建筑材料和結(jié)構(gòu)形式選擇探究

前言：想要寫(xiě)出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了建筑材料和結(jié)構(gòu)形式選擇探究范文，希望能給你帶來(lái)靈感和參考，敬請(qǐng)閱讀。

摘要：建筑材料與結(jié)構(gòu)形式對(duì)建筑而言至關(guān)重要，二者相輔相成，建筑材料的創(chuàng)新會(huì)推動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展和升級(jí)，而結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展同樣會(huì)促進(jìn)建筑材料的推陳出新。本文通過(guò)對(duì)某紀(jì)念碑設(shè)計(jì)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(jì)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(huì)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(huì)推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)形式的升級(jí)發(fā)展。無(wú)論是早期人類(lèi)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(shù)枝、樹(shù)葉、泥土、茅草等材料建造的簡(jiǎn)易地面建筑，再到后來(lái)伴隨人類(lèi)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(wú)不是在人類(lèi)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中對(duì)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(guó)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；相比之下，西方更注重對(duì)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(lái)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(duì)于堅(jiān)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(jiān)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(jì)總是互相推動(dòng)和促進(jìn)的，新的建筑材料的出現(xiàn)給建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展帶來(lái)新的推動(dòng)，如建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新等。而建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展又對(duì)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(lái)越多，人類(lèi)對(duì)各種建筑形式的追求目標(biāo)不斷得以實(shí)現(xiàn)。正因?yàn)橛辛顺墒斓慕ㄔ旒夹g(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(guó)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(kāi)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(zhǎng)久屹立不毀的特點(diǎn)，恰恰符合紀(jì)念活動(dòng)的需求，從而成為人類(lèi)紀(jì)念活動(dòng)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(zhǎng)久屹立的景象。

2材料選擇與紀(jì)念碑設(shè)計(jì)

建筑材料不僅是建筑工程的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)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(duì)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(jì)和建造過(guò)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(diǎn)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(zhǎng)，一般為5至10個(gè)月，最大年降水量達(dá)3750mm，年平均氣溫為10~20℃。從氣候條件來(lái)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(jì)主要考慮建構(gòu)筑物的脹縮和防潮采取應(yīng)對(duì)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(lèi)文化及建筑形式的豐富性，建筑是對(duì)氣候環(huán)境、地形、地貌條件的被動(dòng)適應(yīng)與主動(dòng)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(shí)又兼顧了紀(jì)念碑對(duì)建筑材料的堅(jiān)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計(jì)。除主體結(jié)構(gòu)本身的建筑材料外，出于對(duì)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(duì)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(gè)意義上來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)對(duì)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(jiàn)圖1）。建筑材料的選擇在滿足環(huán)境氣候要求的同時(shí)，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(gè)紀(jì)念園的中心位置，是整個(gè)紀(jì)念園的視線焦點(diǎn)，同時(shí)也是制高點(diǎn)，再加上該紀(jì)念園的建設(shè)地點(diǎn)為境外，紀(jì)念碑的方案設(shè)計(jì)應(yīng)著重突出中國(guó)元素，這一點(diǎn)無(wú)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(guó)傳統(tǒng)建筑風(fēng)格的坡屋頂設(shè)計(jì)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(shí)，設(shè)計(jì)為了充分表達(dá)出紀(jì)念碑的中國(guó)元素，采用傳統(tǒng)三段式設(shè)計(jì)將整個(gè)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(gè)紀(jì)念碑基座建在1.2m高的平臺(tái)上，進(jìn)一步增強(qiáng)其作為視覺(jué)中心和制高點(diǎn)的作用。在紀(jì)念碑基座的東、南、西、北四個(gè)方向分別設(shè)計(jì)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(jì)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(shū)寫(xiě)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(jì)

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(diǎn)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(diǎn)及建筑材料的力學(xué)性能后做出合理選擇?！皩?duì)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?yàn)榧袅Y(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(shí)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(diǎn)（見(jiàn)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(gè)意義上來(lái)說(shuō)，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(diǎn)，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(shí)設(shè)計(jì)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(jiàn)圖3—圖6）。

4關(guān)聯(lián)性分析

通過(guò)以上對(duì)于某紀(jì)念碑的設(shè)計(jì)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(huì)和技術(shù)背景下，所采用的材料、結(jié)構(gòu)形式會(huì)存在一定的差異。但無(wú)論采用何種結(jié)構(gòu)形式均會(huì)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(huì)對(duì)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(zhǎng)河中逐漸發(fā)展成熟的木材對(duì)應(yīng)木結(jié)構(gòu)，磚、砌塊、水泥、沙石等對(duì)應(yīng)砌體結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的關(guān)系?？v觀我國(guó)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(duì)于木材建筑材料的選擇運(yùn)用，正是我國(guó)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(lái)看，我國(guó)古代采用木材建造的梁柱式木結(jié)構(gòu)建筑中，各個(gè)構(gòu)件之間均以榫卯構(gòu)造連接，構(gòu)成一個(gè)富有彈性的框架整體。榫卯構(gòu)造節(jié)點(diǎn)具有一定程度的可活動(dòng)性，以及木材自身具有延性的特點(diǎn)，可以把巨大的震動(dòng)能量在彈性結(jié)點(diǎn)上有效消減，從而大大降低地震對(duì)建筑的破壞。這對(duì)于地震較多的我國(guó)大部分地方來(lái)說(shuō)是極為有利的。這也正是木結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)古代得以大范圍推廣的重要原因。由此可見(jiàn)，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(guó)古代各類(lèi)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(yǔ)

在眾多的建筑設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，無(wú)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(wú)論是享譽(yù)中外的著名建筑，還是默默無(wú)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(shuō)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(shì)并能與結(jié)構(gòu)形式相匹配，與其所處時(shí)代、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(lái)了無(wú)限機(jī)遇和挑戰(zhàn)?？偠灾?，在建筑結(jié)構(gòu)形式和材料選擇時(shí)，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(huì)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(shí)代建筑。

參考文獻(xiàn)

[1]陳勝疆，關(guān)瑞明，季宏．淺談中西方古代建筑中的“紀(jì)念碑性”：兼論中西方文化差異[J]．藝術(shù)與設(shè)計(jì)（理論），2020（03）：74-76．

[2]劉宇鵬，建筑材料與建筑設(shè)計(jì)關(guān)系淺析[J]．現(xiàn)代裝飾（理論），2014（02）：42-43．

[3]裴建釗．當(dāng)代紀(jì)念性建筑設(shè)計(jì)手法初探[D]．西安建筑科技大學(xué)，2010．

[4]李?lèi)鹣＃疁\談建筑材料的發(fā)展與創(chuàng)新[J]．科技資訊，2018，16（20）：61-62．

[5]阿諾德·湯因比．歷史研究[M]．上海：上海人民出版社，2000．

[6]王必剛，王啟文，何曉雪，等．渡江戰(zhàn)役紀(jì)念館勝利塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2011，41（S1）：554-556．

作者:吳昊洲 單位:鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院