第1章　绪论

1.1　知识拓展与设计技巧

1.1.1　建筑结构选型是建筑师的职责

意大利著名建筑师兼结构工程师P·L·奈维在《结构在建筑中的地位》一书中写到：“现在建筑设计所要求的新的、宏伟的结构方案，使得建筑师必须要理解结构构思，而且应达到这样一个深度和广度：使其能把这种基于物理学、数学和经验资料之上而产生的观念，转化为一种非同一般的综合能力，转化为一种直觉和与之同时产生的敏感能力。”大师指出了建筑师应该具有结构构思能力的重要性。获得这些能力的途径就是建筑结构选型课程的任务。

建筑结构选型课程的任务，是对各种建筑结构体系的几何组成、结构分析、基本力学特点、适用范围以及技术经济分析、施工中必须采用的设备和技术措施等方面的内容进行分析和研究。这些问题正是建筑师在建筑方案设计阶段必须考虑并解决好的问题。作为一位未来的既有建筑理论和艺术修养又懂得现代科学和工程技术的优秀建筑师，只有掌握了这些内容，并在建筑设计中熟练地运用，才可能找到胜任建筑设计工作的途径和方法。因此，可以明确的一点就是：建筑结构选型是建筑师的职责。

建筑结构选型课程的目标分为三个阶段。

（1）判断已有建筑的结构类型　通过建筑结构选型的学习，综合考虑建筑的高度、功能、内部布局、材料等因素，能够初步判断一个建筑的结构类型。对结构的选型经过多次反复练习和强化，有助于提高对结构的直觉性。

（2）不同结构方案比选，最终确定建筑方案的结构形式　对建筑设计方案尝试多种结构形式的类型，对比不同结构形式的优劣，最终确定建筑方案的结构形式。通过不断尝试，对各种结构类型的特点会掌握得越来越牢固。

（3）实现建筑构思与结构理念的完美统一　在建筑设计过程中，整个工程项目是由建筑、结构、设备、电气等多个专业工种来共同合作完成的，一般作为工程主持人的建筑师，掌握了建筑结构体系及选型的知识，就能够很好地与建筑结构工程师及其他专业工程师进行默契的协作和配合，采用最适宜的结构体系方案，使之与建筑功能和造型有机结合，建造出适用、经济、合理、美观、新颖的建筑物。建筑师对结构选型概念的理解和掌握，是实现建筑构思与结构理念完美统一的最高目标。

1.1.2　建筑结构选型的原则

1.1.2.1　满足功能要求

（1）满足使用空间的要求

①所选择的结构形式的剖面形式应与建筑物使用空间的要求相适应。建筑结构所覆盖的空间除了能容纳建筑物的使用空间外，还包括非使用空间，其中包括结构体系所占用的空间。当结构所覆盖的空间与建筑物的使用空间接近时，可以提高空间的使用效率、节省围护结构的初始投资费用、减少照明采暖空调负荷、节省维修费用等。

②尽可能减小结构体系本身所占用的空间高度。这样可在同样建筑物高度条件下增加几层使用面积，经济效益显著。

（2）建筑物的使用要求应与结构的合理几何形体相结合

①建筑物的声学条件与结构的合理几何体形相结合，在结构选型设计过程中应注意结构的几何体形对声学效果的影响，为得到良好的声学效果，应尽量选择曲率半径较大的曲面屋盖。下垂的凹曲面屋顶可避免声聚焦，例如倒置的壳体单元和悬索结构。

②屋面排水与结构的合理几何图形相结合。

③采光照明与结构的合理几何图形相结合。

1.1.2.2　符合力学原理

符合力学规律的结构会具有一些形式美的因素，如均衡与稳定、韵律与节奏、连续性与曲线美。符合力学原理是一切结构形式的基本要求。

1.1.2.3　美观功能要求

结构是建筑的骨骼，建筑师应根据建筑构图原理，发现结构本身具有的美学价值的因素，并利用它来构成艺术形象。结构是构成建筑艺术形象的重要因素，结构本身就富有美学表现力。

