结构体系对交通建筑造型的影响★

2013-06-14王玉芬

山西建筑 2013年19期

关键词：建筑造型受力构件

王玉芬何影

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

交通对现在的人们是不可缺少的，而由交通衍生出来的交通建筑是城市的一个重要组成部分，更是城市交通体系中的重要环节，当今的交通建筑不仅仅是作为建筑来使用，也显示了一个城市的形象，这也使得建筑师对交通建筑造型有了更高的要求。

1 交通建筑造型的影响因素

1.1 建筑结构体系的划分

建筑造型受到建筑结构、功能空间、场所环境、建筑性格等多方面因素制约，在所有这些因素中，建筑结构毫无疑问的是起到了主导作用，结构体系是建筑造型的基本，所以在某种程度上可以说又决定了建筑的造型，按组成建筑结构的主体结构形式划分可以分为墙体结构、框架结构、框架—剪力墙(抗震墙)、筒体结构、桁架结构、拱形结构、网架结构、空间薄壁结构(包括薄壳、折板、幕式结构)、钢索结构(悬索结构)、薄膜结构。此外尚可按建筑结构的受力特点划分为平面结构体系和空间结构体系两大类。比如薄腹梁结构、桁架结构、拱结构就属于平面结构体系，它是把结构构件本身作为独立单元来考虑，如果把所有的组成构件协同起来工作，去跨越空间的话，整体作用就会大于单个构件作用之和，而且多向受力比单向受力更能发挥材料的特性，空间工作比平面工作更符合自然传递路线，这就导致了空间结构的产生。如壳体结构、网架结构、悬索结构、膜结构等。交通建筑从使用功能上讲是需要大跨度空间，大跨度建筑的拱、壳、悬索、网架等空间结构形式的出现和一些新技术的应用，使建筑造型的多样性和独特性成为可能[1，2]。

1.2 交通建筑的分类

交通建筑包括空港航站楼、铁路旅客站、公路客运站、港口客运站、地铁轻轨站、高速公路服务区和城市公交换乘站。

1.3 处理建筑造型的手法

大空间建筑造型设计有许多手法可以运用，使用纯净的几何形态是较为常用的设计手法，一个或多个几何形体可以通过使用加减法、穿插咬合、切割叠加等处理手法，利用几何形体的抽象特征赋予形体精神上的意义，从而达到美观的效果;随着新技术新工艺的发展，我们看到更多地新奇的建筑形式，人们的接受度也变得广泛，建筑对自然形态的模拟也逐渐变成建筑师们所常使用的一种设计手法，而广阔的大自然又为我们提供了数之不尽的素材，我们可以借鉴自然景物形态的结构与机理形成建筑的秩序感，构成建筑使之更自然的融入环境;韵律体现了重复出现的基本意图，使建筑成为组合建筑形式和空间的一种手段，由于规律的重复出现或者有秩序的变化，从而使人们觉得是有美感的，在建筑中，韵律的重复是由建筑设计所引起视觉可见元素的重复，如结构构件、阴影和光线、不同色彩和开洞孔等，建筑的造型就是通过这些因素的协调应用来表现;建筑材料在建筑造型上也有很大影响，交通建筑要表现出地域的可识别性，就地取材有鲜明色彩的地方建筑材料就是十分重要的。建筑造型的多样性是通过结构的均衡和稳定、韵律与节奏、连续性与渐变性的运用来体现[3，4]。

结构本身富有艺术表现力，是构成艺术形象的重要因素，为了达到安全和坚固的目的，各种结构体系都是由构件按照一定的规律组成的。这种规律性的东西本身就具有极强的造型效果，比如古罗马建筑中常见的拱券结构形式，中国古建筑中独有的斗拱形式，现代建筑中球节点钢网架结构，以及悬挑结构等。

自然地显示结构，并不是简单地显示结构本身。结构本身并不等于艺术美，而是要经过建筑师认真地选择适合建筑的结构形式并加以恰如其分的艺术创造，才能形成美好的建筑艺术形象，谈到建筑造型首先考虑的是建筑的使用功能，需要不同的建筑空间，处理好建筑功能和建筑空间的关系，选择合理的结构体系，然后去发现、选择那些建筑结构本身具有的美学价值因素，在选择的基础上，根据建筑构图原理，对那些具有美学价值的结构因素进行艺术的加工和创造，从而利用这些来创造出令人印象深刻的交通建筑[5]。

