现代钢结构建筑设计原理探析

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网络教育学院本科生毕业论文（设计）题目：现代钢结构建筑设计原理浅析学习中心：慈溪奥鹏层次：专升本专业：土木工程入学批次：0803学院学号：081090303005学生姓名：胡斌冰指导教师：侯东序完成日期：2021年3月8日 内容摘要现代建筑设计中，公共建筑和标志性建筑采用钢结构的越来越多。建筑自人类产生以来都是人们生活的重要组成部分，随着科技的发展新型材料的运用越来越广泛，钢材是其中普遍采用的一种。而以钢结构为主体的建筑是现代空间结构发展的主流，钢结构建筑通常由型钢、钢管、钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，有的还用钢铰线、钢丝绳组成，其连接方式采用焊缝、螺栓或铆钉连接，探讨现代钢结构建筑设计与表现具有重要的意义和价值。本文阐述了钢结构建筑所具有的优越性，探讨了我国现阶段大力开发推广钢结构技术的可行性，并从建筑设计与表现的角度研究了钢结构建筑的特征。关键词：钢结构；优越性；特征；设计开发目录1绪论11.1钢结构建筑的发展历史11.2钢结构建筑在我国的发展前景1物质基础1技术政策2市场需求22钢结构的优越性32.1材料性能优越32.2制造周期短、施工速度快32.3符合可持续发展政策32.4造型美观、可塑性强43现代钢结构的建筑特点53.1空间特征63.2形态特征63.3与结构、设备密切结合的特征63.4预工程化程度高，建设成本降低，工期缩短73.5建筑与结构的设计与功能一体化,使建筑更富有功能化73.6钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求83.7原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展84钢结构建筑设计与技术表现10 4.1钢结构建筑设计的技术表现104.2钢结构建筑细部设计有较高要求114.3建筑策划也是钢结构建筑设计与表现的影响因素115现代钢结构中建筑设计所面临的问题125.1钢结构中建筑设计的防火问题125.2钢结构中建筑设计的防腐问题125.3钢结构中建筑物理问题13保温13吸音14隔音14结论16参考文献17 1绪论1.1钢结构建筑的发展历史世界建筑发展的轨迹进入了21世纪，我们注意到了这样一个变化——钢结构建筑正在建筑领域扮演着越来越重要的角色，“石头写成的历史”已成为过去，而钢结构被人们越来越多地用来记录时代的文明和成就，承载社会生活的内涵。近年来国际上广受赞誉的优秀作品中，钢结构技术被大量地运用，建筑师们显示出了驾驭钢结构技术令人赞叹的娴熟技艺，表现出钢结构建筑一股强劲的发展势头。最早在建造房屋中使用钢结构的国家可以追溯到十八世纪末的英国，一百年后法国工程师埃菲尔建造了著名的铁塔，人们也开始尝试建造钢结构的独户住宅，从此钢结构建筑彻底改变了以往建筑造型的模式，建筑设计的理念与方法亦随之嬗变。1.2钢结构建筑在我国的发展前景根据我国现阶段情况，大力推广钢结构技术、发展钢结构建筑将是大势所趋，面临着极好的历史机遇：1.2.1物质基础改革开放以来，我国的钢铁工业持续发展，钢产量到1999年已达到1.3亿吨，成为世界第一钢铁大国，发达国家的建筑用钢量为钢产量的45％一55％，而我国建筑用钢量仅占钢总产量的20％左右，如按此比例推算，则我国有4000万吨左右的发展空间，因此已具备了推广应用钢结构坚实的物质基础。 1.2.2技术政策长期以来由于我国经济发展起步较晚，造成我国建筑界形成了“只要能用钢筋混凝土结构，不用钢结构”的观念。如今，政府已开始高度重视钢结构建筑的发展，在1998年把钢结构技术列为重点推广的新技术，1999年建设部、国家冶金工业局联台成立了建筑用钢技术协调组，协调国家的相关部门在建筑用钢的生产和推广应用方面的工作，大力推动钢结构的发展。这说明钢结构在我国已具备了非常好的发展大环境。1.2.3市场需求随着国外的钢结构新技术、新产品不断地被引进和应用，人们对钢结构旧的观念逐渐转化．目前经济发达地区新建工业厂房已基本采用钢结构取代钢筋混凝土结构，成熟的钢结构建筑作品不断出现，会增强投资者和建设者的信心，把钢结构作为一种认真考虑的选择、大胆地进行尝试。钢结构的市场需求将越来越大。