建筑与结构的关系

建筑与结构的关系

摘要：随着建筑科学技术的发展，专业化程度越来越高，一个优秀的工程设计是建筑设计和结构设计的有机结合。要设计出既满足建筑美观，造型优美，又使结构安全、经济、合理的建筑物是每个建筑师与结构工程师都必须关注的问题。所以，建筑设计与结构设计的相互配合、紧密联系才是关键所在。本文通过对建筑与结构的关系的论证，以寻求建筑与结构之间存在矛盾的问题关键，以及如何使建筑与结构完美结合的方法所在。

关键字：建筑 结构 关系 矛盾 协调统一

作为设计与建造服务于人类各项需求的构筑物的基础学科，建筑设计与结构设计曾经在很长的一段时间内被笼统归纳为广义的建筑学——建筑师既承担建筑的平面布局与立面造型设计，同时又作为结构工程师，直接或间接地参与全部建造过程。

工业革命之后，特别是近现代以来，由于结构计算和设计的愈加复杂，单纯的造型设计功底，无法再满足大型现代建筑结构设计的要求。于是，建筑设计与结构设计走上了两条完全不同的道路，前者更注重造型设计，力求体现个性；后者更注重严谨计算下得出的安全性、实用性、经济性的统一。这种学科的分离，也导致了两大学科的一些矛盾：建筑设计师认为结构工程师过多的限制设计的自由；而结构工程师则苦恼于建筑设计师不切实际的想象力造成的巨大工作负担。

在2012年6月上海举行的“建筑! 结构巅峰对话：结构成就建筑之美” 学术报告会上，《建筑技艺》编委会主任崔愷院士在主持开幕式时说：其实真正好的建筑师应该具备一定的结构理念，而真正伟大的结构工程师也需要有建筑美学修养；建筑师应该学会展示结构的力度和美感，结构师应该积极了解建筑师的想法, 创造性地提出结构解决方案, 而不仅仅拘泥于结构的软件和规范。国际上有很多著名的建筑作品都是建筑和结构完美结合的范例, 而我们目前大量的建造往往成为了没有结构美学的堆砌, 结构技术也因此受到了限制。

一、 什么是建筑？

老子在道德经中说：“三十辐共一毂，当其

无，有车之用。埏埴以为器，当其无，有器之

用。凿户牖以为室，当其无，有室之用。故有

之以为利，无之以为用。”

这一段话告诉我们建筑的重点就在于“无”，在于“空”的地方。

在百科中，建筑的定义为：建筑是建筑物

与构筑物的总称，是人们为了满足社会生活需

要，利用所掌握的物质技术手段，并运用一定

的科学规律、风水理念和美学法则创造的人工

环境。

而建筑设计是建筑学的核心，主要指建筑

物在建造之前，设计者按照建设任务，把施工

应县木塔

过程和使用过程中所存在的或可能发

生的问题，事先作好通盘的设想，拟定

好解决这些问题的办法、方案，用图纸

和文件表达出来。作为备料、施工组织

工作和各工种在制作、建造工作中互相

配合协作的共同依据。便于整个工程得

以在预定的投资限额范围内，按照周密

考虑的预定方案，统一步调，顺利进

行 。并使建成的建筑物充分满足使用

者和社会所期望的各种要求。 央视大楼

二、 什么是结构？

“物体皆通过它们的形态来起作用，因此形态始终具有功能。换言之，形态的保持是功能永存的先决条件。所有的物体接受各种力量的作用。抵抗力量以保护物体形态永存的坚硬度，即称之为结构。” 也就是以一定的材料，建造具有足够抵抗能力的空间骨架，抵御自然界可能发生的各种作用，为人类的需要服务，即结构。

结构可以看作是能够对各种力的作用

产生相应反应的系统。离开了力的作用，或

对力的作用没有任何反应，结构也就失去了

存在的意义。对于建筑来讲，结构创造出了

建筑物中“无”的地方，赋予了建筑物抵御

各种力的作用的能力，是一种保障机制，使

建筑在可能出现的各种力的作用下，能够保

证安全和正常使用。

天棚、屋顶常用钢结构 结构设计，即：建（构）筑物的结构设

计，一般包括上部结构设计和基础设计。

上部结构设计主要内容及步骤：

（1）根据建筑设计来确定结构体系、

确定结构主要材料；（2）结构平面布置；

（3）初步选用材料类型、强度等级等，

根据经验初步确定构件的截面尺寸；

（4）结构荷载计算及各种荷载作用下

结构的内力分析；（5）荷载效应组合；

（6）构件的截面设计。此外还包括某

些必要构造措施，需要依据结构专业相悬索结构关规范、图集等。

基础设计主要内容及步骤：（1）根据工程地质勘察报告、上部结构类型及上部结构传来的荷载效应和当地的施工技术水平及材料供应情况确定基础的形式，材料强度等级，一般有浅基础（如：独立基础、条形基础等）和深基础（如：桩基）

