建築結構

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建築結構(Building Structure/Architectural Construction)

　　建築結構是指建築物中由基礎、牆、柱、梁、屋架、支撐、屋面板等承重構件組成的體系。

　　依據不同的標準，可以把建築結構劃分成不同的類型。實際中，常按所使用的主要結構材料、主體結構形式、結構的層數與體形等進行分類，也可按結構受力特點進行分類。

　　1、按主要結構材料分類

　　(1)混凝土結構。以混凝土為主要材料製作的結構，包括素混凝土結構、鋼筋混凝土結構、型鋼混凝土結構、鋼管混凝土結構和預應力混凝土結構等。

　　(2)砌體結構。包括磚砌體、石砌體、小型砌塊、大型砌塊、多孔磚砌體等。

　　(3)鋼結構。以鋼板和型鋼等鋼材為主要材料製作的結構。

　　(4)木結構。由木材或主要由木材組成的承重結構稱為木結構。

　　(5)塑料結構。以塑料為主要材料組成的結構。

　　(6)薄膜充氣結構。以性能優良的柔軟織物為材料，可以利用拉索結構或剛性的支撐結構將薄膜繃緊或撐起，也可以膜內充氣，形成的能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。

　　2、按主體結構形式分類

　　(1)牆體結構。以牆體作為支承水平構件及承擔水平力的結構。

　　(2)框架結構。梁柱為剛接的多層多跨結構。

　　(3)框架一剪力牆結構。由框架和剪力牆共同作為承重結構的受力體系。

　　(4)筒體結構。是高層建築重要的結構形式，包括框筒結構、筒中筒結構、框架核芯筒結構、多重筒結構和束筒結構等。

　　(5)桁架結構。是由上下弦桿和腹桿組成，相當於掏去了中部未受力材料的簡支梁。

　　(6)拱結構。是以磚、石、混凝土等圬工材料為主要材料，以受軸向壓力為主的結構。

　　(7)空間網格結構。包括平板網架結構和殼形網架結構，是一種三維桿繫結構。

　　(8)薄壁空間結構。由上下兩個幾何曲面構成的殼體結構，殼體厚度遠小於曲率半徑。

　　(9)鋼索結構(懸索結構)。使用高強度的受拉索，結合邊緣構件和下部支承構件組成的大跨度結構。

　　(10)薄膜結構。以薄膜配合其他材料形成的大跨度結構。

　　3、按建築結構的層數和體型分類

　　(1)單層結構。多用於單層廠房、食堂、影劇院、倉庫等，跨度往往較大。

　　(2)多層結構。2～9層的結構。

　　(3)高層結構。高度大於24 m或層數大於等於10層的結構。

　　(4)超高層結構。一般指層數在40層以上，高度100 m以上的建築物。

　　(5)大跨度結構。跨度一般在40 m以上。

　　4、按建築結構的組成和受力特點分類

　　平面結構體系，組成結構的構件軸線都屬於同一個平面，主要外荷載的作用線也屬於該平面或以該平面為對稱，包括梁、桁架、剛架、排架、拱等。該類結構平面內受力能力較強，而平面外受力能力相對較弱，需要設置支撐系統輔助承受平面外的荷載。

　　空間結構體系，組成空間結構的構件不屬於某一個平面，結構往往呈三維結構，所受荷載也屬於空間荷載，包括薄殼、網架和網殼、懸索、薄膜等。該類結構受力後沿空間多個方向傳遞，其本身抵抗各個方向的荷載能力較強，不需要另設支撐系統。

　　新型建築材料的生產、施工技術的進步、結構分析方法的發展，都給建築設計帶來了新的靈活性。但是，這種靈活性並不排除現代建築結構需要滿足的基本要求。這些要求是：

　　1．平衡

　　平衡的基本要求就是保證結構和結構的任何一部分都不發生運動，力的平衡條件總能得到滿足。從巨集觀上看，建築物總應該是靜止的。

　　平衡的要求是結構與“機構”即幾何可變體系的根本區別。因此建築結構的整體或結構的任何部分都應當是幾何不變的。

　　2．穩定

　　整體結構或結構的一部分作為剛體不允許發生危險的運動。這種危險可能來自結構自身，例如雨篷的傾覆；也可能來自地基的不均勻沉陷或地基土的滑移(滑坡)，例如義大利的比薩斜塔由於地基不均勻沉降引起的傾斜。

　　3．承載能力

　　結構或結構的任何一部分在預計的荷載作用下必須安全可靠，具備足夠的承載能力。結構工程師對結構的承載能力負有不容推卸的責任。

　　4．適用

　　結構應當滿足建築物的使用目的，不應出現影正常使用的過大變形、過寬的裂縫、局部損壞、振動等。

　　5．經濟

　　現代建築的結構部分造價通常不超過建築總造價的20％～30％，因此結構的採用應當是使建築的總造價最經濟。結構的經濟性並不是指單純的造價，而是體現在多個方面；而且結構的造價受材料和勞動力價格比值的影響，還受施工方法、施工速度以及結構維護費用(如鋼結構的防鏽、木結構的防腐等)的影響。

　　6．美觀

　　美學對結構的要求有時甚至超過承載能力的要求和經濟要求，尤其是象徵性建築和紀念性建築更是如此。應當懂得，純粹質朴和真實的結構會增加美的效果，不正確的結構將明顯地損害建築物的美觀。