轻钢结构住宅体系产业化极具潜力，在使用功能、设计、施工及综合经济方面具有优势，是今后推广应用钢结构的一个重要领域。钢结构建筑是建筑领域中较先进的建筑技术，代表着先进的生产力，因此应坚定不移地加以提倡、推广。 2钢结构的优越性2.1材料性能优越钢结构轻质高强、力学性能良好、承受动荷载的能力强、抗震性能优越等特性，使之得以在建筑领域充分地发挥，符合高层、大跨建筑的结构要求。据研究，人类已具有建造高度超过1000m最高至4000m的超高层建筑与跨度超过1000m的超大型穹顶的能力。因此，钢结构率先广泛应用于高层建筑、大跨度公共建筑和工业厂房等类型，并逐步向更广的领域扩展，包括轻钢结构住宅的研究推广。2.2制造周期短、施工速度快钢结构大部分构件在工厂生产，运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装，可全天候作业。同时，由于钢结构本身可作为劲性结构承担结构荷载和施工菏载，施工时不必支横、拆模，由此降低成本，大大加快施工速度。2.3符合可持续发展政策钢结构是一项绿色环保建筑产业，相对于砼结构和混凝土结构而言，钢结构对资源、能源的利用相对合理，对环境破坏相对较少，是解决环境问题的突破口：1）钢材是一种高强、高效能的材料，具有很高的再循环价值，边角料也可回收利用，对同样规模的建筑物，钢结构建造过程中有害气体排放量只相当于混凝土结构的65％。 2）工厂化生产，现场施工周期短，最大限度地减少了施工工地对环境的影响，钢结构工程一半以上是工艺是工厂加工制作，现场工期可以缩短50％以上，同时工地很少使用砂、石、土和水泥等散料，又无须钢木模板，从根本上避免了尘土飞扬、染环境、废物堆积和噪声等问题。3）钢结构体系可以带动其它“节能环保”型建筑材料的推广应用。钢结构休系由于连接的灵活性，各种轻质高强高效墙体材料都可以采用，并将节能、防水、隔热、门窗等先进的成品集合在一起，实现墙体改革和综合成套应用。2.4造型美观、可塑性强相当于其它形式而言，钢结构建筑可以极大程度地超越结构的束缚，创造多种形式的空问和形象，产生轻盈、灵巧、通透的效果。另外，斜线、曲线在钢结构建筑中作为一种常见的造型手段创造出许多新奇、优美的建筑形象。其强大的造型潜力是砖混结构形式建筑所难以企及的。3现代钢结构的建筑特点 目前，制约我国钢结构发展和推广应用的最大问题是设计力量薄弱。这里不仅是结构设计工程师对钢结构设计不熟悉，国内建筑师对于钢结构也缺乏应有的了解。这样．在方案的初设计阶段往往便把钢结构排除在外，习惯性地选择自己所熟悉的砖混或混凝土结构思路上．这样便失去了通过结构方案的变化寻求创新的可能。另外．在采用钢结构的设计中，常存在节点构造粗糙与砖混结构部分衔接不好、外立面交接处理生硬等问题，归其原因，就是对钢结构建筑设计缺乏学习和训练．对钢结构建筑的设计特点研究不够。笔者认为，钢结构建筑设计有其不同于混凝土结构的特征，应作大量性的研究工作。可从钢结构建筑以下几个方面的特征人手：3.1空间特征(1)空间形态多样化：钢结构建筑可充分利用其结构灵活性和表现力，创造出多种形式的空间形态，它可以引入斜面、曲面等变化的形式，组合出各种新奇、有趣、富有戏剧性的空间，从而打破了单纯的矩形空间组合。如多伦多汤姆逊音乐厅。(2)线性构件，界面通透：钢结构靠杆件传力，构件多呈线性．且由于钢材的高强高效特性，结构构件小，且通透性好，所以设计中有屋面采光时常采用钢结构形式作为顶界面，以使顶部开敞明亮，尽量多地引入天光，侧界面采用钢结构也多开敞通透的手法处理。(3)巨型空间，二次划分：钢结构构筑出大跨度的巨型空问，然后再次进行立体划分，形成灵活的空间体系，开合自如．虚实结合，层次感强，这是当前流行的一种大型公共建筑的空间布局模式，也有利于需要功能调整时的改建工程。3.2形态特征 (I)与混凝土结构和砖混结构的建筑造型有明显差异，钢结构建筑表现的不是厚重、雄伟、强烈的实体感．而常常是轻盈、舒展、精美的现代感。设计惯用曲线造型，顶面、侧面没有明确的分界线，体型生动流畅，这样也有利于力的传递。因此，钢结构适合创造独特、新颖的标志性建筑形象。(2)钢结构建筑可采用多种技法和材料来表现．如钢结构暴露在外，表现构造节点的工艺性技术细节的“高技派”手法；应用金属复合板或塑铝板表现光洁、精美的现代材料质感；和通过外挂大面积透明与镀膜玻璃表现建筑的轻盈通透的形象。