建筑材料和結(jié)構(gòu)形式選擇探究

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摘要：建筑材料與結(jié)構(gòu)形式對建筑而言至關(guān)重要，二者相輔相成，建筑材料的創(chuàng)新會推動結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展和升級，而結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展同樣會促進(jìn)建筑材料的推陳出新。本文通過對某紀(jì)念碑設(shè)計的建筑材料和結(jié)構(gòu)形式的選擇、運(yùn)用進(jìn)行分析，論述建筑材料和結(jié)構(gòu)形式的選擇、運(yùn)用與紀(jì)念碑（建筑）設(shè)計的重要關(guān)聯(lián)性。

關(guān)鍵詞：建筑材料；結(jié)構(gòu)形式；紀(jì)念碑；關(guān)聯(lián)性

1引言

從古至今，每一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)都會伴隨著與之相適應(yīng)的新型建筑材料的誕生，而每一次新型建筑材料的出現(xiàn)同樣也會推動建筑結(jié)構(gòu)形式的升級發(fā)展。無論是早期人類居住的天然洞穴，還是經(jīng)發(fā)展而產(chǎn)生的人工洞穴，或是進(jìn)一步發(fā)展運(yùn)用樹枝、樹葉、泥土、茅草等材料建造的簡易地面建筑，再到后來伴隨人類文明不斷進(jìn)步而出現(xiàn)的更高層次的木結(jié)構(gòu)、磚石拱券結(jié)構(gòu)等，無不是在人類社會發(fā)展過程中對建筑材料和結(jié)構(gòu)形式的不斷發(fā)掘運(yùn)用而將建筑技術(shù)逐漸推向成熟的。不同建筑材料和結(jié)構(gòu)形式的選擇運(yùn)用，將直接促進(jìn)建筑工程技術(shù)向前發(fā)展。比如，我國古代由于自然環(huán)境未遭破壞，因此擁有充足的木材資源，而木材具有便于就地取材和易于加工的優(yōu)良特性，使得木材被廣泛運(yùn)用于木結(jié)構(gòu)建筑的建造，從而創(chuàng)造出前所未有的高水平木結(jié)構(gòu)建筑建造技術(shù)，也為大批享譽(yù)中外的木結(jié)構(gòu)建筑瑰寶能夠保留至今奠定了堅實的基礎(chǔ)；相比之下，西方更注重對石材的運(yùn)用，并創(chuàng)造了磚石拱券結(jié)構(gòu)等建造技術(shù)，乃至后來因發(fā)現(xiàn)火山灰而發(fā)明了水泥，進(jìn)而促成了現(xiàn)代重要建筑材料——混凝土材料的出現(xiàn)，由此發(fā)展產(chǎn)生了現(xiàn)代鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻復(fù)合結(jié)構(gòu)等廣泛運(yùn)用的結(jié)構(gòu)形式。西方人對于堅固和永恒的追求，使得石材逐漸取代木材而成為主要建筑材料。石頭堅固、恒久的特性自然地與紀(jì)念碑性聯(lián)系在了一起，西方大量著名的紀(jì)念碑性建筑都用石材建造而成[1]。建筑材料和建筑設(shè)計總是互相推動和促進(jìn)的，新的建筑材料的出現(xiàn)給建筑設(shè)計的發(fā)展帶來新的推動，如建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新等。而建筑設(shè)計的發(fā)展又對建筑材料提出了更高的新要求[2]。隨著可供選擇的建筑材料和結(jié)構(gòu)形式越來越多，人類對各種建筑形式的追求目標(biāo)不斷得以實現(xiàn)。正因為有了成熟的建造技術(shù)作為支撐，才使得建造復(fù)雜多樣的紀(jì)念性建筑成為可能。古埃及的方尖碑、金字塔，中國古代歷朝修建的祖廟、祭壇及陵墓都可算是宗教紀(jì)念性建筑的開端?，F(xiàn)代建造紀(jì)念性建筑的目的是保存歷史中人、事、物的記憶。其空間造型的藝術(shù)美感和可長久屹立不毀的特點，恰恰符合紀(jì)念活動的需求，從而成為人類紀(jì)念活動的重要手段，并且形成了特有的建筑文化[3]。正是由于建筑材料與結(jié)構(gòu)形式相互選擇和相互支撐，才促成了古今中外許多不朽的紀(jì)念性建筑在世界各地長久屹立的景象。

