建筑物及房间各面的围护物组成的结构,主要包括砌体结构、框架结构、剪力墙结构、筒体结构、桁架结构、网架结构、索结构、膜结构、薄壳结构。
围护结构体系发展史
建筑物及房间各面围护物发展演变的历史。
- 英文名称
- progress of envelop enclosure structural system
- 所属学科
- 科学技术史
用砖、石材和胶黏材料砌筑的结构,当采用砖或石作为主要材料时,称为砖石结构,当也考虑砌块时统称为砌体结构。
砌体结构在中国有着悠久的发展历史,其中石砌体和砖砌体在中国更是源远流长,构成了中国独特文化体系的一部分。砌体结构的发展一般可分为三个历史阶段。
第一阶段:清朝(1644~1911)末年、19世纪中叶以前。这段时期主要以石砌以及土法烧制的砖砌体为主,主要以城墙、佛塔、砖砌重型穹顶佛殿以及石桥为主。考古资料表明,中国早在5000年前就建造有石砌体祭坛和石砌围墙。中国隋代开皇十五年至大业元年,即公元595~605年由李春建造的河北赵县安济桥,是世界上最早建造的空腹式单孔圆弧石拱桥。据记载,中国的万里长城始建于公元前7世纪春秋时期的楚国,在秦代用乱石和土将秦、燕、赵北面的城墙连成一体并增筑了新的城墙。人们生产和使用烧结砖也有3000年以上的历史。中国在战国时期已能烧制大尺寸空心砖。南北朝以后砖的应用更为普遍。建于公元523年的河南登封嵩岳寺塔,平面为十二边形,共15层,总高43.5米,为砖砌单筒体结构,是中国最早的古密檐式砖塔。
第二阶段:19世纪中叶以后至中华人民共和国成立前大致100年左右。这一时期世界其他国家主要以黏土砖和混凝土砌为主要材料,中国主要以黏土砖作为承重墙的主要建筑材料,采用容许应力法粗略估算作为主要的设计方法。起源于美国并于1882年问世的混凝土小型空心砌块最早在很多房屋建筑中使用;此后在第二次世界大战后混凝土砌块的生产和应用技术传至美洲和欧洲的一些国家,继而又传至亚洲、非洲和大洋洲。
第三阶段:1949年以后,砌体结构有了较大发展,一方面,传统基础材料跨度加大、厚度减薄、承载力显著提高;另一方面,各种新材料不断涌现,如硅酸盐和泡沫硅酸盐砌块、各类混凝土空心砌块和各类大板以及各种承重和非承重空心砖等;同时各种新技术不断进步,如振动砖墙板及各种配筋砌体;此外,新结构也逐渐发展起来,如砖薄壳等。20世纪60年代以来,中国小型空心砌块和多孔砖生产及应用有较大发展,20世纪末叶砌块与砌块建筑的年递增量均在20%左右。2000年中国新型墙体材料占墙体材料总量的28%,超过“九五”计划20%的目标,新型墙体材料达到2100亿块标准砖,共完成新型墙体材料建筑面积3.3亿平方米。20世纪90年代以来,在吸收和消化国外配筋砌体结构成果的基础上,建立了具有中国特色的钢筋混凝土砌块砌体剪力墙结构体系,大大地拓宽了砌体结构在高层房屋及其在抗震设防地区的应用。此外,还应指出20世纪60年代初至21世纪初,在全中国范围内对砌体结构做了较为系统的试验研究和理论探讨,总结了一套具有中国特色、比较先进的砌体结构理论、计算方法和应用经验。新颁布的《砌体结构规范》(GB 50003—2001)标志着中国建立了较为完整的砌体结构设计的理论体系和应用体系。
