建筑材料和结构形式选择探究

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摘要：建筑材料与结构形式对建筑而言至关重要，二者相辅相成，建筑材料的创新会推动结构形式的发展和升级，而结构形式的发展同样会促进建筑材料的推陈出新。本文通过对某纪念碑设计的建筑材料和结构形式的选择、运用进行分析，论述建筑材料和结构形式的选择、运用与纪念碑（建筑）设计的重要关联性。

关键词：建筑材料；结构形式；纪念碑；关联性

1引言

从古至今，每一种新型建筑结构形式的出现都会伴随着与之相适应的新型建筑材料的诞生，而每一次新型建筑材料的出现同样也会推动建筑结构形式的升级发展。无论是早期人类居住的天然洞穴，还是经发展而产生的人工洞穴，或是进一步发展运用树枝、树叶、泥土、茅草等材料建造的简易地面建筑，再到后来伴随人类文明不断进步而出现的更高层次的木结构、砖石拱券结构等，无不是在人类社会发展过程中对建筑材料和结构形式的不断发掘运用而将建筑技术逐渐推向成熟的。不同建筑材料和结构形式的选择运用，将直接促进建筑工程技术向前发展。比如，我国古代由于自然环境未遭破坏，因此拥有充足的木材资源，而木材具有便于就地取材和易于加工的优良特性，使得木材被广泛运用于木结构建筑的建造，从而创造出前所未有的高水平木结构建筑建造技术，也为大批享誉中外的木结构建筑瑰宝能够保留至今奠定了坚实的基础；相比之下，西方更注重对石材的运用，并创造了砖石拱券结构等建造技术，乃至后来因发现火山灰而发明了水泥，进而促成了现代重要建筑材料——混凝土材料的出现，由此发展产生了现代钢筋混凝土框架结构、剪力墙结构、剪力墙复合结构等广泛运用的结构形式。西方人对于坚固和永恒的追求，使得石材逐渐取代木材而成为主要建筑材料。石头坚固、恒久的特性自然地与纪念碑性联系在了一起，西方大量著名的纪念碑性建筑都用石材建造而成[1]。建筑材料和建筑设计总是互相推动和促进的，新的建筑材料的出现给建筑设计的发展带来新的推动，如建筑结构的创新等。而建筑设计的发展又对建筑材料提出了更高的新要求[2]。随着可供选择的建筑材料和结构形式越来越多，人类对各种建筑形式的追求目标不断得以实现。正因为有了成熟的建造技术作为支撑，才使得建造复杂多样的纪念性建筑成为可能。古埃及的方尖碑、金字塔，中国古代历朝修建的祖庙、祭坛及陵墓都可算是宗教纪念性建筑的开端。现代建造纪念性建筑的目的是保存历史中人、事、物的记忆。其空间造型的艺术美感和可长久屹立不毁的特点，恰恰符合纪念活动的需求，从而成为人类纪念活动的重要手段，并且形成了特有的建筑文化[3]。正是由于建筑材料与结构形式相互选择和相互支撑，才促成了古今中外许多不朽的纪念性建筑在世界各地长久屹立的景象。

