现代科技对建筑结构发展的影响

甘肃建筑职业技术学院 王映梅

现代科技对建筑结构发展的影响

甘肃建筑职业技术学院 王映梅

建筑的发展日新月异，虽然各种建筑的类型不同，但影响建筑的因素是共同的，包括了新技术、新材料、建筑的功能要求，还有结构、构件以及建筑设施进步等。可以说，在诸多的因素中，现代科技的发展对建筑具有最重要的影响力。建筑设计包括建造技术、艺术创造和功能设计，而现代科技在这几个方面都起到了非常重要的作用。

一、现代建筑的特点是体系化

建筑物的类型和功能影响着建筑设计和建筑形式。居住、商业、工业、交通、教育、卫生保健、娱乐和农业等建筑都是根据其建筑物类型而设计的。建筑的结构体系与建筑物的类型和功能是紧密关联的。科技的发展使得建筑构件可以工业化生产，系统的建筑理论促进了最新技术与优秀建筑设计相结合，从而创造出杰出的建筑。

现代建筑的体系可以分成两种主要的系统。第一类为建筑的技术硬件系统，包括结构系统、建筑系统、设施系统等。 第二类为设计与管理系统，包括建筑和结构等工程设计各项文件、经济分析和可行性研究的数据及结果、设计和施工管理，包括建筑施工过程中所涉及的各种组织、人员之间的合作等。

建筑的完成依赖于建筑的各项系统，现代建筑的进步就是这些系统组成的新的建筑体系的发展。不是单体建筑的出类拔萃，而是整个建筑体系的时代性进步。

二、现代建筑的特征是出现了新的建筑类型

建筑科技的发展导致了建筑新形式的出现。结构设计新的能力，一方面促进科学和工程技术的发展，另一方面促使客户提出新的需求，比如建造更高的、跨度更大的建筑。

1.巨型建筑物。在现代，巨型建筑的概念已经被提出，巨型建筑作为一种新的建筑形式已经出现在世界各地。 这些大型建筑物占地面积大，有不同用途，如市场、体育馆、会堂和展览馆等。随着许多大型建筑的相继建造，城市中会出现更多这样类型的建筑。由于这些建筑的庞大以及其拥有的大量使用者和参观者，它们促进了其周围地区的发展，极大地扩展了建筑设计的范围，并改变了建筑的理念，促进了一种新城市的产生。

2.高层建筑。高层建筑首次在芝加哥建造。在摩天大楼发展历史中，建筑师和结构工程师一直在努力为这些建筑寻找更合适的建筑和结构表达方式，并且为这些建筑能适应城市周围环境而设计方案。要建造那么高的大厦，需要解决一系列的技术问题。其中最首要的就是结构安全问题。这不仅包括地基和上层建筑的有效耐压强度，而且还包括抗地震、强风、碰撞以及人类垂直和水平运动引起的破坏等。

三、现代建筑科技创造的结构类型

1.大跨度结构。

在古代已有内部支撑柱并且横梁有较大跨度的空间建筑，到了l9世纪，其最大跨度为50m， 20世纪空间建筑的跨度已能达300m，而且悬索桥可以达到2 000～3 000m。钢桁架在19世纪开始得以发展。在20世纪前半叶，钢筋混凝土开始成为钢材在大跨度建筑中的竞争者。在20世纪20年代和30 年代，出现了薄的钢筋混凝土壳面。壳面不仅可以是圆顶，而且可以是筒形的、预应力的和拉伸的薄膜结构。目前增加了许多新的大跨度的结构，如钢、铝、木、薄膜制的，还有空间桁架式以及张拉结构。

2.薄膜张拉结构。薄膜和其他类似的结构(悬挂结构、悬素屋顶、薄膜屋顶、张拉结构等)是由一些杰出的建筑设计师创造设计的。

第一座薄膜屋顶的建筑于1973年建于美国加利福尼亚。至今最著名的薄膜屋顶建筑是1981年建成的沙特阿拉伯的阿卜杜拉国王国际机场的哈吉候机厅。该建筑中聚四氟乙烯玻璃纤维制的薄膜屋顶面积有46m2，是现今世界上最大的屋顶结构，由210个帐篷组成，每个帐篷表面积有2 000m2。建筑在工厂预制，结构设计、装配上都精工细作，巧夺天工。

另外一个由聚四氟乙烯玻璃纤维建造的薄膜屋顶的重要建筑范例是美国丹佛国际机场。该建筑的屋顶每平方英尺只有2磅重，拥有超轻特点。如果屋顶材料采用钢的话，其重量将有现在的50多倍；如果用钢筋和混凝土，则重量将更重。虽然该屋顶重量很轻，但它能承受大量的雪荷载，而且为屋顶下的空间提供有效的日光。

在张拉结构中主要表现的是一种张拉力。其中的重要组成部分为桅杆(塔柱等)、悬索或其他支撑(拱形物和桁架)、金属板或织物吊顶以及特殊设计和建造的边缘(夹紧边缘、角板、环状体等)。表面外形主要采用两种——同向曲面和反向曲面，这两种外形在建筑中有单一使用的，也有混合使用的。

3.空间桁架结构。空间桁架的发展使人们创造和使用了一些特殊类型的桁架系统，梅罗系统是最早的空间格状结构的一种，是实践中最常采用的。它有许多预制钢管用螺丝拧接成锻制的钢连接件，即所谓的梅罗球。18个这样的部件连接在一起，不会产生偏心率。这些系统的两种基本类型是筒形穹顶和斜撑圆顶的平骨架网格和曲线形式。在平骨架的双层网格中，两排平行的网格用倾斜的腹杆连接起来，网格架可以直接地互相覆盖或者互相平衡。这些基本的联系使得该系统有着不同的几何形。网格屋顶和穹顶结构由相互连接的钢或铝部件组成。这里一个重要的革新是由布克敏斯特·福勒发明的网架穹顶。空间网格结构主要使用圆形或管形组件，其结点是实心的或空心的球形、圆柱形、棱形、平板形，或者无结点。这些结构大多数是双层的，用线状支条构成的上层和下层由垂直或倾斜的、同样是直线状的钢条相互连接。单层的空间格架的钢条通常是安装在弧形表面上。多种空间格架为建造不同的建筑结构，包括圆顶、拱顶和不规则结构，提供了丰富的灵感，因此，它在建筑设计上占有重要的位置。

4.气承结构和充气结构。充气结构含有纤维薄膜，可同时用于屋顶结构和风雨棚。充气薄膜内的恒定气压比外部气压高出20%，可以防止震动。由于这种结构需要能源供给因而使用有限。充气结构的另一类为建筑物内部完全或部分类似充气密封结构。这类结构的气压差大概高于20%。气承结构主要用于只有单独一个主厅的建筑物，如室内网球场、游泳池或展览厅。