淺談結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)手法一般是先有了建筑的基本平立剖設(shè)計(jì)，甚至確定了建筑的外形，然后才交給結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)此種建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)脫離，二者缺乏合理科學(xué)的整合的狀況，我們提出了結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，是指結(jié)構(gòu)工程師和建筑工程師在設(shè)計(jì)中能夠創(chuàng)造性的相互結(jié)合，設(shè)計(jì)人員在從結(jié)構(gòu)選型、約束分析、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的分析計(jì)算、截面設(shè)計(jì)到細(xì)部處理的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)所遇到的問題依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)在各種情況下的一般規(guī)律( 主要是建筑，結(jié)構(gòu)專業(yè)的基礎(chǔ)理論) ，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮造價(jià)、場(chǎng)地等各方面因素，確定合理的分析，處理方法，力求得最為經(jīng)濟(jì)，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。不論從可持續(xù)的角度還是從我國(guó)大量建設(shè)項(xiàng)目不斷開展的局勢(shì)來說，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)是更符合我國(guó)國(guó)情的設(shè)計(jì)策略。

從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，國(guó)外建筑設(shè)計(jì)工作者已經(jīng)重新開始思考建筑結(jié)構(gòu)與建筑設(shè)計(jì)的整合問題，從結(jié)構(gòu)造型、建筑功能、建筑空間感以及節(jié)材節(jié)能等多個(gè)方面著手綜合考慮建筑設(shè)計(jì)。而在我國(guó)，結(jié)構(gòu)形式仍是目前影響著我國(guó)空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，幾乎所有的建筑設(shè)計(jì)還停留在被動(dòng)地套用建筑結(jié)構(gòu)的階段，缺乏科學(xué)合理性，建筑構(gòu)件累贅冗余，建筑設(shè)計(jì)完全脫離于建筑結(jié)構(gòu)的考慮。

首先，做好結(jié)構(gòu)體系的選型。建筑結(jié)構(gòu)選型，傳統(tǒng)上是指根據(jù)建筑的形體要求、結(jié)構(gòu)布置要求、構(gòu)造要求等為其配型相應(yīng)符合要求的結(jié)構(gòu)體系的過程；而在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)選型和建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)互相調(diào)和、互相指導(dǎo)的關(guān)系，因此在選型過程中還要考慮設(shè)計(jì)者對(duì)于設(shè)計(jì)構(gòu)思的一些要素以及場(chǎng)地、客戶需求等諸多方面的約束。一方面來說，各種結(jié)構(gòu)體系的形式、材料、特點(diǎn)和構(gòu)造各有優(yōu)劣之勢(shì)，再加上近年來出現(xiàn)的一大批新型結(jié)構(gòu)體系和形式，在適應(yīng)各方面需求上可謂五花八門；另一方面，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)約束在可靠性、實(shí)用性、舒適性等方面也各有側(cè)重，如場(chǎng)地自身和周邊條件的約束、政府有關(guān)部門的規(guī)劃要求、業(yè)主關(guān)于建筑尺寸、造價(jià)的要求、建筑功能性的要求以及相關(guān)規(guī)范的強(qiáng)制性指標(biāo)等。

因?yàn)槊宽?xiàng)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都受到了多項(xiàng)客觀目標(biāo)的影響，而且通常這些目標(biāo)之間具有一定的矛盾性，若要提高某項(xiàng)目標(biāo)的要求，往往以降低其他目標(biāo)的要求為代價(jià)。而建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，首當(dāng)其沖就要考慮一種最為合理的方案，使這些相互矛盾的客觀目標(biāo)之間達(dá)到一定的平衡。所以說，結(jié)構(gòu)體系的選型和優(yōu)化是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的核心。

其次，要根據(jù)結(jié)構(gòu)體系及其計(jì)算簡(jiǎn)圖對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。無論是常見的框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、筒體結(jié)構(gòu)體系和框剪結(jié)構(gòu)體系，還是各種新型結(jié)構(gòu)，都有著各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力問題需要通過力學(xué)原理來進(jìn)一步分析，有時(shí)甚至可以通過控制變量的方式對(duì)構(gòu)件的形式進(jìn)行優(yōu)化。通過結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖，就能更科學(xué)而直觀的分析出結(jié)構(gòu)的受力薄弱點(diǎn)和最大彎矩點(diǎn)等，盡可能使構(gòu)件的受力狀態(tài)以軸向受力為主，盡可能提高構(gòu)件的截面慣性矩和抗彎、抗剪能力等等。