在国际上砌体结构的发展也有很长的历史并得到了广泛的使用。砌体结构不仅应用于低层、多层建筑,也用于高层建筑;不仅用于非地震区,也用于地震区,并经受了20多年的地震考验,表现出良好的抗震性能。在设计理论方面,许多国家改变了长期沿用按弹性理论的容许应力设计方法的传统,积极采用极限状态设计方法。鉴于中国在砌体结构方面的丰富技术积累,在1988年至1995年的一段时间里,中国曾作为国际标准化组织砌体结构技术委员会配筋砌体委员会(ISO/TC179/SC2)的秘书处,卓有成效地开展了一系列国际合作研究工作,并作为主编开展了国际标准《配筋砌体结构设计规范》(ISO9652-3)的编制工作。这本规范的出版和实施充分体现了中国在这一领域的国际影响力。
框架结构是由许多梁和柱共同组成的框架来承受房屋全部荷载的结构。中国传统框架式建筑,有悠久的历史文化和辉煌的艺术成就。中国传统古代建筑主要是以木构架结构为主,也就是采用木柱、木梁等来构成房屋的主要框架结构,把屋顶与屋檐的重量通过梁架传递到立柱上,墙壁一般不承重,只是起到一个隔断的作用。古代有句谚语“墙倒屋不塌”,正是概括地指明了中国古代建筑这种框架式建筑结构最重要的特点。正是由于墙壁不承担房屋的重量,门窗的设置就具备了很大的灵活性和多样性。
中国古代,尤其是魏晋南北朝之后,传统框架式建筑技术和东西邻国都有广泛的交流和互相的渗透影响,给传统古代建筑注入了新的血液,出现了很多新的建筑类型,比如石窟寺、佛塔等。最早出现在莫高窟中的框架式建筑应该就是阙形龛,其建筑形式盛行于汉代,一般称之为汉阙,是早期壁画中对于中国传统建筑形式的最早采纳和融合。而中国木框架结构的核心之一就是“斗拱”这一类特征的结构。
在现代,民用建筑和多层的工业厂房,砖墙承重已不能适应荷重较大的要求,往往采用框架作为承重结构。房屋荷载包括人、家具、物品、机械设备的重量,以及楼板、墙体和本身自重等。砌在框架内的墙,仅起围护和分隔作用,除负担本身自重外,不承受其他荷重。为减轻框架荷重,应尽量采用轻质墙,如用泡沫混凝土砌块(墙板)或空心砖砌筑。一般框架以现场浇柱居多,为了加速工程进度,节约模板与顶撑,也可采取部分预制(如柱)部分现浇(梁),或柱梁预制接头现浇的施工方式。
纵横向的主要承重结构全部为结构墙的结构。
随着钢筋混凝土材料的出现,剪力墙也孕育而生。剪力墙由于其受力特性,需要具有较强的承受竖向荷载及水平荷载的能力,以材料构造形式划分,可分为钢筋混凝土、钢板混凝土、配筋砌块3种,最主要采用的仍为钢筋混凝土剪力墙。施工建造工艺也由传统的现浇式逐渐演变成装配式。此种结构广泛应用于各种建筑中。
对于高层建筑物而言,需要有更强的抗震、抗风能力。在这样的背景下,框架剪力墙孕育而生,框架剪力墙结构又称框剪结构,这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙,构成灵活自由的使用空间,满足不同建筑功能的要求,同时又有足够的剪力墙,有相当大的侧向刚度。其结构应用在建筑工程中,对提高建筑的质量和安全有着极大作用。
由一个或多个筒体作承重结构的高层建筑体系,适用于层数较多的高层建筑。在侧向风荷载的作用下,其受力类似刚性的箱型截面的悬臂梁,迎风面将受拉,而背风面将受压。筒体结构可分为框筒体系、筒中筒体系、桁架筒体系、成束筒体系等。从20世纪70年代开始高层建筑进入快速发展时期,由于常规体系(如剪力墙、框架和框架-剪力墙结构)已不能满足建筑和结构的强度、刚度和延性的要求,筒体结构随之出现。美国的F.R.坎恩(Fazlur Rahman Khan,1929~1982)第一次在框架结构中采用密柱深梁结构。中国对框筒及筒中筒结构的研究也是从20世纪70年代开始进行,并建造一批筒中筒结构,如50层的深圳国贸中心大厦和63层的广州国际大厦。21世纪以来,由于中国经济实力增强和城市建设步伐的加快,出现了很多钢筋混凝土核心筒结构的超高层建筑,如上海的金茂大厦和广西南宁的地王大厦。钢筋混凝土筒体结构因其内外筒之间形成了大面积的无柱空间,从而具有很大的承载力和抗侧力刚度,以及很好的抗扭刚度。因此,筒体结构在各类高层建筑中得到了广泛的应用。