1.1.2.4　建筑结构材料性能对结构选型的影响

（1）选择能充分发挥材料性能的结构形式　建筑结构轴心受力杆件比偏心受力杆件和受弯杆件更能充分利用材料强度。拱结构和悬索结构是轴心受力结构，因此，尽量选用拱结构和悬索结构是比较经济合理的。

（2）合理地选用结构材料　建筑材料是形成结构的物质基础。砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构、木结构各因其材料性能的不同而具有各自的规律，在结构选型时可经过对比各自的优缺点合理选用。

1.1.2.5　便于施工

①施工技术是实现先进结构形式的保障。

②结构选型要考虑实际施工条件，施工技术条件不具备或结构方案不适应现有技术能力时将给工程建设带来困难。

1.1.2.6　考虑经济因素

任何国家的工程建设实践都必须考虑提高投资的经济效益。在结构选型时进行经济比较是十分重要的。

一个好的结构形式的选择，必须要考虑建筑上的作用功能、结构上的安全合理、施工上的可能条件、造价上的经济价值和艺术上的造型美观等方面的问题。结构选型问题，既是建筑艺术与工程技术的综合，又是建筑、结构、施工、设备、预算等各个专业工种的配合。当然，建筑与结构的密切配合特别重要。

1.1.3　建筑美与结构合理相结合的工程实例

1.1.3.1　埃菲尔铁塔

埃菲尔铁塔是1889年为巴黎博览会建造的标志性建筑，高324m，用钢7000t，它不仅满足了展览功能，并且以其造型优美、结构合理、建筑与结构的完美统一而被世人称颂，一直保留至今。因为主持建造的是结构工程师，他首先注意的是结构受力合理，按当时的技术水平，要建造当时世界最高的建筑物是十分不容易的，如果采用不合理的结构形式就建不成这么高的建筑。从力学方面分析，铁塔可看成是嵌固在地基上的竖向悬臂柱，风荷载是主要荷载。铁塔的外形与风荷载作用下的弯矩图十分相似（图1-1），因此充分利用了塔身材料的强度和刚度，受力非常合理。塔身底部设置大拱，跨越了较大跨度，车流、人流在铁塔下畅通无阻。其实，铁塔和高层建筑都像大树一样，树干下部粗上部细；树枝像挑梁一样，根部粗梢部细，受力非常合理（图1-2）。埃菲尔铁塔正是建筑与结构完美统一的典范，它已成为巴黎和法国的象征。

1.1.3.2　具有旋转双曲面的冷却塔

火电厂的钢筋混凝土冷却塔（图1-3）的功能是冷却汽轮机中被加热了的冷却水。冷却塔的体型均由旋转双曲面薄壳构成。为什么旋转双曲面薄壳的体型适合冷却塔这样的构筑物？汽轮机的效率和进汽温度与出汽温度之差有关，温差越大，效率越高，所以要用水来冷却汽轮机。冷却水被加热后，用管道送到冷却塔顶部喷洒下来，并通过滴水板尽量延长热水下落的路程，同时冷空气从冷却塔下部进入塔内，与热水进行热交换，被加热的冷空气体积膨胀，容重减轻，缓缓上升。旋转双曲面薄壳冷却塔塔身中部较细，提高了空气上升速度，形成上拔力，加速空气流动。到塔身上部，上升的空气被继续加热，体积更加膨胀，上部塔身稍微放宽，减少了上升空气的阻力，有利于空气流动。可见，旋转双曲面薄壳冷却塔在冷却工艺上是很合理的。从结构的角度看，圆形平面与矩形平面相比风荷载可减少约30%；塔身外形与风荷载作用下的弯矩图相似，受力非常合理。同时，建筑外形具有连续性和曲线美，很有特点，给人一种力学上的美感。