2材料选择与纪念碑设计

建筑材料不仅是建筑工程的物质基础，同时也是建筑工程质量的前提保障，建筑材料的质量与性能对建筑工程的安全性与耐久性有着直接的影响[4]。然而，在现代建筑设计和建造过程中导致不同建筑材料选择运用的因素却是多方面的，有气候环境的影响、结构形式的影响、工程技术的影响、建筑功能的影响、建筑造型的影响，等等。但归根结底都是为适应建筑形式和结构形式做出的合理选择。例如，某纪念碑的建设地点为热带、亚热带季风气候，该地一年只分为旱、雨两季，其中雨季较长，一般为5至10个月，最大年降水量达3750mm，年平均气温为10~20℃。从气候条件来看，该地区建构筑物所处的环境为湿热环境，设计主要考虑建构筑物的胀缩和防潮采取应对措施。气候的差异性导致自然环境的多样性，自然环境的多样性产生人类文化及建筑形式的丰富性，建筑是对气候环境、地形、地貌条件的被动适应与主动创造的结合[5]。为使纪念碑较好地适应湿热气候环境，纪念碑主体建筑材料选用钢筋混凝土浇筑，这充分利用了混凝土材料在潮湿环境中的耐久性和适应性，同时又兼顾了纪念碑对建筑材料的坚固性要求。由于纪念碑主体的截面积较小，仅为2.36m×2.36m，因此材料胀缩对结构的影响可以忽略不计。除主体结构本身的建筑材料外，出于对气候环境的适应性考虑，纪念碑的外墙采用30mm厚外挂花岗岩石材对碑体进行外装饰。此外，纪念碑的碑顶采用能迅速排水的四坡顶形式，并采用釉面小青瓦作为坡屋顶的装饰材料，确保纪念碑具有较好的防水性能和耐久性。从这个意义上来说，设计对建筑材料的选择运用均已考虑到与纪念碑的适应性（见图1）。建筑材料的选择在满足环境气候要求的同时，还应满足纪念碑建筑的造型要求。由于该纪念碑坐落于整个纪念园的中心位置，是整个纪念园的视线焦点，同时也是制高点，再加上该纪念园的建设地点为境外，纪念碑的方案设计应着重突出中国元素，这一点无论从建筑形式还是建筑材料的选择使用上均得以充分体现。比如：屋顶均采用具有显著中国传统建筑风格的坡屋顶设计并采用传统釉面小青瓦装饰，墙面采用灰白色涂料装饰，勒脚则采用传统清水砖墙装饰，等等。同时，设计为了充分表达出纪念碑的中国元素，采用传统三段式设计将整个纪念碑造型分为基座、碑体和碑顶三大部分。其中基座底部截面尺寸为4.66m×4.66m，高3.91m（含浮雕部分），整个纪念碑基座建在1.2m高的平台上，进一步增强其作为视觉中心和制高点的作用。在纪念碑基座的东、南、西、北四个方向分别设计镶嵌了4块尺寸为3.06m×1.30m的主题浅浮雕，进一步表达出纪念碑的设计主题及其所蕴含的历史含义。主题浅浮雕采用120mm厚的汉白玉石材雕刻，选择汉白玉材料是为了有效突出浅浮雕的纪念主题内容，以及与纪念碑主体装饰材料协调一致。同样，在碑体正面中心位置镶嵌一块书写纪念主题文字的宽1.4m，高6.0m的汉白玉材料，也是出于与纪念碑主体装饰材料相适应的考虑。

3结构形式选择与纪念碑设计

结构形式与建筑材料选择的区别在于建筑材料注重与建筑形式的匹配性与环境的适应性，与材料力学特点的符合性，以及与建筑美学和艺术要求的一致性；而结构形式则更多地从建筑的安全性和耐久性出发，综合考虑建筑结构体系的受力特点及建筑材料的力学性能后做出合理选择。“对于高耸结构，与地震作用相比，风荷载起控制作用。而混凝土结构自重大，抗倾覆稳定性更好。综合考虑以上因素，最终采用混凝土剪力墙结构。”[6]正是因为剪力墙结构体系具有较好的承载能力和整体性，所以可将其选择作为纪念碑等高耸建筑的结构形式。同时剪力墙结构还具有侧向刚度大，在水平荷载作用下侧移小的优点（见图2）。而纪念碑作为高耸建筑，承受风荷载或地震作用引起的水平荷载较多，从这个意义上来说，正好符合剪力墙主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载（重力），防止结构剪切（受剪）破坏的特点，还要兼顾纪念碑所处环境等因素。因此，综合分析各相关因素，纪念碑的主体采用钢筋混凝土剪力墙筒体结构体系。纪念碑主体为2.36m×2.36m的正方形剪力墙筒体布置，剪力墙厚度为250mm，在四面剪力墙的交角处均设置了构造边缘转角柱，起到改善受力性能的作用。同时设计在纪念碑主体竖向每隔3m布置一道水平楼板与剪力墙连接成整体，进一步增强结构整体性和稳定性。为较好地满足纪念碑稳定性要求并进一步减少地基承载力弱的影响，纪念碑的基础形式采用平板式筏板基础（见图3—图6）。

