基于钢结构技术支撑下的建筑表现力

张艳丽，张 涛，岳玲焕

1.悉地（北京）国际建筑设计顾问有限公司，北京 100013

2.北京中色测绘院有限公司，北京 100012

1 钢结构与微观材料质感

钢结构以钢作为基本建筑材料，其成分主要为铁元素和碳元素。碳含量控制在1.7%以下可以得到不同性能的钢，建筑用钢按碳和合金含量分为碳素钢和合金钢两类，建筑结构中常常选用低碳素钢和低合金钢为结构组成。与混凝土材料不同，钢除了具备混凝土良好的受压性能外，其受拉能力也十分显著。钢材破坏通常情况下是一种伴随着明显变形的延性破坏。钢结构的受力状态明确表达着结构受力的基本逻辑关系，这一点与混凝土结构“含蓄”的应力表现存在区别。同时，钢结构具有材料带来的时代特性，其质感和施工工艺理性科学，可以根据结构受力精心组织和排布构件从而满足建筑的形态追求。

从微观层面来看，钢结构的材料质感体现在不同的加工处理方式上。钢材通过研磨、抛光和磨砂工艺呈现出亮面或雾面形式：亮面因其具有良好的反光性能而与周边环境形成有效互动，加深亮与暗的对比以增强建筑形态轮廓感；雾面细腻均匀的肌理带来典雅和柔美感。同时对钢材料外在表现进行凹凸、穿孔、织网等加工，获得多重材料表现。此外，钢结构材料质感也表现出冰冷、坚硬等特性，对建筑表现力产生影响。

2 钢结构与中观构件形式

中观层面分析，钢结构基本构件主要有三类：线性构件、平面构件和空间构件。与角钢、槽钢等标准型钢相比，钢索、圆钢管、箱型截面钢、H型钢、钢板成为钢结构中常常采用的构件。设计中一旦涉及异型截面，通常以焊接钢板形式满足要求。限于钢索的受拉特性往往被用作拉撑，提高整体结构的刚度和稳定性。圆钢管因其各向受力性能一致，具有广阔的应用空间。其连接以相贯节点为主——管与管直接相焊，或与钢板、钢球形成节点。桁架、支撑形式多为钢柱、钢管混凝土柱。箱型截面钢被广泛应用，究其原因在于不仅具有圆钢管显著的特性和相似的用法，而且更易与梁和墙体连接。应用最普遍的H型钢，连接方式以焊接和螺栓连接为主，间或采用铆接、销接、楔接，扮演可梁、可柱、可支撑，或形成桁架或组合柱的多重角色。钢板采用形成节点方式起连接作用，或在钢板剪力墙中实现价值，设计出不同构件和 节点。

连接节点不同是钢结构与其他结构形式的最大差别。如与现浇混凝土形式相比，钢结构的连接节点需要力流清晰，构造合理，力学平衡。立足结构设计，钢结构节点采用铰接和钢接以获得理想化的结构模型；立足建筑设计，构件与连接节点存在线与点的要素形态，点、线组合体现暴露的机械美学和精美的构件特性，增加建筑表现力和感染力。

钢结构的连接节点分为与维护材料的连接节点（如玻璃、膜、墙板等）和与结构构件的连接节点。点支式连接是与玻璃连接最常采用的形式，因其不需要龙骨的特点，钢构件形态得到充分展示。可自由设计或选用标准驳接爪，也可采用胶条或螺栓连接龙骨。与膜连接的方式主要有：缝制、熔合、胶粘和机械夹合。主受力缝处采用机械夹合，其基本方法是：膜材通过绳边被夹在金属夹板内，并辅以衬垫。通常情况下，膜首先与钢索相连，然后钢索与主结构相连。

3 钢结构与宏观高技立面

高技术与其说是一种风格，不如说是一种设计途径，主要表现在暴露、透明性、层次感、动态性、受拉构件轻质性等方面。基于钢结构技术支撑下的建筑表现，作为高层结构体系中最典型的构件——抗侧构件，在立面表现中可以实现均衡稳定和逻辑清晰的形象效果。以抗侧构件划分立面比例，获得合理的尺度感。特别是抗侧斜撑构件表现为轴向体系取代弯曲体系，明确传导力的过程，展现建筑强度。

作为框架支撑的抗侧构件，在若干榀框架柱之间设置竖向支撑可以有效提高抗侧刚度，与普通框架体系相比，其建筑高度提高两倍。竖向支撑可以布置在建筑内部或外立面，形成不同形态的建筑表现。在水平荷载作用下，独立框架的最大层间侧移发生在高楼底部。因此，尽量把支撑布置在框架高楼的底部，并且加大支撑的范围，这是框架支撑的理想化布置方案。

第二种形式表现为巨型支撑。简单筒体结构通过密柱深梁增加刚度，形成灵活透明的空间形态。筒中筒和叠加成束筒、密柱深梁和巨型支撑筒，是数量和质量增加的方式——这种支撑表现极具建筑形体美，体现结构的张力和魅力。

第三种形式表现为网格形支撑。这种与支撑型外筒结构相似，其区别在于支撑的密集和均匀以形成网格形式。优点体现在受力均匀、构图规整、尺度亲近，具有良好的整体性能，与传统立面只注重形式相比，这种网格形支撑不仅实现了形式美的要求，也巧妙完成了结构体系的建立。

此外，主结构和张力结构在建筑立面表现中具有体现。高层主结构既是水平抗侧构件，又是垂直承重构件，承受大部分的荷载，关乎整体系统的稳定与否；张力结构在大跨建筑中应用广泛，钢索拉伸呈现一种张力和轻灵画面，与传统结构形式显著不同。

4 结论

结构技术的发展支持了当代建筑设计的不断革新。同样，在建筑设计历程中，结构技术一直扮演着主角，是设计过程中最活跃、最关键的元素之一。严格来讲，好的建筑设计在结构技术方面也一定是不可挑剔的。因此，从钢结构技术层面探讨建筑表现力问题，具有重要意义和价值。结构体系是可变的，具有极大的再造和重构的潜力。运用基本材料、构件和立面形式，在提高结构效能的基础上，遵循一定的结构表现方法，创造出结构与形式高度统一的建筑精品。

[1]沈祖炎.中国建筑钢结构技术发展现状及展望[J].建筑结构，2009(9):15-24.

[2]卜亚文.钢结构技术的建筑表现力研究[D].中南大学硕士论文，2012.

[3]张冰.高层钢构建筑的结构技术与建筑表现[D].东南大学硕士论文，2005.

[4]魏志婷.基于技术支撑下的建筑结构表现性研究[D].河北工业大学硕士论文，2007.

[5]苏朝浩.结构艺术与建筑创作之协同研究[D].华南理工大学博士论文，2010.