(3)钢结构建筑一个重要的形象要素就是精细的节点构造设计，结构性节点在此经过精心推敲，成为装饰构件，表现出现代建筑的技术美、工艺美．这其中包括建筑各部位的细节，如钢架支座、钢结构与砖混结构的结音部位、钢柱的断面形式、钢架天窗构造和金属遮阳板等。3.3与结构、设备密切结合的特征钢结构建筑形象取决于结构形式与构造节点等的精细加工工艺，这有赖于建筑师、结构工程师和机械工程设计师的统一协作，有机结合。另外，钢结构建筑往往暴露设备，这些暴露的设备会成为建筑内部、外部形象的组成部分、且设备管线与主体结构及墙体穿插交接处都需要对其构造进行精细设计，这便要求建筑师同设备工程师密切协作。唯如此，钢结构建筑才能达到较高水准。福斯特曾提出“设计开发”的概念，有丰富的含义，它包含了建筑师的独特要求，专业工厂内对构件特定的工艺性加工．各专业的协同配合 ，对建筑全方位的开发设计。现代工业文明和科技成果在这里得到充分地应用，建筑学的内涵太大丰富了。这即是对传统建筑的观念变革，又是传统建筑学精髓的延续，正是靠着这种精神，世界建筑才得如今天这样绚丽多彩。3.4预工程化程度高，建设成本降低，工期缩短钢结构建筑模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产，提高了建筑预工程化，使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性。同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和安装一体化，大大降低了建设成本；并且加快了施工速度，使工期能够缩短40％以上，从而加快了房地产开发商的资金周转速度，使建筑能更早投入使用。3.5建筑与结构的设计与功能一体化,使建筑更富有功能化在钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体，构件，节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。建筑与结构的设计与功能只有做到一体化，才能使建筑更富有功能化以便随后的各个设计环节进行下去，创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。北京2021年奥运会国家体育场投标方案中有许多方案都体现了钢结构建筑的这一特点。例如清华大学建筑设计院设计的可开合式方案，在体育场大屋面的中央设置两个半圆型的玻璃顶面，同时相对旋转、平行滑动完成大屋面的开合；又如中国建筑设计研究院场馆方案外观即为建筑的结构，形象完美纯净，功能与结构达到了完美的统一；还有日本朱式会设建筑事务所设计的折叠式方案，屋顶由悬臂的钢架结构支承，可在30分钟内完成开闭的动作，确保全年比赛的及活动不受天气影响。 3.6钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，强度高，弹性模量亦高。其密度与强度的比值远小于砖石，混凝土，木材，在同样受力情况下钢结构自重小，从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构形体。现在人类已具有建造跨度超过1000米的超大穹顶与高度超过1000米最高至4000米的超高层建筑的能力。并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求，使这类型建筑成为世界性的标志建筑，比如日本东京后乐园棒球场屋盖是钢索与气承膜组成的索膜结构，面积达28000平方米，英国政府为迎接21世纪而兴建的标志性建筑伦敦千年穹顶――大型综合性展览建筑也是索膜结构体系，其穹顶直径达到320m。3.7原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展 发展钢结构对于资源，能源都非常短缺的我国意义尤为重大，因为中国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再循环价值，边角料也有价值，不需要制模施工。目前国际上引人瞩目的新型住宅产品已引入我国，其环保节能的特点主要体现在两个方面：　　（1）该类型住宅采用全封闭式保温隔热防潮系统，温度变化小，热损失低。不论冬夏，都具有舒适当居住环境。室外0摄氏度时，室内仍可以保持17摄氏度以上；在室外温度达到30摄氏度的情况下，室内温度仅为21摄氏度左右。　　