4关联性分析

通过以上对于某纪念碑的设计分析可知，纪念性建筑在不同气候环境、不同经济、社会和技术背景下，所采用的材料、结构形式会存在一定的差异。但无论采用何种结构形式均会有特定的建筑材料与之相适应，而新型结构形式的采用则必然会对建筑材料提出更高的新要求，二者相辅相成密不可分。正如在建筑历史长河中逐渐发展成熟的木材对应木结构，砖、砌块、水泥、沙石等对应砌体结构，钢筋混凝土对应框架结构、剪力墙结构及框剪混合结构，钢材对应钢结构等一样，正好形成建筑材料与结构形式一一对应的关系。纵观我国古代建筑历史，建筑用材大多以木材为主，以石材、砖土为辅。究其原因，其一是古代具有保护完好的自然资源，建造者在未遭破坏的自然环境中易于就地取材；其二是木材具有延性等优良的结构性能；其三是木材易于加工，可以按照特定建筑模数定型化批量加工，以及木构件可拆卸和可更换的优越性，大大提高了木结构建筑的建造速度。因此，对于木材建筑材料的选择运用，正是我国古代木结构形式与木材建筑材料相互适应的印证。从结构形式来看，我国古代采用木材建造的梁柱式木结构建筑中，各个构件之间均以榫卯构造连接，构成一个富有弹性的框架整体。榫卯构造节点具有一定程度的可活动性，以及木材自身具有延性的特点，可以把巨大的震动能量在弹性结点上有效消减，从而大大降低地震对建筑的破坏。这对于地震较多的我国大部分地方来说是极为有利的。这也正是木结构建筑在我国古代得以大范围推广的重要原因。由此可见，木结构形式与木材建筑材料的相互依存和密切关联的关系，极大地促进了我国古代各类木构件（建造材料）的创新和发展，并进一步发展成为成熟的木结构建筑形式。

5结语

在众多的建筑设计和建造过程中，无论是大体量、超高层、大跨度建筑，还是精巧如雕塑般的景观建筑，无论是享誉中外的著名建筑，还是默默无闻的一般建筑，最终采用何种建筑材料和结构形式建造，都不能片面地说哪种建筑材料和结构形式是最优的。只有适合的、可持续的才是最好的，只有充分发挥材料自身优势并能与结构形式相匹配，与其所处时代、环境、经济社会和科技发展相适应的才是最优的。现代科学技术的发展为不断涌现的新兴材料提供了广阔空间，也给建筑结构形式的发展带来了无限机遇和挑战。总而言之，在建筑结构形式和材料选择时，我们应当综合考虑建筑所处地理气候环境、建造技术、建筑造型及体量、经济、社会和科技发展条件等诸多因素，才能创造出建筑材料与结构形式完美结合的时代建筑。

参考文献

[1]陈胜疆，关瑞明，季宏．浅谈中西方古代建筑中的“纪念碑性”：兼论中西方文化差异[J]．艺术与设计（理论），2020（03）：74-76．

[2]刘宇鹏，建筑材料与建筑设计关系浅析[J]．现代装饰（理论），2014（02）：42-43．

[3]裴建钊．当代纪念性建筑设计手法初探[D]．西安建筑科技大学，2010．

[4]李恺希．浅谈建筑材料的发展与创新[J]．科技资讯，2018，16（20）：61-62．

[5]阿诺德·汤因比．历史研究[M]．上海：上海人民出版社，2000．

[6]王必刚，王启文，何晓雪，等．渡江战役纪念馆胜利塔结构设计中的关键问题[J]．建筑结构，2011，41（S1）：554-556．

作者:吴昊洲 单位:郑州大学土木工程学院