建筑设计中结构概念的探讨
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:在建筑设计中设计师要重视结构的地位，正确了解各种结构形式的基本力学特点以及材料对结构的影响等一些重要的结构概念，设计作品时灵活地运用结构概念，使设计更加完善合理。
关键词:建筑设计基本受力 结构设计
1、建筑设计中结构概念的地位
结构是建筑物的基本受力骨架，无论工业建筑、居住建筑、公共建筑或某些特种建筑物的结构，都必须承受结构自重、外部荷载作用(活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等)、变形作用(温度变化引起的变形、地基沉降、结构材料的收缩和徐变变形等)以及环境作用(阳光、雷雨、空气污染作用等)。结构失效将带来生命和财产的巨大损失，因此，建筑设计中对结构有最基本的功能要求。建筑设计对结构的功能要求是可靠、适用、耐久。在设计要求的使用期内，结构在各种荷载作用下要有足够的承载能力，不产生倾覆或失稳，不产生过大的变形和裂缝，保证结构正常使用。即使发生偶然事故，个别构件遭到破坏，或结构局部受损，也不致造成结构的倾覆或倒塌，可以将损失控制在局部范围内。
建筑设计主要是对建筑和结构两方面进行一些必要的联系。建筑师应充分了解各种结构形式的基本力学特点和应用范围，了解施工中必须采用的设备和技术措施，掌握一些基本的结构概念为建筑设计服务，尤其在高层建筑和大跨度建筑设计中，掌握更多的结构概念，显得尤为重要。结构工程师也要具备必要的建筑设计知识，在建筑设计的方案阶段要主动考虑并建议最适宜的结构体系方案，使之与建筑功能和造型有机地结合，形成建筑结构的完美统一。
2、建筑设计中几个重要的结构概念
结构概念简单地说是人们对建筑结构的一般规律及其最本质特征的认识。以下一些结构概念是十分重要的。
2.1基本受力状态
结构的基本受力状态可分为拉、压、弯、剪、扭五种。在这五种受力状态中，轴心受拉是最合理的受力状态，尤其对高强钢丝等抗拉强度高的材料来说这种受力状态特别合理。目前，在建筑设计中悬索结构、悬挂结构应用日益广泛，就是应用了轴拉的合理受力状态。轴压虽然要考虑适当采用回转半径较大的截面形式，但由于它能比较充分利用截面材料，所以也是很好的受力状态，尤其针对石材、混凝土、砌体等抗压强度较高而抗拉很差的材料。这类材料一般可就地取材，价格较低，例如石拱桥，它充分利用了石材抗压的特点，结构经济合理。弯和剪也是常见的受力状态，但二者对截面材料利用不充分。可是这种受力状态在工程中不可避免，因此选用合理的截面形式和结构形式就显得很重要。对于较大跨度的
梁，如果改用析架，梁中的弯矩和剪力便改变为析架杆件的拉、压受力状态，材料得以充分利用。相同跨度的析架和梁相比，可节省材料，自重将减轻许多，因而也就可以有更大的跨度。扭转是对截面抗力最不利的受力状态，除了选用合理的截面形式外，更应注意合理的结构布置，尽量减小构件的扭矩。
2.2材料对结构的影响
在结构设计中应当充分考虑各种材料的特性，做到材尽其用，以下几个方面问题应在设计中给予充分考虑。
(l)充分发挥材料特性。例如，砌体和混凝土价格相对较低，是很好的抗压材料，但自重大，不适宜建造高层和大跨结构。钢材强度高，适合高层和大跨结构。木材虽然也是很好的建筑材料，但易腐蚀、怕火、价格昂贵。为了保护生态环境，应当尽量减少木材的使用，木材目前主要用于高级装修，已很少用作结构构件。
(2)合理选用截面形式及结构形式。合理选用截面形式及结构形式有很大的经济意义。例如，就截面形式而言，受拉的悬索结构采用高强钢丝、钢绞线或钢丝束最为合理;天然石材建造实体拱也是很好的方案，我国南方有许多石拱桥，造型美观，经济耐久;现代热轧工字型钢作为受弯构件，较厚的翼缘主要承受弯曲正应力，较薄的腹板主要承受剪应力，与矩形截面相比，既节省了材料，也减轻了白重。