；（

2）基础底面积的确定及地基承载力验算；（3

）基础内力计算及配筋计算；（4）考虑必要的构造措施。

结构设计的成果体现在绘制的结构施工图上，该图纸是结构工程师的语言，是直接面对施工现场及相关工程技术人员的，应该按照一定的规范绘制。

三、 建筑与结构的关系

（一）建筑与结构的矛盾

作为土木建筑的一大进步，百余年来，建筑与结构的分工明确，曾使两大专业各显神通，都有了长足的发展。但是，其间也不断产生一些前所未有的矛盾，每每失去了传统建筑中建筑与结构的和谐之美，其原因往往在于建筑与结构之间的有机联系经常被隔断，这在建筑设计过程的每个环节上以及最终成果上都有所反映。

一方面表现为在实际中已经

建成的建筑物不堪一击，在严重的

自然灾害后坍塌，2008年经历了

8.0级地震的汶川，倒塌房屋无

数，然而对于普通住宅而言，这一

现象不是由于技术问题，并非因为

结构设计没有得到足够的发展而

形成的建筑与结构的矛盾，只是当

时的结构设计没有考虑到建筑物

如何避免被更严重的自然灾害侵2008年汶川地震后倒塌房屋 蚀。

另一方面表现在许多建筑设计师，强调创作的美观、新颖、标新立异，强调创作的最大自由度，然而这样的建筑设计将会给结构设计带来很大的困难，作为建筑物本身必须承受起巨大的自重荷载和活载、水平风力、地震力、扭矩力等。就像我们自己做课程设计，尤其是在刚刚接触建筑设计这一专业的时候，会有很多夸张奇特甚至是不切实际的想法，当我们把它做成建筑设计方案与老师交流的时候，抑或是与研究结构的前辈沟通时，我们得到的回复却是这个建筑建不起来，无法做出相应的结构设计。这就是因为建筑设计给结构设计提出了就目前结构设计的发展状况而言无法解决的难题。

（二） 结构对建筑的贡献

在建筑史发展的初期，人们用来进行建筑构造的材料往往只是砖石或木材，人们进行建造工程所依靠的技术手段也十分有限。自从钢和钢筋混凝土结构技术发展以来，建筑师们已经可以不再被建筑材料的有限性所束缚，尽管很多人忽略了结构发展带来的巨大改变，这依然是结构技术对于建筑设计的重大贡献。

在龙尚市的勒·柯布西耶设计的朗香教堂是一个非常独

特而具有设计感的建筑作品。

建筑物的墙由有白色石料支

撑，在墙顶和屋顶内侧有一个

空隙，允许少量的光线射入屋

内，这是建筑设计上非常重要

的一点。因此，墙不承担屋顶

的重量。向上弯曲和挑出去的

屋顶由钢筋混凝土薄壳形成，

薄壳掩盖了整体和常规的梁柱

钢筋混凝土框架。小截面的钢朗香教堂

筋混凝土柱被镶在规则网格的砖石墙中，支撑着横跨在建筑物上的梁，同时柱顶支撑着掩盖建筑物边角的屋顶壳。

朗香教堂的技术难题的解决，一方面得益于结构对建筑的贡献：建筑材料的新发现；一方面也是由于建筑自身规模较小，就如同雕塑的结构问题基本上都是可以解决的。

（三） 建筑与结构的协调

对于建筑设计与结构设计间存在的矛盾，那么如何合理利用并克服其间的矛盾就成为了建筑师与结构工程师应该共同考虑的问题。面对一个实际的建筑工程设计项目，在构思规划、设计、施工过程中，应该系统、全面地了解各方面的工程数据、信息，科学地进行建筑设计，同时进行重点环节、重点部位的结构设计，考虑外观造型对材料、承载力、剪力、延性、刚度、抗压、平衡、抗震等的实现难度，整体构思结构总体方案，明确结构总体系与水平分体系、竖向分体系空间的关系和设计要求。有必要通过概念性的近似计算进行探索优化，确定结构分体系及其构件的基本尺寸，确认建筑设计方案的可行性，确保建筑空间形式与结构受力特征的协调性和一致性。

1. 技术主导：建筑——经过装饰的结构

在西方建筑史中有很多时期，建筑完全由所偏爱的结构系统的形式逻辑所影响（基本是决定），那个时代有其独特的建筑风格和建筑整体形态。在这种方式占统治的时期，建筑设计是由结构骨架产生的。