　　建築結構有著悠久的歷史，它大致經歷了古代建築結構、近代工程結構、現代工程結構三個發展時期。

　　1、古代建築結構

　　公元前5000—公元前3000年我國黃河流域的仰韶文化遺址就發現了房屋結構痕跡。古埃及金字塔建於公元前2700—公元前2600年，也是人類早期歷史上最輝煌的結構物。這一時期，工程結構所使用的主要材料為磚、石等。隨著冶煉術的進步，鐵、青銅等也逐步用於工程結構中。

　　古代橋梁結構最早的形式是石拱橋，公元590—608年建造的河北趙縣安濟橋(趙州橋)凈跨達37．02 m，橋寬約lO m，採用28條併列的石條砌成拱券承重，為世界上最早的敞肩式拱橋。它外形美觀、受力合理，顯示了我國古代建橋史上的輝煌成就。

　　我國古代房屋結構形式多採用木框架承重、木樓蓋及磚砌牆壁，類似現代建築結構形式。山西應縣木塔，為我國現存的最高木結構之一，它建於1056年，塔高67.3 m，呈八角形，共9層，用木柱支頂，形成內外環狀柱網，為雙層套筒式結構。它經歷了多次大地震，至今保持完好。

　　古代工程結構由於缺乏理論指導，主要憑經驗建造，因此構件斷面大，材料利用率低，使用空間狹窄。

　　2、近代工程結構

　　到了近代，19世紀中期水泥的發明，使混凝土得到了應用，同時轉爐煉鋼術的發明，使鋼產量大幅增加，又為鋼筋混凝土結構打下了基礎。1886年預應力技術的發明，解決了混凝土裂縫等問題，使大跨度結構、高層建築結構開始出現。

　　20世紀初，鋼筋混凝土已廣泛地用在房屋結構、橋梁結構、地下工程及水工結構等，使工程結構不斷大型化。鋼筋混凝土結構早期主要用於建造小型樓板、梁、拱等構件，隨著預應力技術的進步，開始用鋼筋混凝土建造大空間結構，逐步使鋼筋混凝土應用於各領域。

　　砌體結構由於水泥砂漿的出現，提高了砌體結構的承載能力，邁步形成了以磚牆承受豎向荷載、以鋼筋混凝土構件承受橫向荷載的混合結構體系，使砌體結構房屋高度不斷增大。

　　與此同時，鋼結構也得到了長足的發展。1883年美國芝加哥建造的11層保險公司大樓，它採用鑄鐵框架承重，外牆為自承重牆，標誌著現代高層建築結構的誕生。1889年法國巴黎建成了300m高的埃菲爾鐵塔。1931年美國建造了著名的帝國大廈，102層，高381m，全鋼結構，它保持世界最高建築紀錄長達40年之久。這一時期的大型工程幾乎都採用鋼結構。

　　3、現代工程結構

　　現代工程結構始於20世紀中葉。第一次世界大戰以後，隨著結構理論和施工技術的發展，工程越來越大型化，並且自重明顯減輕，材料耗費不斷下降，經濟效益顯著提高。世界各地興建了許多超高層建築、大跨度橋梁、特長的跨海隧道、高聳結構等大型工程。

　　現代的砌體結構主要在原有的基礎上不斷地加大、加高，應用更加廣泛。新中國成立後，多層房屋，特別是住宅建築，幾乎都採用混合結構形式，即磚牆承重、樓屋蓋採用鋼筋混凝土預製(現澆)體系。這種體系施工方便，造價低，適合我國國情。少數地區甚至發展了砌體高層建築，如重慶在20世紀70年代修建了10～12層的磚牆承重的住宅。國外有建成20層以上的砌體房屋。橋梁方面，石拱橋的跨度也在不斷增大，目前超過100m的石拱橋已有多座。

　　另外，砌體結構的發展還表現在新材料、新技術的應用上，配筋砌體不僅提高了砌體的承載能力，還改善了砌體的抗震性能。同時在多層砌體中增設構造柱、圈梁，可大大提高房屋的抗震能力，使砌體結構能在地震區應用。砌體材料的改進也加速了砌體的發展；各種砌塊(硅酸鹽、粉煤灰、混凝土等)、空心磚及大型牆板的應用，減輕了結構的自重，加快了施工速度，利於環保。

　　現代鋼筋混凝土結構向輕質高強化發展。目前高強混凝土的強度可達80～100N/mm2，我國已廣泛應用60N/mm2的混凝土。同時為減輕混凝土的自重，世界各國研究了各種輕質混凝土(容重一般不大於18kN/m3)，如陶粒混凝土、浮石混凝土、火山渣混凝土、膨脹混凝土等，利用這些輕質混凝土可製成大跨度的屋面板、壁板、折板等，其自重比普通混凝土減少20％～30％。由於輕質高強混凝土的發展，使混凝土結構的高度、跨度都在不斷增大，大量的建築結構都由鋼筋混凝土建造。目前世界上最高的鋼筋混凝土大廈是北韓平壤的柳京飯店，105層，高319.8m。德國用預應力輕骨料建造的飛機庫屋蓋結構的跨度達90m。鋼筋混凝土拱橋的跨度也超過了400m。

　　鋼結構的發展主要是由於生產力的高度發展、鋼產量的不斷增加，使得鋼結構在結構工程中的比例越來越大。美國在近年來的工業建築中，鋼結構占到60％～70％。我國過去鋼結構主要應用於大型重工業建築及大跨度的房屋，目前也應用到高層建築、大跨度橋梁結構中。同時鋼網架結構的興起，使大量的大跨度屋蓋結構更多地應用於鋼結構體系。