建筑结构

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建筑结构(Building Structure/Architectural Construction)

　　建筑结构是指建筑物中由基础、墙、柱、梁、屋架、支撑、屋面板等承重构件组成的体系。

　　依据不同的标准，可以把建筑结构划分成不同的类型。实际中，常按所使用的主要结构材料、主体结构形式、结构的层数与体形等进行分类，也可按结构受力特点进行分类。

　　1、按主要结构材料分类

　　(1)混凝土结构。以混凝土为主要材料制作的结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和预应力混凝土结构等。

　　(2)砌体结构。包括砖砌体、石砌体、小型砌块、大型砌块、多孔砖砌体等。

　　(3)钢结构。以钢板和型钢等钢材为主要材料制作的结构。

　　(4)木结构。由木材或主要由木材组成的承重结构称为木结构。

　　(5)塑料结构。以塑料为主要材料组成的结构。

　　(6)薄膜充气结构。以性能优良的柔软织物为材料，可以利用拉索结构或刚性的支撑结构将薄膜绷紧或撑起，也可以膜内充气，形成的能够覆盖大跨度空间的结构体系。

　　2、按主体结构形式分类

　　(1)墙体结构。以墙体作为支承水平构件及承担水平力的结构。

　　(2)框架结构。梁柱为刚接的多层多跨结构。

　　(3)框架一剪力墙结构。由框架和剪力墙共同作为承重结构的受力体系。

　　(4)筒体结构。是高层建筑重要的结构形式，包括框筒结构、筒中筒结构、框架核芯筒结构、多重筒结构和束筒结构等。

　　(5)桁架结构。是由上下弦杆和腹杆组成，相当于掏去了中部未受力材料的简支梁。

　　(6)拱结构。是以砖、石、混凝土等圬工材料为主要材料，以受轴向压力为主的结构。

　　(7)空间网格结构。包括平板网架结构和壳形网架结构，是一种三维杆系结构。

　　(8)薄壁空间结构。由上下两个几何曲面构成的壳体结构，壳体厚度远小于曲率半径。

　　(9)钢索结构(悬索结构)。使用高强度的受拉索，结合边缘构件和下部支承构件组成的大跨度结构。

　　(10)薄膜结构。以薄膜配合其他材料形成的大跨度结构。

　　3、按建筑结构的层数和体型分类

　　(1)单层结构。多用于单层厂房、食堂、影剧院、仓库等，跨度往往较大。

　　(2)多层结构。2～9层的结构。

　　(3)高层结构。高度大于24 m或层数大于等于10层的结构。

　　(4)超高层结构。一般指层数在40层以上，高度100 m以上的建筑物。

　　(5)大跨度结构。跨度一般在40 m以上。

　　4、按建筑结构的组成和受力特点分类

　　平面结构体系，组成结构的构件轴线都属于同一个平面，主要外荷载的作用线也属于该平面或以该平面为对称，包括梁、桁架、刚架、排架、拱等。该类结构平面内受力能力较强，而平面外受力能力相对较弱，需要设置支撑系统辅助承受平面外的荷载。

　　空间结构体系，组成空间结构的构件不属于某一个平面，结构往往呈三维结构，所受荷载也属于空间荷载，包括薄壳、网架和网壳、悬索、薄膜等。该类结构受力后沿空间多个方向传递，其本身抵抗各个方向的荷载能力较强，不需要另设支撑系统。

　　新型建筑材料的生产、施工技术的进步、结构分析方法的发展，都给建筑设计带来了新的灵活性。但是，这种灵活性并不排除现代建筑结构需要满足的基本要求。这些要求是：

　　1．平衡

　　平衡的基本要求就是保证结构和结构的任何一部分都不发生运动，力的平衡条件总能得到满足。从宏观上看，建筑物总应该是静止的。

　　平衡的要求是结构与“机构”即几何可变体系的根本区别。因此建筑结构的整体或结构的任何部分都应当是几何不变的。

　　2．稳定

　　整体结构或结构的一部分作为刚体不允许发生危险的运动。这种危险可能来自结构自身，例如雨篷的倾覆；也可能来自地基的不均匀沉陷或地基土的滑移(滑坡)，例如意大利的比萨斜塔由于地基不均匀沉降引起的倾斜。

　　3．承载能力

　　结构或结构的任何一部分在预计的荷载作用下必须安全可靠，具备足够的承载能力。结构工程师对结构的承载能力负有不容推卸的责任。

　　4．适用

　　结构应当满足建筑物的使用目的，不应出现影正常使用的过大变形、过宽的裂缝、局部损坏、振动等。

　　5．经济

　　现代建筑的结构部分造价通常不超过建筑总造价的20％～30％，因此结构的采用应当是使建筑的总造价最经济。结构的经济性并不是指单纯的造价，而是体现在多个方面；而且结构的造价受材料和劳动力价格比值的影响，还受施工方法、施工速度以及结构维护费用(如钢结构的防锈、木结构的防腐等)的影响。

　　6．美观

　　美学对结构的要求有时甚至超过承载能力的要求和经济要求，尤其是象征性建筑和纪念性建筑更是如此。应当懂得，纯粹质朴和真实的结构会增加美的效果，不正确的结构将明显地损害建筑物的美观。