在由结构决定建筑的西方传统

建筑中最引人注目的是雅典的帕提

农神庙。帕提农神庙的建筑是构造

型的:结构要求决定建筑形式。神庙

坐西向东，采用希腊神庙中最典型

的长方形平面的列柱围廊式。建在

一个三级台基上，屋顶的东西两端

形成三角形的山墙，上有精美的高

浮雕。这种格式被认为是古典建筑

风格的基本形式。帕提农神庙坐落

在卫城的最高处，从雅典各个方向

都能看到它那宏伟庄严的形象。神

帕提农神庙庙的柱头、瓦当，整个檐部和雕刻，

都施以红蓝为主的浓重色彩，显得格外庄严肃穆，充满灿烂夺目的光彩。

神庙采用多立克柱式（the Docric Order），追求建筑的檐部及柱子的严格和谐的比例和以人为尺度的造型格式，具有一种生气盎然的崇高美，表现了人作为万物之灵的自豪与高贵。由46根多立克柱环绕，长边方向每边17根，短边方向每边8根。然而由于结构的发展，当时还没有解决大跨度空间结构的问题，所以内部石柱林立，可用空间小。

2. 艺术主导：结构——建筑的装饰

在

20世纪的建筑设计时期，许多建筑设计者按照主要的视觉标准应用结构构件作为对建筑物的装饰，但由于设计者主要是以视觉美学为标准进行结构构件的应用，导致这一时期作为建筑装饰的结构的性能在按技术标准评判时往往不太理想。许多标志性的视觉词语I 形截面、桁架大梁、腹板中切割的圆孔等就是在这一时期出现并在建筑学上被用来象征着技术飞跃和歌颂现代化技术。

一个典型的例子就是蓬皮杜文化中

心，这是一座由钢管和玻璃管构成的庞

然大物。1969 年由法国总统乔治·蓬皮

杜决定兴建，它是一个使造型艺术、建

筑艺术、城市规划艺术、电视电影、文

学、音乐、舞蹈以及其它种种最现代化

的表现手段在一起相得益彰，充分展示

它们的不同形式，体现它们的相互关系，

表现当代思想的活动及其艺术实践的一

蓬皮杜文化中心外部彩色管道个场所。

这座五层建筑的每一层都有7500 宽阔的面积，整座建筑上下均衡，占地一公顷，由13 根立柱和84 根长 48 米，重 72 吨的架梁构成桁架。在建筑设计方面，建筑物前留有面积达一公顷的空场地。 蓬皮杜文化中心不仅内部设计、装修、设备、展品等新颖、独特、具有现代化水平，它的外部结构也同样独到、

别致、颇具现代化风韵。这座博物馆

一反传统的建筑艺术，将所有柱子、

楼梯及以前从不为人所见的管道等

一律请出室外，以便腾出空间，便于

内部使用。整座大厦看上去犹如一座

被五颜六色的管道和钢筋缠绕起来

的、庞大的化工厂房，在那一条条巨

形透明的圆筒管道中，自动电梯忙碌

地将参观者迎来送往。

在结构设计方面，整个建筑物由

28 根圆形钢管柱支承。其中除去一

蓬皮杜文化中心夜景 道防火隔墙以外，没有一根内柱，也

没有其他固定墙面。各种使用空间由活动隔断、屏幕、家具或栏杆临时大致划分，内部布置可以随时改变，使用灵活方便。设计者曾设想连楼板都可以上下移动，来调整楼层高度，但未能实现。总的来说，它的特点就是大量使用钢与玻璃的结构而且最主要的一点是结构外置。

3. 技术与艺术的完美结合：建筑与结构的统一

当建筑与结构和谐共存时，就允许结构要求强烈的影响建筑物的形式，即使结构本身不一定是裸露的。这样的融合，在结构上一定是采用了最合理的构件设置，并且在建筑设计方面也是最

适应这种结构。建筑与结构的关

系越发密切，有时结构形式会形

成建筑风格，有时结构就可以形成建筑。

这样完美融合的例子在建筑历史中不在少数，

19世纪为承办

1851年的世界博览会建于伦敦的

水晶宫，在约瑟夫·帕克斯顿接

受这项设计时，面临着一个难以

解决的问题：在9个月的时间内，水晶宫

完成一座随时可以拆除并在任何地方重新安装的建筑物的建设。帕克斯顿的解决方法是建造一座温室——一个由铁和木材组成的裸露结构支撑的玻璃外壳。最重的铸铁是梁架，长24英尺，没有一样大件材料超过一吨；锻钢是圆型，平型的钢条，角钢，螺母，螺丝，铆钉和大量的铁皮。水晶宫是一座真正的高科技产物，也是激发现代建筑师灵感的建筑。