桁架结构中的桁架指的是桁架梁,是格构化的一种梁式结构。桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。由于大多用于建筑的屋盖结构,桁架通常也被称作屋架。只受结点荷载作用的等直杆的理想铰结体系称桁架结构。它是由一些杆轴交于一点的工程结构抽象简化而成的。桁架在建造木桥和屋架上最先见诸实用。
古罗马人用桁架修建横跨多瑙河的特雷江桥的上部结构(发现于罗马的浮雕中),文艺复兴时期,意大利建筑师A.帕拉弟奥(Andrea Palladio,1508~1580)也开始采用木桁架建桥,出现朗式、汤式、豪式桁架。英国最早的金属桁架是在1845年建成的,适合汤式木桁架相似的格构桁架,第二年又采用了三角形的华伦式桁架。后来,随着工业的发展,钢材逐渐替代了木材,北美历史上的第一榀钢桁架出现在1923年,是用圆钢作为桁架的上下弦杆,连续弯折的钢筋作为腹杆。在此之后,出现了各式各样的桁架形式。
20世纪以来,网架结构在全世界范围内空间结构都得到了很大的发展。网架结构由多根杆件按照一定的网格形式通过节点联结而成的空间结构。具有空间受力小、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点;可用作体育馆、影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨篷、飞机库、双向大柱距车间等建筑的屋盖。缺点是汇交于节点上的杆件数量较多,制作安装较平面结构复杂。网架结构一般是以大致相同的格子或尺寸较小的单元(重复)组成的。常应用在屋盖结构。20世纪初期,钢铁材料为网架结构的发展提供了条件,其后的铝合金则使得网架的杆件更轻巧。近些年来的复合材料,特别是大量的新型建筑材料被开发出来,对空间结构的发展产生了强烈的影响。材料应用方面由于钢材品种与强度的不断提升,空间结构也越多地采用了型钢、钢管、钢棒、缆索乃至铸钢制品。在很大程度上,空间结构成了“空间钢结构”。随着现代计算机的出现,一些新的理论和分析方法,如有限单元法、非线性分析、动力分析等,在空间结构中得到了广泛应用,以至空间结构的计算和设计更加方便和准确,使得空间结构现在千变万化,种类多样。
通常将平板型的空间网格结构称为网架,将曲面形的空间网格结构简称为网壳。网架一般是双层的(以保证必要的刚度),在某些情况下也可做成三层,而网壳有单层和双层两种。平板网架无论在设计、计算、构造还是施工制作等方面均较简便,因此是近乎“全能”地适用大、中、小跨度屋盖体系的一种良好的形式。
网架的形式较多。按结构组成,通常分为双层或三层网架;按支承情况分,有周边支承、点支承、周边支承和点支承混合、三边支承一边开口等形式;按照网架组成情况,可分为由两向或三向平面桁架组成的交叉桁架体系、由三角锥体或四角锥体组成的空间桁架角锥体系等等。
