浅谈对建筑结构设计及建筑材料的认识

刘 豪, 郭春华

安阳师范学院建筑工程学院（455002）

作为一位建筑师必须从全局出发去处理建筑设计中应该考虑到的各种复杂问题。因为，试图将相互有关的空间分体系形式组成总体系进而形成一个建筑环境,建筑师需要有一个分阶段的设计过程，其至少要分三个“反馈”阶段考虑：方案阶段，初步设计阶段和施工图设计阶段。

这样的分阶段设计是必需的,它可使设计者避免很多细节上的困难，而这些细节往往会干扰设计者的基本思路。实际上,一个成功的建筑设计师应该具备一种从细节中分析出其本质的能力。

概念构思阶段的任务是提出和斟酌全局场地规划,活动相互作用及房屋形式方案。为实现这些计划，建筑师必须合理规划场地各部分的基本用途，组织好空间布局，并应用象征手法确定其具体形式。这就要求建筑师应首先按照基本功能和空间关系对一项建筑设计构思并模拟出一个抽象的建筑物,然后再对这一抽象的总体空间进行深入探究。

在方案阶段,如果设计者能够准确地预见所作方案的结构整体性，并考虑到施工阶段的可行性及经济性，那将是非常有帮助的。这就要求建筑师能够从分体系之间的关系去构思总体结构方案。这样易于反馈从而改进空间形式方案。

在初步设计阶段,建筑师的重点工作应是细化可能成为最终方案的设计,在这一阶段应该完成对结构布局的进一步规划，重点论证和设计主要分体系的几何尺寸、构件和相互关系。这样就可以依据全局设计方案，确定并解决各分体系的相互影响以及设计难题。但各细部的考虑还应留有选择余地。当然，这些初步设计阶段所作的决定仍可以反馈使方案进一步改善，或甚至可能有重大变化。

当设计者对初始阶段设计方案的可行性满意时,就意味着全部设计的基本问题已经解决,不会再因细节问题而发生大的变化。这时工作重点将再次转移，进入细部设计。在这一阶段将重点完善各分体系的细节设计。此时包括结构工程在内的各个领域的专家的作用将十分突出,因为所有施工的细节都必须设计出来。如果第一阶段和第二阶段的设计做的深入,那么在最初两个阶段所得到的总体结论和最后阶段的细节的重新设计不再是问题。当然，整个实施过程应该是逐步发展的过程，从创造和细化（改进）总体设计概念直到做出精确的结构设计和细部构造。

综上所述：在第一阶段，建筑师必须首先用概念的方式来确定基本方案的全部空间形式的可行性。在第一阶段，专业人员的合作是非常重要的，但仅限于形成总的构思方面。在第二阶段,建筑师应该能够用图形来确定各分体系的需求,并且通过估计关键构件的性能来证明其相互作用的可行性。也就是说，主要分体系的性能只须做到一定深度，需要验证他们的基本形式和相互关系是否协调一致。这需要与工程师进行更加详细与明确的合作。在第三阶段，建筑师和专业人员必须继续合作完成所有构件的设计细节,并制定良好的施工文件。

当然，这些设计的成功来源于建筑材料的发展与革新。

早期的建筑材料主要是木材和砌块,如砖块、石材或瓦片及其它类似的材料。砖和砖之间是由砂浆或者焦油状的沥青或其它粘合物粘结在一起。希腊人和罗马人有时利用铁棒或夹钳来加固他们的建筑。例如,雅典的帕台农神庙的柱子,就是由在水中也能变得如石材般坚硬的火山灰建成的。

钢材和水泥─现代最重要的两种建筑材料,在19世纪得到了推广。在1856年贝塞麦炼钢法出现之后，钢材就以较低的价格大量供应。钢材最大的优点就是它的抗拉强度非常高，这也就是说,当它在我们已知的能拉断许多材料的一定拉力作用下，钢材不会丧失它的强度。其他金属元素加入后炼成的新型合金钢材，大大提高了抗拉强度，并消除了原有的一些缺点。

现代的水泥(也叫波特兰水泥)，发明于1824年。它是一种由石灰石和粘土加热后碾成粉末的混合物。它是在施工现场与砂子、骨料(小石块、碎石、砾石)及水，拌制成混凝土。各成分含量的不同，拌制出的混凝土强度和质量也不同。混凝土应用十分广泛,它可以浇筑、泵送甚至喷射成所需的形状。钢材有很高的抗拉强度而混凝土具有很高的抗压强度，因此，这两种材料相互弥补了各自的不足。

钢筋和混凝土也在以另一种方式互补，就是它们几乎有着相同的收缩率和膨胀率。因此它们可以在拉力与压力同时存在的条件下共同工作。混凝土中加入钢筋，可以制成钢筋混凝土梁或其它钢筋混凝土构件以抵抗出现的拉力。混凝土和钢筋之间形成一种使它们粘结在一起的粘结力，这个力使钢筋在混凝土中不会产生滑移。酸会腐蚀钢筋，而混凝土会产生与酸相反的碱性化学反应。

结构钢和混凝土的使用是传统的施工方式产生的主要变化。它使人们在建造多层建筑时，不必再使用以石材或砖砌筑的厚墙了，这些变化都有利于降低施工的费用，而且这使建造更高更大的结构变成可能。

现代建筑物的重量由钢或混凝土框架来承受,墙体已经变成能够抵挡风雨并进行采光的幕墙了。在早期的钢或混凝土框架建筑中，幕墙一般由砌块建成，这些砌块有着和承重墙一样坚实的外观。但是现在，幕墙一般由诸如玻璃、铝、塑料或各种混合材料等轻质材料建成。

在钢材建造中的另一种优点是梁之间的连接方法。多年来,传统的连接方法是铆接。现在,铆接大多已经被焊接取代。

预应力混凝土是钢筋混凝土的一种改良方式。将钢筋弯成各种形状，使钢筋具有一定的拉应力。然后它们被用于预应力混凝土，这种施工方法有两种。一种方法是在混凝土中预留与钢筋形状相同的孔道，当钢筋穿过孔道后，通过向孔道灌注砂浆或粘结剂使钢筋和混凝土粘结在一起。另一种更常用的方法是将钢筋置于与成品构件外形相符的模板底部，然后在钢筋周围浇筑混凝土。预应力混凝土用钢量和用混凝土量都比较少。由于它的这个显著的经济性，预应力混凝土是一种非常理想的材料。

预应力混凝土使建造特殊形状的建筑物成为可能，如一些具有不受任何支撑物阻挡视线的大空间的现代体育竞技场。这种相对较新的结构的应用正在处于不断发展之中。

在现在的建筑装饰中也大量地运用到石材、织物等材料。石材这种质地坚硬、耐压耐久、不腐不燃、易于维护的天然材料，其外形色彩丰富，肌理粗犷结实，纹理造型自由多变，装饰性强。不足之处是易碎，不保温，难于加工和修复。现在市场上用的最多的是花岗石和大理石;织物这种以纤维为主要原料，用手工或机械所编织而成的布料，是用于包垫家具的面层包裹和墙上装饰的材料，在现在建筑装饰中也普遍运用。