[分享]钢结构对建筑表现的贡献

诺伯格·舒尔茨曾说：“现代建筑是自由的建筑，而钢铁是它的脊梁。那么自由在这种历史背景下意味着什么呢？在世界大同和建筑日益全球化的今日，这个词代表了一个新的开端，一个新的时代。”钢作为一种材料暗示了现代建筑与思想意识是密不可分的。

结构美是建筑美学的一个重要组成部分，而钢结构在视觉方面的合理与简洁是其他结构所无法比拟的。随着时代的发展与技术的进步，各个建筑相关学科也都处在高速发展的过程中，包括材料科学、结构力学以及现代环境学等。在这种背景下，钢结构建筑应运而生并很快得到了广泛的应用。

在过去，我国的钢铁产量一直远远落后于欧美国家，因而一直是历史悠久的木结构建筑占主导地位的这样一种格局。20世纪以来，用钢铁构筑的民用建筑才逐渐发展起来。自此，钢在我国的建筑行业中发挥着日益重要的作用。首先，钢结构构件可以被回收利用，对于建筑的可持续发展作出了卓越的贡献，因此，在搭建一些临时性场馆时钢结构便成了首选。其次，钢结构自重轻，可以减轻建筑的总重，且钢材的延性好、抗震性能优良，在地震设防地区也能被广泛应用。最后，由于我国的劳动力资源优势正在渐渐消失，人工成本占施工总成本的比重不断升高。而钢结构构件能够大规模地投入工业化生产，因此，能大大降低施工成本，同时也有效地缩短了工期。尤其是现今正大力推广预制装配式住宅，其相对单一的形制、高度重复的构件、大范围的建设，都与钢结构建筑“步调一致”。

这些钢结构与生俱来的优点为它在建筑表现上大展身手奠定了坚实的基础。在新的时代精神的指引下，不少现代建筑师们也开始关注、继承“新理性主义”的简约传统，而钢材便成了他们的首要选择，因为钢材既是与“新理性主义”诞生于一个时代的材料，也是现代展现结构美感的最佳选择。一些国际知名的建筑师也积极将此投入到设计实践中。如2017年普利兹克奖得主RCR事务所就坚持以钢和玻璃为他们建筑创作的主体元素。正是这种对新材料、新技术的敏感和人情味以及富于创新的时代性思维，才使钢铁这种看似冷酷的材料在现代建筑中体现得如此精妙和富于创新。

自古以来，人们便对大空间青睐有加，并用尽当时的材料技术和手段竭力追求大空间的营造，如罗马万神庙（见图1）的大穹顶至今仍为人称道。就建筑的使用而言，外加荷载显然应该大于自重带来的荷载。而跨度增加会导致结构自重的增加，于平面体系尤甚。超过一定跨度以后，结构自重就会成为主要荷载。受传统材料的力学性能与经济技术发展的限制，在万神庙的大穹顶被建造出来后的几个世纪内都没有其它建筑能够超越它。

钢材被应用为一种建筑材料始于19世纪，1828年的维也纳钢桥与1851年的伦敦水晶宫分别为钢材打开了桥梁和建筑领域的大门。1889年法国世博会上的“机械馆”以115m的跨度刷新了大跨度结构的新纪录。20世纪以来，钢材得到了极大的发展，许多过去难以想象的的复杂结构都成为了现实。这得益于材料加工工艺的进步、节点制作水平的提高以及计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助建造（CAM）等技术的发展，帮助建筑师和结构工程师们攻克了大跨度空间设计的重重难关。

传统的空间结构体系包括网架、网壳以及张拉结构等，在此我们先予以一一介绍。

1.  网架

空间网架结构出现于20世纪40年代，它的出现很快就取代了钢筋混凝土壳体结构成为了主要的覆盖大跨度空间的结构形式。首先，钢结构空间网架由各杆件按照一定的网格形式通过节点连接而成，相同或相似的构件、一致的组合规则、有序而重复的单元带来了整体的机械美，极富艺术表现力。其次，空间网架的适应性很强，平面布置灵活，适合各种建筑平面和各类空间造型，受到了众多建筑师的青睐。最后，钢结构还可以与各种外围护材料搭配，包括膜、石材、陶土板等，形成覆盖空间的屋顶,或者建筑四周的围护构件。

除此之外，从结构角度来看，由于网架是高次超静定的空间结构（见图2）,具有三维受力的特点，所以空间刚度大，安全系数高。同时，与传统的框架结构相比，网架的结构高度小，可以有效增加室内净高。此外，网架属于柔性结构，自重轻、整体性好，因此抗震性能良好。

