建筑结构形式发展的力学原理分析

2018-02-14黄江南

建材与装饰 2018年44期

黄江南

（福建省闽武建筑设计院有限公司）

建筑行业的发展带动了各大产业链的发展，形成了一个经济圈。可以说建筑行业支撑着我国的经济发展。随着时代的发展，人们对建筑的要求更增加了审美观念、环保理念，不管是美伦美奂的园林式建筑还是朴实无华的民用建筑都离不开力学原理的支撑，安全第一是建筑行业自始至终所坚持的第一要务，这就给建筑工程师和结构工程师提出了技术要求。

1 建筑结构形式的发展过程

我国的建筑结构形式可追逆到五十万年的前旧石器时代，是建筑业的雏形即构木为巢的草创阶段。随着时间的推移人类文明的进步，建筑业也在不断发展的创新，由木结构建筑发展到了以砖石结构为主的新阶段，我国的万里长城就是该阶段的最为主要的代表，以砖、石为主要材料，经千年而不毁，其坚固程度可想而知，被誉为世界八大奇迹之一。随着西方文化的传入结合我国传统文化、建筑业的发展，迎来了梁、板结构的发展与成熟期，尤其是到了明清时期各类建筑物如雨后春笋般破土而出，各式的园林、佛塔、坛庙、以及宫殿、帝陵纷纷采用了梁、板的结构形式。建筑行业随着人类文明的发展在不断地进行着质的变化，更加推动了人类经济的发展历程。

2 建筑结构形式的分类

2.1 根据材料进行分类

在进行工程建筑时根据所使用的材料不同可将建筑结构分为五类：以木材为主的结构形式，即在建筑过程中使用的基本都是木制材料。由于木材本身较轻的特点容易运输、拆装，还能反复使用的特点，使用范围广如在房屋、桥梁、塔架等中都有使用，近年来由于胶合木的出现，再次扩大了木制结构的使用范围，在我国许多休闲地产、园林建筑中大多都以木制结构为主；混合结构，在进行建筑工程材料配置过程中，承重部分以砖石为主，楼板、顶以钢筋混凝土为主，而这种结构大多在农村自家住房建筑中多见；以钢筋混凝土为主的结构形式，该种结构形式的承重力比较强，多用于高层建筑。以钢与混凝土为主的结构形式，这种结构形式的承重能力是此五种形式当中承重能力最强的，适用于超高层的建筑工程当中。

2.2 根据墙体结构进行分类

按照墙体的不同可将建筑结构形式分为六类：主要使用于高楼层、超高楼层建筑中的全剪力墙结构和框——结构；用于高楼层建筑中的框架-剪力墙结构；使用于超高楼层建筑中的简体结构和框——支结构；主要使用于大空间建筑和大柱网建筑的无梁楼盖结构。

3 建筑结构形式中所运用的力学原理

从建筑业的发展史来看，不管建筑行业的结构形式、设计重心如何变化，不管是以美观为建筑方向，还是以朴实安全为方向，都有一个共同的特点是不变的，就是保证建筑工程的安全性，以给人们舒适的生活环境的同时保证人们的生命财产安全为目的。在进行建筑设计时，安全性与力学原理是密不可分的，结构中的支撑体承受着荷载，而外荷载则会产生支座反力，对建筑结构中的每一个墙面都会产生一定的剪力、压轴力、弯矩、扭曲力。而在实际的施工过程中危险性最强的是弯矩力，当弯矩力作用在墙体上时，所施力量分布并不均匀，会使一部分建筑材料降低功能性，从而影响到整个建筑的安全性，严重者会直接导致建筑物的坍塌。因此，在建筑工程进行规划设计和施工过程当中，都要将力学原理运用到位，精细、准确地计算出每面墙体所要承受的作用力，在进行材料选择时，一定要以力学规定为依据，保证所用材料的质量绝对过关，达到建筑工程的最终目的。

4 从建筑实例分析力学原理的使用

4.1 使用堆砌结构的实例

堆砌结构是最古老也是最常见的一种建筑结构形式，其使用和发展历程对人类的历史文明贡献出了不可替代的作用。其中最为著名、最令人惊叹的就是公元前2690年左右古埃及国王为了彰显其神的地位所建造起的胡夫金字塔。金字塔高达146.5m，底座长约230m，斜度为52°，塔底面积为52900m2，该金字塔的塔身使用了近230万块石头堆砌而成，每块石头的平均重量都在2.5t左右，最大的石头重约160t。后来经过专业人士的证实，金字塔在建造的过程中没有使用任何的粘着物，由石头一一堆叠而成，在建筑结构中是最典型的堆砌结构形式，所使用的力学原理就是压应力，使其经过了四千多年的风雨历程依然屹立不倒。这种只使用压应力原理的建筑结构形式非常的简单，是建筑结构发展的基础，但是因为不能将建筑空间充分地利用起来，不能满足社会发展的需求，在进行建筑过程中逐渐引进了更多新的力学原理。

4.2 梁板柱结构的使用案例

梁板柱结构使用的主要材料就是木制材料，随着时代的发展，在很多的建筑工程中需要使用弯矩，而石材本身承受拉力的强度过低，而无法完成建筑任务。由于木制材料其韧性比较强，可以承受一定程度的拉力和压力从而被大面积使用。我国的大部分宫殿、园林建筑都是采用的梁板柱结构形式，如建于公元1420年的故宫，是我国乃至世界保存最完整、规模最宏大的古皇宫建筑群，其建筑结构就是采用的梁板柱形式。从门窗到雕梁画栋皆是以木制材料为主，将我国传统的建筑结构形式使用的淋漓尽致。该建筑采用的力学原理是简支梁的受弯方式，在我国的建筑业中发挥了极为重要的作用。但是由于木材本身不耐高温极易引发火灾、又容易被风化侵蚀，极大的缩短了建筑物的使用寿命和安全性。

4.3 桁架和网架的使用案例

该结构的形成是随着钢筋水泥混凝土的出现而得到的发展。从力学原理来分析，桁架和网架的结构形式可以减少建筑结构部分材料的弯矩，对于整体弯矩还是没有作用力，在建筑业被称为改良版的梁板柱结构，所承受的弯矩和剪力并没有因为结构形式的变化而产生变化，整体的弯矩更是随着建筑物跨度的加大而快速加大，截面受力依旧是不均匀，内部构件只承受轴力，而单独构件承载的是均匀的拉压应力。此改变让桁架和网架结构比梁板柱结构更能适应跨度的需求。北京鸟巢就是运用了桁架和网架的力学原理而建造成功的。

4.4 拱壳结构、索膜结构的使用案例

随着社会生产力地不断提高，人们对建筑性质、质量有了更多的需求，随之而来的是建筑难度的不断增加，需要融入更多的力学原理才能满足现代社会对建筑的需求。拱壳结构满足了社会发展对建筑业大跨度空间结构的需求。拱壳结构所运用的是支座水平反力的力学原理，通过对截面产生负弯矩从而抵消荷载产生的正弯矩，能够覆盖更大面积的空间，如1983年日本建成的提篮式拱桥就是运用拱结构的力学原理，造型非常美丽。但由于荷载具有变异性，制约了更大的跨度，而索膜结构的力学原理更为合理，可将弯矩自动转化成轴向接力，成为大跨度建筑的首选结构形式。如美国建成的金门悬索桥，日本建成的平户悬索桥都是运用的了索膜结构的力学原理。