功能对建筑结构的要求多种多样，不同的结构设计决定每一种建筑功能都需要有相应的结构方法来实现，而每一种结构类型由于受力情况、构件组成等差异造成的空间
20、形式的局限性，因此在建筑工程的设计阶段要将其功能要求与结构要求相结合。任何一个建筑设计方案，都会对具体的结构设计产生影响，而有限的结构设计技术水平又制约着建筑设计层次。因此，在做建筑设计的过程中，建筑师应具备有一定的结构方面基础，能与结构设计适当结合，相互调协，使二者相统一。结构设计需要务实，建筑设计需要创新。但是两者又是缺一不可的，任何一个项目设计都必须要协调好结构设计和建筑设计，只有协调好双方的关系，一个建筑工程设计才能完成，所以说建筑设计和结构设计是协调统一的。参考文献1郑峰.建筑设计必须与结构设计相结合J.科技信息(科学教研),2012(02). 2胡懿.现代建筑设计及建筑结构设计问题
21、的探讨3刘先觉主编.现代建筑理论:建筑结合人文科学自然科学与技术科学的新成就(第2版)M.北京:中国建筑工业出版社,2008.4林东. 浅谈建筑结构设计J.科技创新导报,2011年20期5李胜男,张红星. 浅谈建筑结构设计A.土木建筑学术文库(第13卷)C,2010年6GB50068一2001.建筑结构可靠度设计统一标准7GB500102002.混凝土结构设计规范S8美罗伯特?文丘里著.建筑的复杂性与矛盾性M.周卜颐译.北京:中国水利水电出版社、知识产权出版社,20069吴焕加著.外国现代建筑二十讲M北京:生活.读书新知三联书店,2007.10徐中玉.应用文写作M.高等教育出版社.2006.6致 谢在毕业论文写作过程中，秦立平老师给予了很大帮助，对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予了细心指导,使我得以顺利完成毕业论文。我在此向秦老师表达崇高的敬意和衷心的感谢！在我十几年的学习和生活中，除了得到父母亲无私地支持外，还得到众多老师的教导、关心、支持和帮助，使我不仅巩固了所学知识，而且接受了全新的思想观念，领会了基本的思考方式，掌握了通用的学习方法，为我即将到来的工作奠定了重要基础。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意，对支持过我、帮助过我的同学们表示谢意！ 最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。此致敬礼！ 7