2.  网壳

网壳和平板网架都属于网格结构,也叫空间杆系结构（兼具杆系和壳体的双重特征）。网壳由许多较短的杆件按一定规律组合而成，以足够的密度来填充壳体形状。

网壳在制作和拼装时，对技术水平的要求比网架略高一些。受荷载作用时，拉力、压力、剪力等作用力在壳面内沿两个方向逐点传递，和薄壳结构颇为相似。它和网架结构一样，也具有自重轻、施工快、造型美等优点。

用金属杆件构成的网壳，可以有多种结构形状，不过最常采用的是穹顶网壳、筒形网壳、双曲网壳、双曲抛物面网壳四种（见图3）。

3.  张拉结构

张拉结构是从20世纪50年代左右发展起来的，广义上可以分为悬索结构、悬膜结构和薄膜结构。

悬索结构能承受拉力，但不能承受弯矩和扭矩，具有内在的柔韧性和结构的灵活性。为了适应不同的荷载，可以调整悬索的悬挂形式，从而产生相应的张力。在实际施工时，屋盖一般采用高强度材料，施工时几乎不需使用模板，节省了大量开支。实践表明，悬索结构能够适应几乎所有的平面形状，而不像网壳等只适用于规则平面，因而当建筑师想要创造新颖建筑造型时，悬索结构就是一个很好的选择。

悬膜结构是另一种张拉结构，由双轴受拉的金属薄板膜壳和周边的支撑结构组成。与悬索结构相比，它用金属薄板代替了钢索，悬挂的钢膜壳既是承重结构、又是围护结构。与之俱来的优点包括：一种材料同时起到承重与围护两种功能，简化了屋面结构，减少了材料用量；结构高度小，降低了建筑物高度；结构造型丰富，在建筑设计上有较大的选择余地等。

薄膜结构是由空气结构演变而来的，是当今大跨度屋盖的一种最有效的结构体系。建筑空间内的增压空气与钢索、杆件一起共同承担结构自重和外部荷载。目前，它的应用范围十分广泛，既适用于各种大、小规模的建筑，又适用于临时性建筑或永久性建筑。由于材料的原因，膜结构的建筑造型比较柔性，比较自由和随意，其形式主要取决于支撑结构，薄膜主要的功用便是利用不同的支撑结构覆盖建筑空间，而且其建造施工十分简便，发展前景也极其可观。

4.  其它结构

其它的结构体系还有很多，譬如杂交空间结构，是指将板壳、网架、网壳和张拉结构等单纯的空间结构体系加以合理搭配与组合，扬长避短，将各自在建筑造型、受力性能、经济指标等方面的优势强强结合，从而超越单纯的大跨结构体系的一种空间结构，能综合利用建筑空间，丰富建筑表现。

建筑师在崇尚和追求多变的几何造型时，首先必须了解钢结构的受力特性并在此基础上进行创造。而钢结构的这几种结构形式为现代建筑的大跨度空间提供了实现的可能。

 

钢结构建筑的立面设计与混凝土结构相比，难度有所降低。运用混凝土结构的建筑在进行立面设计时，常常受到柱网位置、梁柱尺寸、材料搭接等因素的多方面限制。而钢结构建筑中，围护结构的处理相对灵活，因为它可以较为自由地悬挂板材，而且与各种材料都可以较好地结合，大大丰富了建筑立面的组合形式。

在现代建筑运动以后，建筑师们对建筑表皮的关注度日益上升，致力于挖掘围护结构自身的美学潜力。在这种趋势下，建筑的围护结构已经摆脱了传统中只将其作为功能要素的定位，而发展成为展现建筑自身造型特征的重要元素。围护结构通过与各种不同材料肌理的配合，共同组成建筑的表皮。

因此，钢结构建筑的外表皮也自然而然地扮演起了视觉表达的新角色。无论是与玻璃幕墙的拼接，还是与金属板的糅合；无论是与膜结构的包裹，还是与围护结构的脱离；无论是对钢框架支撑的裸露，还是作为钢网格元素的装饰，都体现了钢结构丰富的立面之美。

纯粹的钢骨体系，有时甚至不需要其他材料，也足以体现建筑的结构之美。早在20世纪，随着“H形钢”、“角钢”等型钢，以及“钢桁架”、“钢檩条”等钢构件的出现，钢骨架结构的建造呈现出多样性的特征，建筑师们对结构的追求也不仅仅满足于支撑，而是逐渐转向了结构表现的方向。其中，最具代表性的就是“高技派”的实践，钢骨架表现的进一步强化，造就了蓬皮杜中心等经久不衰的建筑实例（见图4）。

 

