建筑中的结构设计及建筑材料

建筑中的结构设计及建筑材料

1、总序

随着我国加入世界贸易组织，土木工程设计与施工将逐渐与国际惯例接轨，材料将贯穿整个工程建设，因为土木建筑工程成本的30~50%是材料，任一工程要想降低工程造价必须要使用新材料，很多工程质量问题无一不与材料有关，因此工程质量的提高也必须从材料入手。更新、更好的建筑物的关键也在于传统建筑材料的突破，特别是目前土木工程建设体制酝酿的改革，也为专门建筑材料人才提供了施展才华的大好时机，施工设计将不再是设计单位的事，而是由施工单位根据实际情况组织设计，如何进行施工、如何使用新材料、如何降低成本都与施工单位的经济效益直接相联系，这将打破由专门设计单位进行全部设计，工程造价越高设计费用越高的不正常状况。由于土木建筑工程对材料的巨大需求量，建筑材料的生产与使用不仅要考虑建筑材料本身消耗的资源、能源越少，对环境的影响越小，而且还要担负起吸纳固体废弃物的环境治理的任务，虽然还有很多问题要深入研究，但从目前的情况来看这将成为固体废弃物治理的重要和根本途径之一。目前有相当比例的土木工程专业毕业生攻读材料专业的硕士研究生，也有不少材料专业人士从事环境治理工作，这一定程度上反映本专业与其他专业交融的趋势。

建筑师必须从一种全局的角度出发去处理建筑设计中应该考虑到的实用活动，物质及象征性的需求。因此，他或他试图将有相互有关的空间形式分体系组成的总体系形成一个建筑环境。这是一种复杂的挑战，为适应这一挑战，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”考虑阶段：方案阶段，初步设计阶段和施工图设计阶段。

这样的分阶段涉及是必需的，它可使设计者避免受很多细节的困惑，而这些细节往往会干扰设计者的基本思路。实际上，我们可以说一个成功的建筑设计师应该具备一种从很多细节中分辨出更为基本的内容的能力。

2、考虑方案阶段

概念构思阶段的任务时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，建筑师必须注意场地各部分的基本使用，空间组织，并应用象征手法确定其具体形式。这就要求建筑师首先按照基本功能和空间关系对一项建筑设计首先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。在开始勾画具体的建筑形似时，应考虑基本的场所跳进加以修改。

在方案阶段，如果设计者能够形象的预见所作方案的结构整体性，并要考虑施工阶段可行性及经济性，那将是非常有帮助的。这就要求建筑师或者过问工程是能够从主要分体系之间的关系而不是从构建细节去构思总体结构方案。这种能够易于反馈以改进空间形式方案。

3、考虑初步设计阶段

在初步设计阶段，建筑师的重点工作应是详细化可能成为最终方案的设计，这是建筑师对结构的要求业转移到做分体系具体方案的粗略设计上。在这一阶段应该完成对结构布置的中等程度的确定，重点论证和设计主要分体系已确定它们的主要几何尺寸，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。顾问工程师在这一过程中作用重大，但各细部的考虑还留有选择余地。当然，这些初步设计阶段所作的决定仍可以反馈回取使方案概念进一步改善，或甚至可能有重大变化。

4、施工图纸设计阶段

当设计者和顾问工程师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。这是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，应为所有施工的细节都必须设计出来。这一阶段的决定，可能会反馈到第二阶段并导致一些变化。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，整个实际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。

5、总结建筑师的施工文件

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，专业人员的合作是有意义的，但仅限于行程总的构思方面；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协调一致的。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。

6、施工材料分析

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,在雅典的帕台农神庙的柱子,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。钢材(从根本上说,是以铁为主要成分并含有少量碳元素的合金),直到出现能够限制其特殊用途(如制造刀刃)的费劳力的铸

造方法,才被铸造出来。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。新的合金元素的加入,大大增加了钢材的强度,并消除的它的一些缺点。例如,钢材在应力不断变化时所表现出的疲劳强度有所见减小的倾向。

7、建筑物的外观材料说明

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重量也不同。混凝土应用十分广泛,它可以浇筑、泵送甚至喷射成所有形状。而钢材有很高的抗拉强度和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,不再必须使用以石材或砖砌筑的厚墙了,并且也使建造一个防火地面变得简单多了。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,因此墙体不再做承重墙。它们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, 幕墙则一般由诸如玻璃、铝、塑料或各种混合材料等轻质材料建成的。

8、铆钉的连接方式

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。铆钉是一种有一头看起来像没有螺纹的圆头螺丝钉。在现场施工时,铆钉被加热,穿过刚片间的孔洞,在另一端靠锤击形成另一个头以使之固定就位。现在铆接大多已经被焊接取代,焊接是一种通过在高温下钢材使它们连接在一起的连接方式。

9、混凝土改良后施工方法

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,然后在钢筋周围浇注混凝土。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方法的利用正在处于不断发展之中。