建筑空間拓展思路探析

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本文作者：鄭飛恒 單位：中國建筑技術(shù)集團有限公司浙江建筑設(shè)計分院

高層結(jié)構(gòu)不僅要有效地傳遞水平荷載，而且，其頂端的水平位移必須受到控制。這種具有很大剛度的抵抗力水平荷載的結(jié)構(gòu)，在高層建筑中稱之為“抗側(cè)力結(jié)構(gòu)”。與上述情況不同，對于中跨，大跨和超大跨建筑來說，豎向荷載，主要是屋蓋自重，始終是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素。在中，小跨建筑中，屋蓋的結(jié)構(gòu)類型及其形式可以有各種各樣的變化，大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)形式則受到較大的限制，而能覆蓋超大跨建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)形式便寥寥無幾了。

與空間擴展相適應(yīng)的不同結(jié)構(gòu)體系

從結(jié)構(gòu)的整體受禮特點來看，在高層建筑中，結(jié)構(gòu)構(gòu)思必須突出地注意如何解決抵抗水平荷載的問題；在大跨建筑中，結(jié)構(gòu)構(gòu)思則必須著重地研究如何克服屋蓋結(jié)構(gòu)中可能產(chǎn)生的巨大彎距，以及由此而帶倆的結(jié)構(gòu)自重等問題。為了適應(yīng)空間擴展由低層到超高層，由小跨到超大跨而帶來的結(jié)構(gòu)整體受力狀況，受力特點的變化，結(jié)構(gòu)傳力系統(tǒng)不斷地由低級形式向高級形式演進，發(fā)展。筒體體系是建筑徹的使用空間向垂直方向擴展后，適應(yīng)其結(jié)構(gòu)整體受力持點的合乎邏輯發(fā)展的必然結(jié)果。外簡體常由間距1--3米的密排柱和墻梁聯(lián)結(jié)組成，而內(nèi)簡體則直接利用電梯間、樓梯間、管道豎井或內(nèi)柱等。簡體組合形有多種變化。

高層結(jié)構(gòu)的整體受力特點對建筑平面--空間布局的影響

為了有效地解決抵抗水平荷載的問題，高層建筑的平面一空間布局應(yīng)體現(xiàn)以下一些設(shè)計原則：

高層建筑的平面安排應(yīng)有利于抗測力結(jié)構(gòu)的均勻布置，使抗例力結(jié)構(gòu)的剛度中心接近十水平荷載的臺力作用線，或者說，力求使建筑平面的剛度中心接近其質(zhì)量中心，以減小水平荷載作用下所人生的扭矩。在一般情況下，風(fēng)力或地震力在建筑物上的分布是比較均勻的，其合力作用線往往在建筑物的中部。如果抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，如剛性井簡、剪力墻等分布不均勻，那么，臺力作用中心就會偏離抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度中心，而產(chǎn)生扭矩。因此，建筑物就會繞通過剛度中心的垂直軸線扭轉(zhuǎn)，致使抗側(cè)力結(jié)構(gòu)處于更復(fù)雜的受力狀態(tài)。對于框架——剪力墻體系來說，只有剪力墻的均勻布置，才能避免結(jié)構(gòu)平面內(nèi)出現(xiàn)剛性部分與柔性部分的顯若差異，才能保證水平荷載按各垂直構(gòu)件的剛度來進行分配，使剪力墻真正能承受絕大部分的水平行載。由此可見，在高層建筑中，簡潔而對稱的平面設(shè)計對于合理布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是比較有利的。北京民族文化宮中部68米高的方形塔樓，結(jié)合平面設(shè)計呈中心對稱和高塔造型堅挺有力的特點，在四個角上很勻稱地布置了L形鋼筋混凝土剛性墻。