中国是最早将索作为结构单元应用于工程中的,主要应用于桥梁结构中。悬索桥主要由主缆、加劲梁、吊索、索塔、锚锭和鞍座六部分组成。悬索桥大都采用双面主缆,由平行高强钢丝组成。主缆分束股是为了便于架设和锚固,每根束股由几十根,乃至几百根单根平行钢丝组成。悬索桥在恒载作用下,主缆、主塔承受结构自重,加劲梁受力由施工方法而定。成桥后,主缆和加劲梁共同承受外荷作用,受力按刚度分配。
早在公元前285年,中国就出现了悬挂竹索桥梁,公元前206年建造了铁链桥,1703年建造了由9根铁链悬挂的横跨大渡河的泸定桥。西方工业革命产生了由铁绞线和钢绞线等新型高强材料组成的索。1824年,法国建造,并且存在至今的横跨罗纳(Rhone)河的悬索桥就采用了连续的绞线索。到了20世纪,1940年建造的美国旧金山大桥,具有1280米的主跨。最长跨度的悬索桥是日本1998年建成的明石海峡(Akashi-Kaikyo)大桥,主跨长度1991米。
索应用于房屋建筑结构的历史只有四十几年,1953年,美国北卡罗来纳州的罗利(Raleigh)大剧院是最早采用双曲预应力索网屋顶的建筑。这种新型建筑形式,极大地冲击了传统的建筑设计思想和概念。随后,双曲索网结构如雨后春笋般地出现在了欧美、苏联和中国。其中比较有影响的建筑结构有1958年的美国耶鲁冰球场和1964年的东京国际奥林匹克体育馆。然而,当时的这些建筑物虽然形式新颖,但结构体系还是传统的,因为这些建筑采用的还是预制、现浇和悬挂的混凝土重屋面,索网主要依靠屋面重量保持形状的稳定性,抵抗风吸力和避免振颤。建筑索结构在中国的应用已有数十年历史,21世纪以来,它得到了迅速的发展和大量的推广应用。尤其是21世纪20年代,出现了大量全张拉建筑索结构。全张拉结构是指结构体系中主要受力单元均为只受拉的拉索,仅靠周边的刚性边界和少量压杆连接拉索。这类结构的设计计算和施工实现均有较大难度。这些结构的成功建成充分说明了中国在这一领域达到了国际先进水平。比较有名且具有特色的如上海世博会世博轴、中国航海博物馆等。
膜结构又叫张拉膜结构,是21世纪最具代表性的建筑形式。打破了纯直线建筑风格的模式,以其独有的优美曲面造型,简洁、明快、刚与柔、力与美的完美组合,同时给建筑设计师提供了更大的想象和创造空间。膜结构从最原始建筑模型之一的帐篷,发展到现在已成为建筑领域不可或缺的一种建造形式。1937年L.科尔比西耶(Le Corbusier,1887~1965)设计的巴黎世博会展览中心,将过往历史中建造帐篷所利用的手工技巧与现代建筑元素,比如钢材和轻型结构的理念,大胆地结合起来,从而开创了一种新的现代建筑形式。1967年蒙特利尔世博会上的德国馆让更多的人开始注意膜结构建筑。整个20世纪60年代以及70年代早期,几乎在世界各地都建造了一定数量的膜结构建筑,它们分别承载了多种不同功能,其形式本身和功能皆历经了多次检测及考验,证明了膜结构建筑对城市建设所具有的重要意义。
一栋膜结构建筑的完成有赖于多种因素共同发挥作用,其中最形象、最直观的就是大面积的建筑膜材本身。正是膜材本身的质量及特点决定了建筑物此后相当长一段时间内的外观、功能以及客户的满意程度。因为建筑膜材是一种灵活性非常强的建筑元素,只能在施加张拉力的情况下才能得到固定。膜材本身的张拉力和弹性都是重要的选择标准,最常见且主要采用的3种材料有PTFE(聚四氟乙烯)涂层玻璃纤维、PVC(聚氯乙烯)涂层聚酯纤维、ETFE(四氟乙烯聚合物)膜材。
