几乎每个建筑时代都跟结构的探索相关联,人们通常会得出“建筑等同结构”的结论。或许因为在当时,建筑师的努力主要就集中在结构的问题上,但那不是无视两者区别的理由。毫无疑问,建筑师对结构的掌握,至少达到精通的程度,就像思想家对语法的掌握。而且,结构远远比语法困难和复杂,建筑师应该在这个方面做出很大的努力,毕竟这是他职业的重要组成部分。但是他不应该止步不前。

勒·柯布西耶《走向新建筑》

01 结构矛盾:作用效应 VS 结构抗力

02 几何静力学

“建筑力学”是专门为建筑师学习结构知识而设置的,是对理论力学、材料力学、结构力学的简化。静力学是理论力学的一个分支,静力学按研究的方法可分为几何静力学和分析静力学。

分析力学采用广义坐标描述,运用数学分析的方法,对建筑师来说过于抽象,也远远超过了大部分建筑师的数学水平。几何静力学采用笛卡尔坐标,将抽象与几何联系起来,更加具体与直观。因此,作为设计工具,几何静力学更符合建筑师的思维习惯与使用需求。

建筑师在定量计算方面的无能,不应成为漠视结构逻辑的理由。而且,结构优雅的建筑也绝不仅仅是计算的结果。

力系平衡计算与内力图 Force Diagram

把结构简化成平面杆系结构(Member Structure), 如梁、刚架、桁架等,根据内力对“结构截面”的作用 ,把内力定义成三个分量:轴力(Axial Force)、剪力(Shear force)、弯矩(Moment)。

通过力系平衡方程,用代数的方法求解内力。通过内力图了解不同截面上的内力变化,优化截面设计。

* 按照中国惯例,弯矩图一般画在受拉侧,因为钢筋混凝土使用最为广泛,反应钢筋的受拉特征。在钢结构为主的国家,通常画在受压侧,因为钢结构受压侧容易失稳,设计时更为关键。

主应力图 Principal stresses

主应力的思想无论从概念上还是计算上,都比 “结构截面”作用的假想模型要复杂得多, 但是主应力轨迹线比弯矩图和剪力图能更清楚地描述结构是如何作用的。对于不能抵抗有效拉力的材料,如混凝土,主应力路径表明薄弱点在哪,哪里需要抗拉钢筋。

图解静力学 Graphic Statics

即以力的多边形原理(Force Polygon)基础,用几何作图的方法来研究静力学问题。图解静力学的方法适用于主要承受轴力的结构,如悬索、拱等。这些结构的形式和力的传递有着直接的关联,通过图解来的得出“正确的形式”,使结构内部不产生弯曲应力。

03 结构与尺度

在小尺度中成立的结构放大到大尺度不一定能成立。截面尺寸、自重、应力、挠度都会随绝对尺寸呈指数增长,而不是线性增长。

因此,结构构件的“合适比例”只在特定的尺度范围内才有意义,比如梁高与跨度的比例、柱高与截面的比例。

同比例的结构,由于挠度与应力随着绝对尺寸增大而使结构失效
图源:柯特·西格尔 Curt Siegel 《 现代建筑的结构与造型 》

建筑结构构件估算常用数据

04 结构与形式

勒·柯布西埃所致力的是将空间的形式从承重层面的影响中解放出来,路易斯·康却把空间与结构视为密不可分。

《 设计与分析 Design and Analysis 》

显而易见,即使完全或部分地忽略结构上的原则,也可以设计出满足美感要求的建筑物,例如将一栋木造神庙转变成石造结构的想法,就使希腊人创造出了建筑上的一大巨作──帕特农神庙,然而若从纯粹结构的角度来判断,帕特农神庙根本不是“正确的”。

另一方面,也有些工程师不断地鼓吹人们可以不考虑美学,他们认为如果建筑物在结构上的设计是正确的,那么这个结构的正确性自然会让它散发出美感来。然而事实上有太多的例子说明“正确的”结构很可能看起来很“丑陋”,由此证明了这种论调是错的。

我们也不要认为了解结构特性是欣赏结构美感的必要条件。双曲拋物面屋顶是最有效的屋顶结构形式之一,普遍为人们所赞美,但大部分人并不了解它的结构原理。

《 建筑生与灭:建筑物如何站起来 》

05 结构建筑师


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