2材料選擇與紀(jì)念碑設(shè)計

建筑材料不僅是建筑工程的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也是建筑工程質(zhì)量的前提保障，建筑材料的質(zhì)量與性能對建筑工程的安全性與耐久性有著直接的影響[4]。然而，在現(xiàn)代建筑設(shè)計和建造過程中導(dǎo)致不同建筑材料選擇運(yùn)用的因素卻是多方面的，有氣候環(huán)境的影響、結(jié)構(gòu)形式的影響、工程技術(shù)的影響、建筑功能的影響、建筑造型的影響，等等。但歸根結(jié)底都是為適應(yīng)建筑形式和結(jié)構(gòu)形式做出的合理選擇。例如，某紀(jì)念碑的建設(shè)地點為熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候，該地一年只分為旱、雨兩季，其中雨季較長，一般為5至10個月，最大年降水量達(dá)3750mm，年平均氣溫為10~20℃。從氣候條件來看，該地區(qū)建構(gòu)筑物所處的環(huán)境為濕熱環(huán)境，設(shè)計主要考慮建構(gòu)筑物的脹縮和防潮采取應(yīng)對措施。氣候的差異性導(dǎo)致自然環(huán)境的多樣性，自然環(huán)境的多樣性產(chǎn)生人類文化及建筑形式的豐富性，建筑是對氣候環(huán)境、地形、地貌條件的被動適應(yīng)與主動創(chuàng)造的結(jié)合[5]。為使紀(jì)念碑較好地適應(yīng)濕熱氣候環(huán)境，紀(jì)念碑主體建筑材料選用鋼筋混凝土澆筑，這充分利用了混凝土材料在潮濕環(huán)境中的耐久性和適應(yīng)性，同時又兼顧了紀(jì)念碑對建筑材料的堅固性要求。由于紀(jì)念碑主體的截面積較小，僅為2.36m×2.36m，因此材料脹縮對結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計。除主體結(jié)構(gòu)本身的建筑材料外，出于對氣候環(huán)境的適應(yīng)性考慮，紀(jì)念碑的外墻采用30mm厚外掛花崗巖石材對碑體進(jìn)行外裝飾。此外，紀(jì)念碑的碑頂采用能迅速排水的四坡頂形式，并采用釉面小青瓦作為坡屋頂?shù)难b飾材料，確保紀(jì)念碑具有較好的防水性能和耐久性。從這個意義上來說，設(shè)計對建筑材料的選擇運(yùn)用均已考慮到與紀(jì)念碑的適應(yīng)性（見圖1）。建筑材料的選擇在滿足環(huán)境氣候要求的同時，還應(yīng)滿足紀(jì)念碑建筑的造型要求。由于該紀(jì)念碑坐落于整個紀(jì)念園的中心位置，是整個紀(jì)念園的視線焦點，同時也是制高點，再加上該紀(jì)念園的建設(shè)地點為境外，紀(jì)念碑的方案設(shè)計應(yīng)著重突出中國元素，這一點無論從建筑形式還是建筑材料的選擇使用上均得以充分體現(xiàn)。比如：屋頂均采用具有顯著中國傳統(tǒng)建筑風(fēng)格的坡屋頂設(shè)計并采用傳統(tǒng)釉面小青瓦裝飾，墻面采用灰白色涂料裝飾，勒腳則采用傳統(tǒng)清水磚墻裝飾，等等。同時，設(shè)計為了充分表達(dá)出紀(jì)念碑的中國元素，采用傳統(tǒng)三段式設(shè)計將整個紀(jì)念碑造型分為基座、碑體和碑頂三大部分。其中基座底部截面尺寸為4.66m×4.66m，高3.91m（含浮雕部分），整個紀(jì)念碑基座建在1.2m高的平臺上，進(jìn)一步增強(qiáng)其作為視覺中心和制高點的作用。在紀(jì)念碑基座的東、南、西、北四個方向分別設(shè)計鑲嵌了4塊尺寸為3.06m×1.30m的主題淺浮雕，進(jìn)一步表達(dá)出紀(jì)念碑的設(shè)計主題及其所蘊(yùn)含的歷史含義。主題淺浮雕采用120mm厚的漢白玉石材雕刻，選擇漢白玉材料是為了有效突出淺浮雕的紀(jì)念主題內(nèi)容，以及與紀(jì)念碑主體裝飾材料協(xié)調(diào)一致。同樣，在碑體正面中心位置鑲嵌一塊書寫紀(jì)念主題文字的寬1.4m，高6.0m的漢白玉材料，也是出于與紀(jì)念碑主體裝飾材料相適應(yīng)的考慮。