　　建筑结构有着悠久的历史，它大致经历了古代建筑结构、近代工程结构、现代工程结构三个发展时期。

　　1、古代建筑结构

　　公元前5000—公元前3000年我国黄河流域的仰韶文化遗址就发现了房屋结构痕迹。古埃及金字塔建于公元前2700—公元前2600年，也是人类早期历史上最辉煌的结构物。这一时期，工程结构所使用的主要材料为砖、石等。随着冶炼术的进步，铁、青铜等也逐步用于工程结构中。

　　古代桥梁结构最早的形式是石拱桥，公元590—608年建造的河北赵县安济桥(赵州桥)净跨达37．02 m，桥宽约lO m，采用28条并列的石条砌成拱券承重，为世界上最早的敞肩式拱桥。它外形美观、受力合理，显示了我国古代建桥史上的辉煌成就。

　　我国古代房屋结构形式多采用木框架承重、木楼盖及砖砌墙壁，类似现代建筑结构形式。山西应县木塔，为我国现存的最高木结构之一，它建于1056年，塔高67.3 m，呈八角形，共9层，用木柱支顶，形成内外环状柱网，为双层套筒式结构。它经历了多次大地震，至今保持完好。

　　古代工程结构由于缺乏理论指导，主要凭经验建造，因此构件断面大，材料利用率低，使用空间狭窄。

　　2、近代工程结构

　　到了近代，19世纪中期水泥的发明，使混凝土得到了应用，同时转炉炼钢术的发明，使钢产量大幅增加，又为钢筋混凝土结构打下了基础。1886年预应力技术的发明，解决了混凝土裂缝等问题，使大跨度结构、高层建筑结构开始出现。

　　20世纪初，钢筋混凝土已广泛地用在房屋结构、桥梁结构、地下工程及水工结构等，使工程结构不断大型化。钢筋混凝土结构早期主要用于建造小型楼板、梁、拱等构件，随着预应力技术的进步，开始用钢筋混凝土建造大空间结构，逐步使钢筋混凝土应用于各领域。

　　砌体结构由于水泥砂浆的出现，提高了砌体结构的承载能力，迈步形成了以砖墙承受竖向荷载、以钢筋混凝土构件承受横向荷载的混合结构体系，使砌体结构房屋高度不断增大。

　　与此同时，钢结构也得到了长足的发展。1883年美国芝加哥建造的11层保险公司大楼，它采用铸铁框架承重，外墙为自承重墙，标志着现代高层建筑结构的诞生。1889年法国巴黎建成了300m高的埃菲尔铁塔。1931年美国建造了著名的帝国大厦，102层，高381m，全钢结构，它保持世界最高建筑纪录长达40年之久。这一时期的大型工程几乎都采用钢结构。

　　3、现代工程结构

　　现代工程结构始于20世纪中叶。第一次世界大战以后，随着结构理论和施工技术的发展，工程越来越大型化，并且自重明显减轻，材料耗费不断下降，经济效益显著提高。世界各地兴建了许多超高层建筑、大跨度桥梁、特长的跨海隧道、高耸结构等大型工程。

　　现代的砌体结构主要在原有的基础上不断地加大、加高，应用更加广泛。新中国成立后，多层房屋，特别是住宅建筑，几乎都采用混合结构形式，即砖墙承重、楼屋盖采用钢筋混凝土预制(现浇)体系。这种体系施工方便，造价低，适合我国国情。少数地区甚至发展了砌体高层建筑，如重庆在20世纪70年代修建了10～12层的砖墙承重的住宅。国外有建成20层以上的砌体房屋。桥梁方面，石拱桥的跨度也在不断增大，目前超过100m的石拱桥已有多座。

　　另外，砌体结构的发展还表现在新材料、新技术的应用上，配筋砌体不仅提高了砌体的承载能力，还改善了砌体的抗震性能。同时在多层砌体中增设构造柱、圈梁，可大大提高房屋的抗震能力，使砌体结构能在地震区应用。砌体材料的改进也加速了砌体的发展；各种砌块(硅酸盐、粉煤灰、混凝土等)、空心砖及大型墙板的应用，减轻了结构的自重，加快了施工速度，利于环保。

　　现代钢筋混凝土结构向轻质高强化发展。目前高强混凝土的强度可达80～100N/mm2，我国已广泛应用60N/mm2的混凝土。同时为减轻混凝土的自重，世界各国研究了各种轻质混凝土(容重一般不大于18kN/m3)，如陶粒混凝土、浮石混凝土、火山渣混凝土、膨胀混凝土等，利用这些轻质混凝土可制成大跨度的屋面板、壁板、折板等，其自重比普通混凝土减少20％～30％。由于轻质高强混凝土的发展，使混凝土结构的高度、跨度都在不断增大，大量的建筑结构都由钢筋混凝土建造。目前世界上最高的钢筋混凝土大厦是朝鲜平壤的柳京饭店，105层，高319.8m。德国用预应力轻骨料建造的飞机库屋盖结构的跨度达90m。钢筋混凝土拱桥的跨度也超过了400m。

　　钢结构的发展主要是由于生产力的高度发展、钢产量的不断增加，使得钢结构在结构工程中的比例越来越大。美国在近年来的工业建筑中，钢结构占到60％～70％。我国过去钢结构主要应用于大型重工业建筑及大跨度的房屋，目前也应用到高层建筑、大跨度桥梁结构中。同时钢网架结构的兴起，使大量的大跨度屋盖结构更多地应用于钢结构体系。