（2）与砖混结构住宅相比，可节能60％以上，冬夏季空调设备可节约耗电30％以上，结构的废旧利用为100％，与砖混结构比较，同样楼层净高条件下，钢结构维护墙体面积小，节约空调所需能源，减小维护费用。4钢结构建筑设计与技术表现钢结构建筑设计的构思成功关键所在是技术构思与表现，在方案设计的深化中，需要同结构工程师，设备工程师，甚至包括机械工程师密切配合。此时技术表现是自然而然的事情，无论是空间形式，形式体量还是构造节点对其建筑设计与表现影响都是很重要的，下面就分别从几个方面来阐述这一点。4.1钢结构建筑设计的技术表现建筑形象的构思是一个概念形象的创作过程，是建筑创作的难点之一，也是建筑设计中备受关注的核心问题之一。回顾工业革命以来建筑与科学技术关系的发展，可以明显地发现建筑对技术变革反应的迟滞性，这从一个侧面反映了建筑学在社会文化当中的深层地位，以及建筑学与人的生活方式的密切联系。另外现代方兴未艾的信息革命正在广泛地渗透并涉及社会活动的每个领域，使现代科学思维被融入到建筑设计中，新项目的规划、建筑和景观设计方法发生了巨大的变化。建筑设计的宗旨也从单纯的追求美发展到追求问题的合理解决，从根本上改变了人们以往对建筑的认识和设计方式，并最终影响了人类千百年来形成的传统建筑观，比如高技派建筑就是其主要代表，其以精致的节点和精细的加工来体现高超的技艺，以更高的工艺水平来设计和“制造”建筑。 4.2钢结构建筑细部设计有较高要求钢结构建筑设计的复杂化与精致度要求越高，对细部设计的要求也越高。因为细部设计决定一个地方最终是否得到确认及其质量。在现代钢结构建筑中，各种金属结构杆件，连接金属杆件的节点细部，常常暴露在外，使建筑带有强烈的科技感，比如建于1977年法国的巴黎蓬皮杜艺术与文化中心，它的钢柱、钢梁、桁架等结构构件都裸露在外，从中不仅体现出技术美，而且体现出人的智慧和能力。因而，对钢结构建筑来说细部质量保持较高的设计要求是非常重要的，在钢结构建筑中应受到特别重视。4.3建筑策划也是钢结构建筑设计与表现的影响因素因为钢结构建筑设计具有建筑设计的一般属性，建筑师不是随心所欲在作设计，业主设计任务书对建筑师的平面和设计构思等发生的作用是重大的。客户希望设计师有更好的业绩，而且希望在其最终产品的确定过程中，设计师和市场专家都能更高效的参与决策。在这个阶段，建设项目更强调整体设计、更强调专业设计师、市场专家及开发商之间的协调，设计过程包括了持续的信息和知识的交流与整合。另外，钢结构建筑的专业化不但能提供丰富的设计知识而且能有效的整合设计资源和市场专家共同对建筑负责，使设计和业主的经营意图有效的结合起来，使项目获利和减少风险。 5现代钢结构中建筑设计所面临的问题5.1钢结构中建筑设计的防火问题火灾是对钢结构建筑的最大危害，钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为400度时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600度时，钢材基本损失全部强度和刚度，因此当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，很容易使建筑损坏，比如美国世贸中心大楼外墙是排列很密的钢柱，外面包以银色铝板，在美国911事件中两个塔楼分别受飞机撞击后所产生的大火使钢材软化，最终导致大楼倒塌。从发生的钢结构建筑火灾案例可以发现两类现象，一类为防火保护的钢结构在火灾中没有达到规定的耐火时间而破坏，另一类防火保护的钢结构在火灾中超过了预期的耐火时间而并没有破坏。建筑的构造防火问题一般在钢筋混凝土结构上较易解决，而在钢结构建筑上则需考虑更多的因素，以下为两种常用防火措施：.一是采用进口的新型防火板——保全板；二是根据钢结构的部位不同分别采用厚型或薄型的防火涂料，并在露明部位加涂装饰漆。5.2钢结构中建筑设计的防腐问题 钢材如果长时间暴露在室外受到风雨等自然力的侵蚀，必然会生锈老化，其自身承载力会下降，建筑的美观也会受影响。因此防腐问题也是钢结构建筑设计需要解决常见问题，目前的做法主要是采用新型防腐和构造材料。在实际建筑设计中设计人员在遇到钢结构建筑中对所设计的建筑都做出特别的要求，比如涂刷防锈涂料，防火涂料属于油漆类。防火涂料一般做法为先刷红丹防锈底漆两度，再刷钢结构面漆两度（面漆颜色由甲方定）。