建筑的净高问题是建筑师与结构工程师经常会产生争执的焦点，建筑师追求尽可能高的净高以达到预期的空间体验，而结构工程师考虑到承载力等的要求而无法作出让步，钢结构可以在一定程度上缓解这一矛盾。混凝土的梁高一般为跨度的1/8至1/10，而钢结构梁可以适当做矮一些，进一步地可以使用空腹式钢梁，让大部分管道从钢梁中穿过。

以苏州工业园区市场大楼为例，设计时考虑到若采用混凝土结构，为减小梁高势必要在大跨处采用双向预应力混凝土梁的方案。经估算，预应力混凝土大梁的梁至少要1.6m高，造成了室内空间净高不足且温度应力大、施工工期较长。而钢结构方案则能很好地解决上述问题。经技术经济比较论证后，上部结构选用钢框架结构方案，有效提高了建筑净高。

钢结构之所以能够区别于其他传统结构而成为为建筑表现添翼的有力工具，离不开它自身的特点，以下略作陈述。

 

平衡与稳定是结构承载荷载、传递作用力的前提。俗话说：“立木顶千斤”，并非是无条件的，当所受的轴向压力超过承载极限时就会产生失稳破坏，而受拉构件则无“失稳”之虞。对于钢结构这种自重较轻的高强材料而言，最重要的就是防止产生挠曲或失稳破坏。传统的建筑设计主要基于“受压”的力学原理，而各种带索的钢结构创造了以“拉力”为关键词的空间造型特征，让建筑变得轻盈起来，使得不少当代建筑师追求的“漂浮感”有了实现的可能。

当然，这种轻盈感很大程度上还取决于钢材的密度。建筑钢的密度与强度比α为（1.7~3.7）×10-4m-1，而钢筋混凝土则为18×10-4m-1。可见，材料强度越高，相对质量越轻。

 

钢结构受力的基本特点是轴向受力优于横向受弯，轴向受拉优于轴向变压，多向受力优于单向受力。但同样是钢结构，不同的结构体系在整体受力状况上有很大差异，因此也提供了多样性的选择，可适用于各种建筑造型。

同时，由于钢材的力学性能与其他材料大相径庭，截面形式存在多种可能，所以它具有比其它材料更强、更轻盈、更灵活的造型能力，其建筑造型常常可以通过解析结构来进行设计。

钢结构建筑的力流通常呈现为树形，上部承受的荷载向下传导时逐渐分散，一直作用到地基，呈现明显的分形特征。杆件是力流传导的载体，因此，可以从杆件的布局大致判断出内力传播的路径。内在的受力很可能会反映到建筑立面上，即立面形式指示力流导向，这和我们追求的建筑的真实性也是相吻合的。在进行结构选型时，结构工程师们所要考虑的一个重要因素就是力流的组织，如何找到一条最短、最直接的传力路径是他们经常面临的问题。

 

节点即构件连接的点，它既是多向集中受力的部位，也可能是不同材质构件的交接点。节点构造的研究始终是钢结构发展的一个重要方向。

钢结构的基本连接方法有焊接、铆钉连接和螺栓连接。其中，铆钉连接是一种传统的金属构件连接方式，现在已经很少使用了，常用高强螺栓连接来代替。

随着技术的发展，结构构件及其连接件都可以在工厂内完成，不仅比例优美、制作方便，而且尺寸精度高、搭接精准。一些有追求的建筑师更希望通过高科技的加工技术和巧妙的构造方式，表达节点处的力学传递方式和形态特征，在建筑细部构造方面体现出现代科技的美学特征。

追求节点的外观不只是为了建筑美学，也有结构受力上的意义。比如，评判一条焊缝的质量，用肉眼基本就可以判断，如果出现了气孔、烧穿、根部未焊透、边缘未融合、焊缝层间未熔合、咬边、夹渣或焊瘤等质量缺陷，不仅有损美观，还影响结构的承载能力，严重的甚至可能引发安全事故。

与钢筋混凝土等结构相比，钢结构在节点设计方面赋予了建筑师更多的发挥空间。著名建筑师密斯曾经疯狂执着于节点设计，他们对钢铁建筑的探索，主要表现在具有精美细部的钢铁构件、皮与骨的建筑体系和后期具有大跨度通用空间的建筑中。

说起结构与建筑的关系，我们经常能听到这样的说法：“结构是建筑的骨骼”或“结构是建筑的语法”，即结构规律是建筑设计中必须遵守的法则。这句话在钢结构中体现得尤为淋漓尽致。钢结构不仅以最真实的姿态反映了建筑的内在构架，更以其卓越的材料特性和受力性能等赋予了实现各种建筑表现的可能。因此，深入了解、掌握钢结构，对每个建筑师或“未来建筑师”来说，都是一门重要的必修课。