最后，根據(jù)建筑的功能需求、空間需求等使用方面的約束對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)整合。建筑物本來就是一個(gè)空間使用體，所以結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)要做到結(jié)構(gòu)合理的同時(shí)順應(yīng)空間的使用，不造成使用障礙或影響空間質(zhì)量。甚至可以達(dá)到建筑與結(jié)構(gòu)的高度整合，讓建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不僅僅只有承重功能，同時(shí)又具備建筑使用功能；結(jié)構(gòu)直接作為建筑表達(dá)，大幅度精簡(jiǎn)建筑構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔高效。

下面以我們課程設(shè)計(jì)中汽車4S店為例，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的全過程。

設(shè)計(jì)課題：汽車4s店

課題描述：為了市場(chǎng)拓展需求，某汽車銷售有限公司欲在武漢市光谷創(chuàng)業(yè)街修建一個(gè)汽車4s專賣店，設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)汽車銷售公司的企業(yè)風(fēng)貌與特點(diǎn)，優(yōu)化汽車專賣一條街的城市形態(tài)與空間環(huán)境。

設(shè)計(jì)重點(diǎn)：在處理好功能流線以及與環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)，特別是大跨結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)。

模擬過程：

首先，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型：根據(jù)維修車間的空間特點(diǎn)、跨度要求和該設(shè)計(jì)的規(guī)模，設(shè)計(jì)時(shí)選擇了剛架結(jié)構(gòu)中的門式剛架（圖5），這種單層剛架為梁柱合一的結(jié)構(gòu)，梁柱截面高度小，造型輕巧，內(nèi)部?jī)艨蛰^大，比較適合維修車間這種較為工業(yè)化特征的功能空間，且鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)門架符合維修車間15米跨度的要求。進(jìn)一步選型為兩鉸剛架，考慮其基礎(chǔ)無彎矩，可以做得小，既省料，地下施工的工作量也少；且鉸接柱基構(gòu)造簡(jiǎn)單，有利于梁柱采用預(yù)制構(gòu)件。基于以上這些兩鉸剛架的優(yōu)勢(shì)，最終選取結(jié)構(gòu)原型為門式兩鉸剛架。

其次，對(duì)這一結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行力學(xué)分析：兩鉸剛架為一次超靜定結(jié)構(gòu)（圖4），在豎向荷載或水平向荷載作用下，剛架內(nèi)彎矩均比無鉸剛架大。兩鉸剛架在基礎(chǔ)處為鉸支承，故當(dāng)基礎(chǔ)有轉(zhuǎn)角時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力沒有影響，但當(dāng)兩柱腳發(fā)生不均勻沉降時(shí)，則將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力。

經(jīng)過一整個(gè)過程的模擬，可以對(duì)結(jié)構(gòu)概念指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)有更深層次的理解和體會(huì)，它的優(yōu)勢(shì)也很明晰的顯現(xiàn)出來。我們并沒有選擇多么標(biāo)新立異的結(jié)構(gòu)體系，但是經(jīng)過一系列優(yōu)化整合，以結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)探討建筑約束，再加上建筑美學(xué)、結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的考慮，也創(chuàng)造出了令人眼前一亮的以結(jié)構(gòu)為特色的建筑造型。

結(jié)語

建筑往往被認(rèn)為是技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合，與建筑造型關(guān)系最為重要的是結(jié)構(gòu)技術(shù)，結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展會(huì)帶來新形式、新功能的需求，并產(chǎn)生新的審美觀念，而這些需求又同時(shí)促進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。就像時(shí)下流行的綠色建筑技術(shù)，結(jié)構(gòu)概念指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)在當(dāng)今可持續(xù)社會(huì)、集約型社會(huì)的指導(dǎo)政策下也會(huì)有很好的發(fā)展前景。