2 拱结构体系

2.1 拱结构采用的材料

在建筑和桥梁的工程中，拱是一种应用比较广泛的形式，拱的历史悠久，无论是在中国还是在外国建筑历史的舞台上都可以见到它的影子，由于拱的受力性能较好，能够较充分的利用材料强度，因此可以采用像木、砖、石这样易取得的材料，也可使用像钢筋混凝土和钢材这样的新式材料，可以获得良好的经济效益和建筑造型效果[6]。

2.2 力学原理对拱结构的分析

根据力学原理选择合理的结构形式，使结构处于无弯矩状态，以达到受力合理及节省材料的目的。根据力学原理及材料的特性可知，轴心受力的构件比偏心受力或弯、剪受力的构件更能充分利用材料的强度，人们由此创造出了多种形式的结构，使这些结构构件处于无弯矩状态，从而使材料的力学性能得到充分发挥[7]。

2.3 拱结构体系的特点

拱结构克服了一般承重构件自重大、不能跨越大跨度的缺点，从力学的角度分析，拱属于轴心受力结构，拱主要的内力是轴向压力，其截面上的应力分布比较均匀，一般情况下，其截面内的弯矩是较小的，当其轴线为合理曲线时，可以使全截面受压，如果拱轴曲线处理得当，甚至可以完全做到无弯矩状态，此外，由于拱主要承受轴向压力，故可以充分利用抗拉性能弱而抗压性能强的材料，材料来源广泛、易于就地取材，如砖、石、混凝土等[8]。充分利用结构材料的力学性能，选用材料的原则是充分利用它们的长处，避免和克服它们的短处，例如可以利用混凝土、砖石砌体建造较大跨度的受压为主的拱式结构。但是，由于水平推力的存在，拱需要有坚固的基础或支撑结构。同时，拱的构造比较复杂，施工费用大。

3 实例分析

里昂机场铁路客运站是一个交通综合体，是由法国建筑师卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)和结构工程师 Alexis Bourrat，Sebastien Mamet合作共同完成的，项目主体由车站和铁路站台组成，车站大厅形如振翅欲飞的飞鸟，外形突出，起到地标性作用，见图1。结构类型为无铰拱，无铰拱属于超静定结构，一般情况下，只有在地基良好或者两侧拱脚处有稳固边跨结构时，才采用无铰拱，无铰拱用于桥梁结构中比较普遍，而在房屋建筑工程中应用较少。车站大厅屋顶由四座呈放射状布置的钢管拱支撑，中轴对称，前端为一个巨大的钢筋混凝土基座，外侧两拱的跨度和高度比内侧两拱要大。内侧两拱之间支撑着中央屋架，其顶部开设有天窗。内拱与外拱之间架设钢梁，钢梁向外出挑，越接近后端钢梁出挑越多，见图2。

建筑两侧墙面为玻璃幕墙，钢柱固定在下部混凝土拱与上部钢拱之间。下部混凝土拱顶还支撑着一系列斜柱，这些斜柱通过短杆与幕墙的钢柱呈三角构造连接，撑托支撑悬挑屋顶的斜杆，见图3。

站台部分由开有天窗的拱顶及其下部斜向交织的混凝土梁柱构成，通过对混凝土塑性特征的把握，创造出丰富的建筑形象。总共有六条铁路线穿过其底部，中间的轨道设计可供时速300 km/h的高速列车穿过。这个轨道被罩上了一个混凝土的外壳，削弱了高速列车通过时对周围产生的冲击波，同时这个外壳又巧妙地成为上部廊道和屋顶的支撑结构。

车站大厅结构荷载最复杂的地方在四座钢拱的交汇拱脚，巨大的荷载通过钢拱汇集到这里，所以拱脚采用巨大的构造尺寸。外侧拱的压力有一部分通过竖向钢柱传递到下部混凝土拱上，这样可以有效减小四绞拱交汇处的巨大水平推力，见图4。