3結(jié)構(gòu)形式選擇與紀(jì)念碑設(shè)計

結(jié)構(gòu)形式與建筑材料選擇的區(qū)別在于建筑材料注重與建筑形式的匹配性與環(huán)境的適應(yīng)性，與材料力學(xué)特點的符合性，以及與建筑美學(xué)和藝術(shù)要求的一致性；而結(jié)構(gòu)形式則更多地從建筑的安全性和耐久性出發(fā)，綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)體系的受力特點及建筑材料的力學(xué)性能后做出合理選擇。“對于高聳結(jié)構(gòu)，與地震作用相比，風(fēng)荷載起控制作用。而混凝土結(jié)構(gòu)自重大，抗傾覆穩(wěn)定性更好。綜合考慮以上因素，最終采用混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)?！盵6]正是因為剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有較好的承載能力和整體性，所以可將其選擇作為紀(jì)念碑等高聳建筑的結(jié)構(gòu)形式。同時剪力墻結(jié)構(gòu)還具有側(cè)向剛度大，在水平荷載作用下側(cè)移小的優(yōu)點（見圖2）。而紀(jì)念碑作為高聳建筑，承受風(fēng)荷載或地震作用引起的水平荷載較多，從這個意義上來說，正好符合剪力墻主要承受風(fēng)荷載或地震作用引起的水平荷載和豎向荷載（重力），防止結(jié)構(gòu)剪切（受剪）破壞的特點，還要兼顧紀(jì)念碑所處環(huán)境等因素。因此，綜合分析各相關(guān)因素，紀(jì)念碑的主體采用鋼筋混凝土剪力墻筒體結(jié)構(gòu)體系。紀(jì)念碑主體為2.36m×2.36m的正方形剪力墻筒體布置，剪力墻厚度為250mm，在四面剪力墻的交角處均設(shè)置了構(gòu)造邊緣轉(zhuǎn)角柱，起到改善受力性能的作用。同時設(shè)計在紀(jì)念碑主體豎向每隔3m布置一道水平樓板與剪力墻連接成整體，進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性。為較好地滿足紀(jì)念碑穩(wěn)定性要求并進(jìn)一步減少地基承載力弱的影響，紀(jì)念碑的基礎(chǔ)形式采用平板式筏板基礎(chǔ)（見圖3—圖6）。

4關(guān)聯(lián)性分析

通過以上對于某紀(jì)念碑的設(shè)計分析可知，紀(jì)念性建筑在不同氣候環(huán)境、不同經(jīng)濟(jì)、社會和技術(shù)背景下，所采用的材料、結(jié)構(gòu)形式會存在一定的差異。但無論采用何種結(jié)構(gòu)形式均會有特定的建筑材料與之相適應(yīng)，而新型結(jié)構(gòu)形式的采用則必然會對建筑材料提出更高的新要求，二者相輔相成密不可分。正如在建筑歷史長河中逐漸發(fā)展成熟的木材對應(yīng)木結(jié)構(gòu)，磚、砌塊、水泥、沙石等對應(yīng)砌體結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土對應(yīng)框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)及框剪混合結(jié)構(gòu)，鋼材對應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)等一樣，正好形成建筑材料與結(jié)構(gòu)形式一一對應(yīng)的關(guān)系?？v觀我國古代建筑歷史，建筑用材大多以木材為主，以石材、磚土為輔。究其原因，其一是古代具有保護(hù)完好的自然資源，建造者在未遭破壞的自然環(huán)境中易于就地取材；其二是木材具有延性等優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能；其三是木材易于加工，可以按照特定建筑模數(shù)定型化批量加工，以及木構(gòu)件可拆卸和可更換的優(yōu)越性，大大提高了木結(jié)構(gòu)建筑的建造速度。因此，對于木材建筑材料的選擇運(yùn)用，正是我國古代木結(jié)構(gòu)形式與木材建筑材料相互適應(yīng)的印證。從結(jié)構(gòu)形式來看，我國古代采用木材建造的梁柱式木結(jié)構(gòu)建筑中，各個構(gòu)件之間均以榫卯構(gòu)造連接，構(gòu)成一個富有彈性的框架整體。榫卯構(gòu)造節(jié)點具有一定程度的可活動性，以及木材自身具有延性的特點，可以把巨大的震動能量在彈性結(jié)點上有效消減，從而大大降低地震對建筑的破壞。這對于地震較多的我國大部分地方來說是極為有利的。這也正是木結(jié)構(gòu)建筑在我國古代得以大范圍推廣的重要原因。由此可見，木結(jié)構(gòu)形式與木材建筑材料的相互依存和密切關(guān)聯(lián)的關(guān)系，極大地促進(jìn)了我國古代各類木構(gòu)件（建造材料）的創(chuàng)新和發(fā)展，并進(jìn)一步發(fā)展成為成熟的木結(jié)構(gòu)建筑形式。

5結(jié)語

在眾多的建筑設(shè)計和建造過程中，無論是大體量、超高層、大跨度建筑，還是精巧如雕塑般的景觀建筑，無論是享譽(yù)中外的著名建筑，還是默默無聞的一般建筑，最終采用何種建筑材料和結(jié)構(gòu)形式建造，都不能片面地說哪種建筑材料和結(jié)構(gòu)形式是最優(yōu)的。只有適合的、可持續(xù)的才是最好的，只有充分發(fā)揮材料自身優(yōu)勢并能與結(jié)構(gòu)形式相匹配，與其所處時代、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會和科技發(fā)展相適應(yīng)的才是最優(yōu)的?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為不斷涌現(xiàn)的新興材料提供了廣闊空間，也給建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展帶來了無限機(jī)遇和挑戰(zhàn)?？偠灾诮ㄖY(jié)構(gòu)形式和材料選擇時，我們應(yīng)當(dāng)綜合考慮建筑所處地理氣候環(huán)境、建造技術(shù)、建筑造型及體量、經(jīng)濟(jì)、社會和科技發(fā)展條件等諸多因素，才能創(chuàng)造出建筑材料與結(jié)構(gòu)形式完美結(jié)合的時代建筑。

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作者:吳昊洲 單位:鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院