受自然界中的大量壳体如蛋壳、龟壳、贝壳等动植物的启发,人们在日常生活中通过模仿和改善,在土木工程结构中形成了一类薄壳结构,它们虽然极薄,但是强度高且具有丰富的几何形状。它的传力特征一般是通过壳内两个方向的压力逐点向外传力,是一种薄壁空间曲面结构,通过良好的设计可以形成使壳面处于无矩的状态。合理的曲面可使结构受力均匀,结构刚度大,结构变形小,稳定性高,节省材料。薄壳结构按照壳体曲面的几何特征可分为:正高斯曲率曲面(含球面、椭圆抛物面)、负高斯曲率曲面(含双曲抛物面)、零高斯曲率曲面(圆柱面、圆锥面等)、其他曲面(如折板结构)等。此外,根据薄壳本身所采用的结构形式,也可分为薄板壳(穹顶)、网壳等。薄壳结构根据材料,可分为砖石砌体材料、钢材料。
一般而言,穹顶结构是薄壳结构的典型形式,也是基本起源。人们早已认识到,穹顶可以产生具有最小表面的最大空间,并且结构中使用的材料也是相对经济的。古人以仿生学原理为基础,建立了以稻草为表皮、以树枝为骨架可获得良好生活空间的穹顶结构,后来形成了用皮革来代替稻草的帐篷。随着建筑材料的发展,穹顶的材料由古代的石料逐渐被砖石结构代替,形成早期自重较大的穹顶,罗马万神庙便是早期穹顶的典型代表。
直到中世纪穹顶结构的主要覆盖材料发展为木材,由于材料、技术等各方面因素的制约,18世纪才将生铁结构用于教堂的圆屋顶;而在19世纪初期,出现了轧钢与铆钉相互连接的方式;19世纪80年代,人们发明了焊接技术,钢穹顶便开始得到广泛应用。
20世纪初,德国工程师施威德勒(Schwedler)发明了一种肋环斜杆网壳,其主要结构形式为:把壳面划分为经向的肋和纬向的水平环线,并连接在一起,而且在每个梯形网格内再用斜杆分成两个或四个三角形,这样壳面的内力分布会更加均匀,结构自身重量也会进一步降低,从而可跨越能力。这种结构兼具网架结构与薄壳结构的双重优点,其应力相对合理,跨度可以较大,可以看作一种类似于网架结构的空间结构。后来这种利用钢结构沿某种曲面有规律的布置大致相同的网格或尺寸较小的单元,在此基础上组成空间杆系结构的结构,称为网壳结构。进入21世纪以来,网壳结构作为大跨度空间结构的优秀代表,得到快速发展和广泛应用。第二次世界大战结束以后,随着社会的发展,建筑构件的工业化为网壳结构的发展奠定了良好基础,加上电子科学技术的进步,更加促进了网壳结构的应用和发展。自网壳结构发展以来,世界上已经出现了许多著名的网壳结构工程,如新奥尔良超级穹顶体育场、日本筑波国际博览会展厅、新加坡体育馆、多伦多“天空穹顶”体育馆、日本福冈开合式穹顶体育馆等。
围护结构体系即通常所说的房屋结构体系,拥有着悠久的发展历史。无论是砌体结构、框架结构、剪力墙结构、桁架结构等相对简单的平面结构体系,还是筒体结构、网架结构、索结构、膜结构、薄壳结构等复杂的空间结构体系,都体现出历代工程师和科学家充分利用建筑材料,深入总结施工经验,不断探索技术工艺,应用及完善数学力学,并不断改善居住环境,正是这些推动着人类历史的发展和进步。
扩展阅读
- 金永权.建筑结构设计的发展历程.门窗,2015,(6):140.
- 周海宾,费本华,任海青.中国木结构建筑的发展历程.山西建筑,2005,31(21):15-16.
- 李红云.浅析西方古典建筑文化.江海纵横,2011,(8):50-52.
- 洪缨.西方现代建筑构成元素的发展变化.装饰,2004,(10):63.
- 李甜.试论中国古代木构框架式建筑在莫高窟壁画中的表现.建筑设计管理,2017,34(2):92-93.