浦东国际机场一期航站楼

也是一个不错的例子。该项目规

划占地32平方公里，远期规划

有4条平行跑道，年旅客吞吐量

为7000～8000万人次，货邮吞

吐量为500万吨。一期工程先建

一条4000米长，60米宽的跑道，

设计年旅客吞吐量为2000万人

次，货邮吞吐量75万吨。航站

楼是浦东国际机场的核心建筑，

航站楼一期工程总面积为28万

浦东国际机场一期航站楼 m ², 建筑外形是一段轻灵的弧形

钢结构，支撑在稳重的混凝土基座上，犹如振翅欲飞的海鸥；其内部空间也都是一致，各主要功能部分均采用大跨度张弦梁钢结构，形成数万平方米的无柱空间。大空间内深蓝色的金属吊顶仅遮盖住结构圆弧形的上弦，其下悬垂着一根根白色的腹杆，并以黑色的预应力钢索相串联，充分展现结构的力度。

四、 如何处理建筑与结构的关系

（一） 处理好建筑与结构受力的关系

建筑的美感必须建立在结构关系合理的基础之上，否则建筑形态也不会完美。空间越大、越复杂，承重体系与稳定体系就越应清晰明确，这样，对于结构来说，就具有了简捷合理的结构平衡体系；对于建筑来说，空间形态的构成关系也比较自然，使人一目了然，增强了和谐美感。

（二） 处理好结构选型与合理组合的关系

结构的选型与组合在满足建筑功能与造型要求的同时，也应力求受力合理。特别是将不同类型的结构进行组合时，要做到刚柔相济、各尽其用，避免过度的重复设置。例如体育建筑中，将拱形支撑与悬索屋面相结合，即发挥了各自的结构优势，又与建筑功能对内部空间的高度要求相协调，比较妥当。

（三） 处理好材料与其在空间结构中作用的关系

拱形内部空间在建筑上多表现出强烈的内聚力，其结构单元材料也多用耐压且自身稳定、不易屈曲的混凝土或双层钢网壳；屋面反翘的空间形态在建筑上具有轻盈活泼的外张力，在结构上多采用悬索、薄膜等轻型高强抗拉材料，而保持形态稳定的任务则较多地落在支撑体系上；出挑深远的半开放空间，选用薄膜结构或纤巧的透空钢架则更富有时代感。

（四）

处理好视觉形态与结构形态的关系

人具有一种完形的视觉心态，空间几何形态不完整且边界过渡又交代不清的体型，常给人以缺乏流畅自然的感觉。而结构形态同样也希望明确直接，避免迂回曲折，以免加重支撑体系的负担，增强了不稳定的因素。在视觉形态和结构形态之间建立一种和谐统一的关系始终是大跨度建筑的努力方向。

（五） 处理好构件尺度与空间尺度的关系

构件的尺度是与一定的空间尺度相对应的。对于扩大了的空间，若简单地将构件按比例放大，无论是视觉美感还是结构受力都未必合理，况且比例与尺度是与材料性能联系在一起的。谙熟结构试验原理的人都懂得几何相似容易而材料相似很难。仿生建筑应着眼于生态结构的内在合理性，神似比形似更重要。

五、 总结

建筑作为凝固的芝术，它一直处于不断创新和发展之中，始终与城市发展的脉搏相呼应。而结构作为建筑设计的基础，为建筑设计的实现提供必要的技术支持。结构设计需要务实，建筑设计需要创新。建筑与结构是相互关联、相互依靠、不可分割的整体。两者缺一不可，任何一个项目设计都必须要协调好结构设计和建筑设计，要让建筑作品成为艺术，需要建筑师与工程师共同倾注热情和智慧来进行创造，只有协调好双方的关系，一个优秀的建筑工程设计才能完成。

参考文献：

［1］ 《国外高等院校建筑学专业教材：结构与建筑》原书第二版 （英）安格斯•J. 麦克

唐纳(MacDonald .J.)著 陈治业，童丽萍译 知识产权出版社 2003

［2］ 《建筑结构的奥秘：力的传递与形成》 （日本）川口卫，阿部优，松谷宥彦，川崎

一雄著 王小盾，陈志华译 清华大学出版社 2012

［3］ 《梁构·建筑》 戴航，高燕著 科学出版社 2008

［4］ 《论析建筑设计与结构设计的关系》 王荀 中国科技博览 2010

［5］ 《衡——浅谈建筑与结构的关系》 束伟农

［6］ 《论建筑与结构的关系》 王洪武 王鸿艳 林业科技情报 2002