(3)采用合理的组合结构，以充分发挥材料的特性。其实钢筋混凝土结构就是钢筋和混凝土的良好组合，是一种组合结构。现代建筑中采用的钢梁、压型钢板和混凝土组成的楼盖系统是一种新型的组合结构。压型钢板既可以作为施工时混凝土的“模板”，又是混凝土楼板的“钢筋”。在大型建筑结构中也可以看到一些悬索结构屋面与大型钢筋混凝土拱(或框架)组成的结构形式。
(4)利用三向受压应力状态，提高材料强度和延性。
像混凝土和砌体这一类脆性材料，其抗压强度很高，而抗拉强度很低，两者相差ro倍左右。从本质上讲，破坏是由于受压时的横向变形超过了材料的拉伸极限变形而引起的。如果对横向变形提供一些约束，将提高材料的抗压强度。材料在三向受压状态下不仅强度提高，而且其抵抗变形的能力也大大提高，利用这种特性可改善结构的承载能力，提高结构构件的延性。工程中常见的网状配筋砌体和螺旋钢箍柱就是利用这种原理提高承载能力的。近年发展起来的钢管混凝土结构是在钢管中浇注混凝土，由钢管内混凝土承受压力，外部钢管提供侧向约束的组合结构，这也是应用三向受压来提高构件承载力和延性的很好例子。
2.3结构尺度的概念
结构尺度的变化将改变结构内作用效应和抗力的比例，从而改变结构的受力状态，这一点十分重要。可以设想，一只麻雀如果放大到象那么大，肯定就飞不起来了。因为随着尺度的增大，体重将随着尺度的三次方增加，而赖以起飞的翅膀面积只随尺度的平方增加，自重增加远远快于翅膀面积的增加，日常生活中这样的例子还很多。
2.4构件受力后的变形
正确估计和判断构件受力后的变形曲线，对估计和分析结构内力是十分重要的。快速绘出结构受力后的变形曲线，可大致估计结构受力后的弯矩和侧移的变化规律，判断结构构件的截面上哪一侧受拉，哪一侧受压，也可用来判断设计图纸上的钢筋布置是否正确，这对工程技术人员是很有用的。
2.5结构体系的概念
房屋结构是由许多结构构件组合起来的，一般在设计这些构件时，主要分析计算直接作用在这些构件上的荷载和由这些荷载引起的内力，然后进行构件设计、配筋计算以及构造设计等。然而，由许多构件组合成为结构体系后，每个构件只是整个结构体系中的一部分，它在结构体系中的受力状态和变形情况与构件设计时的计算简图并不完全相同。如何将各结构构件组合成有效的结构体系，对结构设计人员来说，是十分重要的。特别在抗震设计中，混合结构房屋中的圈梁和构造柱都是截面很小、配筋很少的构件，往往不被重视，但它们却有效地将砌体连成整体，在地震荷载作用下，即使砌体中出现较大的裂缝，由于有圈梁和构造柱的拉结，也不会造成墙体的倒塌，从而提高房屋的抗震性能。
3、建筑设计中结构概念的运用
正确的结构概念使我们能深刻理解结构的受力特性，组成更有效的结构体系，使设计更加完善合理。任何事物都有普遍规律及特殊性，建筑设计也是如此。设计师的构思尽管可以新颖，但落实到建筑设计中就一定要有扎实的结构、材料和施工等方面的知识，否则这些设计人员可以成为艺术上的大师，但无法将工程付诸实现。著名的巴黎艾菲尔铁塔就是一个最典型的成功例子。巴黎艾菲尔铁塔原设计是1889年巴黎博览会临时的标志性建筑，从力学方面分析，铁塔可看成是嵌固在地上的悬臂梁，对于高耸人云的铁塔来说，风荷载将是其主要荷载，由于铁塔的总体外形与风荷载引起的弯矩图十分相似，因此该设计充分利用了塔身的强度和刚度，受力十分合理。它不仅满足了展览功能，并且以其造型优美、结构合理、建筑结构的完美统一而被世人称颂。又如在发电厂中常见的钢筋混凝土冷却塔，往往做成双曲抛物面薄壳，总体外形也与风荷载作用下的弯矩图相似。圆形平面可使风荷载减小约30%，中部略细可加速空气对流，提高冷却效率，下部逐渐放大，使结构自重均匀分布，受力合理。这些可谓是结构形式和功能的完美结合。总之，建筑设计和结构设计有着密切的对应关系，建筑平面和建筑体型是所采用结构形式的反映;结构型式的选择受着建筑平面和体型设计效果的影响。作为建筑师，理应自觉考虑建筑设计中的结构问题，才能使设计具有现实价值。