另外对钢结构建筑的钢结构构件施工也有确定的要求，比如构件出厂前涂红丹防锈底漆一道；钢结构安装调整后，将其清洗干净，然后再刷一度底漆，两度面漆。然而现在虽然有各种不同类型的防腐涂料但较为有效的防腐涂料还需外国进口，我想随着中国综合国力的增强，中国将会生产出更优秀的新型防腐涂料。5.3钢结构中建筑物理问题5.3.1保温 外部环境对建筑的热辐射主要从两个方面影响建筑的热环境：一是透过窗户进入室内，并被室内表面所吸收，产生了加热的效果；二是被建筑的外围护结构表面吸收，其中一部分热量通过建筑围护结构的热传导逐渐进入室内。由于玻璃可以让阳光直接射入室内从而迅速升高室温，特别是随着新型玻璃材料的不断出现，玻璃的热工性能逐步改进，建筑采光与建筑保温之间的矛盾已日趋淡化，“遮蔽”与“阻隔”走向平衡。所以对建筑的保温措施主要集中在外围护结构上，而目前对此解决办法有两种较为有效：　　1）研制、优化保温材料的构造，提高建筑热环境性能。例如在建筑物得内外表面或者外层结构的空气层中，采用高效反射材料，可以将大部分的红外射线反射回去，从而建筑物起到保温和隔热作用；此外还可运用高效节能玻璃，硅气凝胶，新型节能墙体材料，达到节能的目的。　　2）防止保温材料凝结水外保温和中间保温作法。可防止保温材料由于蒸汽的渗透积累而受潮。内保温作法则保温材料有可能在冬季受潮，外保温可避免主要承重结构受到室外温度的剧烈波动影响，从而提高其耐久性。外保温作法对外表面的保护层要求较高内保温和中间层保温则由于外表面是由强度大的密实材料构成，饰面层的处理比较简单。5.3.2吸音在一些建筑大厅中，尤其是在音乐厅中顶棚反射板增加的反射声几乎同时到达听众的双耳，缺少侧向反射带来的围绕感。在这类建筑的设计中，需要综合考虑材料的使用，包括吸声性能以及装饰性、强度、防火、吸湿、加工等多方面。目前广泛地应用于音质设计和噪声控制中的解决途径是吸声材料和吸声结构。　　1）吸声材料：材料本身具有吸声特性。如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料具有良好的吸声性能，由于空气的粘滞阻力、空气分子与孔隙壁的摩擦，使声能转化为摩擦热能而吸声。　　2）吸声结构：材料本身可以不具有吸声特性，但材料制成某种结构而产生吸声。如穿孔石膏板吊顶。5.3.3隔音 噪声于建筑密不可分，噪声污染的防治与治理已经成为建筑声学重要的组成部分。噪声规划、噪声控制等理论也逐渐演化开来。人们可以听到的声音都属于声环境范畴。人们可以听到谈话、鸟鸣、音乐、泉水叮咚、歌声等；但也能听到吵闹、机器轰鸣、车辆的轰鸣等噪声。但主要是有安静要求的房间，如录音室、演播室、旅馆客房、居民住宅卧室等建筑对隔声隔振要求非常高，需要专门的声学设计。对于旅馆、公用建筑、民用住宅人们对安静的要求也越来越重视。并尽量靠近声源，会提高隔声效果。一般隔声间外墙使用隔声性能较好的材料或结构，如砖、混凝土、纸面石膏板墙等，观察部分使用隔声窗，进出部分使用隔声门或吸声迷道等。结论由本文以上讨论可以得出下面三点看法和结论：　　（1）钢结构建筑设计应根据不同具体条件的不同而有所侧重，一个好的建筑设计，必须做到形象构思与结构构思的一体化。　　（2）钢结构建筑的科技含量很高，结构本身往往就是建筑表现，钢结构的表现与工艺不仅是实现形象构思的必要手段，而且对建筑形象的影响极为显著，这就决定了结构构思是形象构思成功与否的关键所在。　　（3）科学技术的进步，审美观的改变必然使得钢结构建筑不断地去扩展自身的表达语汇而寻求发展。我们所提倡的是：抛开风格要素，从结构理性主义出发，从现代的和传统的众多风格流派中吸取精华，创造出技术和艺术有机融合的钢结构精品建筑。参考文献1.王岩,孟庆波浅谈济南奥体中心火灾及钢结构的利弊-科技信息2021.42.刘锡良现代建筑钢结构的人情化设计理论第一届全国现代结构工程学术报告会2004.63.范兴国浅谈钢结构高层建筑防火-建筑·建材·装饰2021,10(4)4.施丽彦钢结构建筑的造型语汇与发展初探2005.15.祝强几种现代建筑结构体系及新材料介绍-林业科技情报2007,36.时虎钢结构防火保护研究与应用2021 1.黄超英蓬皮杜艺术中心的建筑个性-安徽建筑2005,122.朱若兰,陈至诚工业建筑钢结构的艺术之路2005年全国建筑钢结构行业大会2005.53.陈建领钢结构建筑的火灾危险性和防火保护-中国公共安全（学术版）2005.1