出于建筑藝術(shù)方面的原因，高層建筑的平面設(shè)計有時也要突破簡單規(guī)整的幾何形式。賴特設(shè)計的著名的普賴斯塔樓(PriceTower)巧妙地將剛性墻體布置成風(fēng)車形，使得空間和體形突破了簡單幾何形式的束縛。建筑師必須掌握按抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置的力學(xué)原則與建筑功能要求來綜合考慮空間組合的基本技巧。

高層建筑的剖面設(shè)計應(yīng)力求簡化結(jié)構(gòu)的傳力路線，降低建筑物的重心，避免在豎向上抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度有較大的突變。如何布置太空間廳室是高層建筑剖面設(shè)計中的一個重要問題。在高層建筑的底層設(shè)置高大的廳室。如宴會廳、交誼廳、餐廳等，一方面會使結(jié)構(gòu)傳力復(fù)雜，要以斷面尺寸很大的水平構(gòu)件來承受上面各層的豎向荷載；另一方面，也會使建筑物重心上移，對高層結(jié)構(gòu)抗傾覆不利。半層數(shù)很高而不宜采用一般框架結(jié)構(gòu)體系時，底層大空間則又會與剪力墻、剛件筒體等的布置發(fā)生矛盾。因此，在這種情況下，一般都將大空間作脫開處理，使大廳空的結(jié)構(gòu)布置與高層主體相對獨立。運用這種手法可以取得體量對比，輪廓線豐富的建筑藝術(shù)效果。當(dāng)廳室空間不是很大，而地段用地又緊，作單層脫開處理有困難時，也可以采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)(不考慮抗震設(shè)防)，即將底層部分做成框架。在高層建筑的項層設(shè)置大廳空間，其屋頂?shù)乃匠兄亟Y(jié)構(gòu)比較容易解決。但當(dāng)考慮抗震設(shè)防要求時，以不在頂層設(shè)置較大廳室而使剪力墻豎向貫通建筑全高為好。

高層建筑的體形設(shè)計應(yīng)力求簡潔、勻稱、平整、穩(wěn)定，以適應(yīng)高層結(jié)構(gòu)的整體受力持點。簡潔的建筑體形可以保證高層結(jié)構(gòu)的組成單一、受力明確，有利于抵抗水平風(fēng)力和地震力。實踐表明，平面外形復(fù)雜，高低懸殊很大或各部分有剛度突變等，都是導(dǎo)致震后開裂的因素。出于建筑功能要求或建筑空間體量構(gòu)圖方面的原因，建筑平面或立面的形狀比較復(fù)雜，或結(jié)構(gòu)剛度截然個同時，應(yīng)以抗震縫分成幾個體形簡單的獨立單元。高層或超高層建筑的體形應(yīng)合利于抗側(cè)加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。為廠增強抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，高層和超高層建筑的體形設(shè)計多采用如下手法；使高層或超高層建筑的底部逐漸擴大。一般常結(jié)合底層太空間的布置而采用傾斜的框架結(jié)構(gòu)。使高層或超高層建筑的上部逐層或跳層收束。這種收束可以是對稱的(如紐約帝國大廈),也可以是不對稱的(如芝加哥西爾斯塔樓)。使高層或超高層建筑由下至上逐漸收分。高l00層的芝加哥約翰•漢考克大廈明顯地反映丁古埃及建筑那種穩(wěn)定墩實的體形待征，它比不收分的矩形柱狀塔樓可以減少10~50%的測移。在現(xiàn)代城市規(guī)劃設(shè)計理論中，A字形、金字塔形等結(jié)構(gòu)形式，也被利用來探求各種新型的居住生活單元了。這里，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定體形是與空間的組織和利用緊密聯(lián)系在一起的。

結(jié)語

文章結(jié)合筆者實踐經(jīng)驗，對建筑空間結(jié)構(gòu)的擴展與結(jié)構(gòu)受力之間的關(guān)系進行了深入探討，可以預(yù)測建筑物的這種空間擴展對現(xiàn)在結(jié)構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)造與運用，產(chǎn)生了極其深刻的影響。