构件建筑构件构造设计

摘要：建筑构造设计是指把建筑物的构造方案、构件组成、细部构造和它们之间的相互连接有机结合在一起，把建筑设计图变成实体，从而形成建筑物的整体与空间构成。而建筑构件是建筑构造的基础部分，关系到这个建筑的质量。本文主要从材料力学的原理出发，分析了建筑构件在选择材料、确定形状、设计构造等方面的要求和原则。
关键词：建筑构件；构造设计；材料力学原理；
把建筑物的各个关键要素集中在一起，就是建筑构件。简单而言，如果把建筑物看作是一台机器，那么建筑构件就是这台机器当中的零件。这些零件包括屋（楼）面、柱子、墙体、基础等。由此可见，建筑构造设计是整栋建筑的基础和关键。很多建筑物与原来的设计图相差甚远，一些漂亮的设计图在现实中都没有办法得到很好地实施，其中最重要的原因就是建筑工程师没有很好解决建筑构件的构造设计问题。工程师对建筑构件的设计没有一个整体的把握能力，因此设计出来的建筑方案就只能在停留在图案上，而不能落实到实体，只能粗看而不能细看，经不起实践的考验。总所周知，一栋优秀的建筑物，无论是整体空间、外形，还是建筑构件的材料、构造和工艺都必须要良好的。而建筑构件中的材料、构造以及工艺都需要力学原理的理论指导。其中，材料力学是研究建筑中各种材料在不同外力的作用下产生的强度、刚度、应力、应变、稳定以及使各种材料破坏所需要的极限。材料力学是建筑工程设计中必须要掌握的知识和原理，它可以帮助工程师为建筑构件选择最恰当材料，设计最合理的尺寸和形状，从而以最经济的完成建筑物的构建。建筑不仅要坚固、实用，还要有美观、适用的原则，这是早在2000多年前罗马著名建筑工程师维特鲁威就提出了。由此可见，以材料力学原理分析建筑构件的构造设计是非常必要的。

一、选择建筑构件材料

材料力学的研究对象是固体建筑材料，是研究建筑构件在剪切、扭转、拉压、弯曲等不同外力作用下的产生的强度、刚度、应力、应变、稳定以及破坏所需要的极限等材料力学性能（或机械性质）。根据不同材料的不同机械性质，我们可以为建筑选择最恰当的建筑构件材料。在进行建筑构造设计时，选择的构件材料除了要在质感、色彩、物理性质、化学性质等方面满足要求以外，还要对材料的力学性能进行充分的考量，尤其是选择用来承重主体的材料。
对于用来承受拉压外力的材料的选择，最重要的是考虑构件材料内部对拉压外力引起的反向应力。在目前的建筑业来讲，钢材的抗拉能力与抗压能力是最为接近的，所以钢材是现代建筑中最为理想的构件材料。砖头的抗压能力远远大于抗拉能力，因此砖头长久以来被用来当做墙体材料和建筑基础。而混凝土是易脆性材料，只能抗压而不能抗拉，所以混凝土是在钢筋混凝土技术发明后，才在现代建筑中被广泛使用。木材是最古老的建筑材料，在上述所有材料尚未被人们发明之前，建筑物的构件材料主要是木材，尤其是在中国，几千年来的房屋梁柱的基本构架几乎都是木材。木材的纤维是沿着树木呈纵向平行排列的，因此木材的综合抗拉压能力是比较好的，但是就单一方面来讲，不及砖头、混凝土等材料。因此，综合来讲，钢材、砖头、混凝土和木材，每一种材料都有其各自的抗拉压能力的优缺点，所以现代建筑物中，一般不会只运用一种材料，往往是不同性质的材料结合在一起，让各种材料发挥各自的力学性能、物理性能和化学性能，让建筑构建达到最佳效果。这也是建筑工程师选择构件材料时的主要研究任务。

二、设计建筑构件的形状

马可·维特鲁威(Marcus Vitruvius Pollio),古罗马的御用建筑师和工程师，总结自身建筑经验写成了最早的建筑名著——《建筑十书》，他在书中提出：建筑设计的三个主要标准是有用、持久和美观，维特鲁威还认为建筑是源于对自然的模仿，就像鸟、蜜蜂筑巢一样， 人类也在自然界中获取材料建造建筑物来保护自己。而美观，维特鲁威还发明了科林斯柱式、爱奥尼柱式、多立克柱式等多种建筑形状。另外，他还首次把人体的自然比例应用到建筑的丈量上，认为建筑最美的比例是人体的比例。由此可知，对建筑物形状的研究与追求是自古以来就被建筑师所关注的。
所有的建筑物都要经受雨雪、温度、风力和地震等自然因素的考验，另外还有自身重量的问题，因此建筑物的构件会受到各种程度的受力和变形。如果变形过大，建筑物就会倒塌。所以控制了建筑构件的变形，就是控制了这栋建筑物的变形。从理论上看来，建筑构件的尺寸越大，那么构件的刚度就会越大，这个构件就越不容易变形。但是这样的话，整个建筑物的形体就会越大，影响了美观，其次占领的空间也会越大，现代城市用地紧张，所以这种构件不符合城市现代化的发展要求。而且构件尺寸过大，购写的经费也就越多，不符合建筑单位的经济发展。“以最经济的代价，为构件确定合理的形状和尺寸”，这是材料力学的基本任务。建筑构件在剪切、扭转、拉压、弯曲等外力作用下，会在内部产生一种正应力以及剪应力，建筑构件中的截面尺寸参数都会在材料力学的应力公式中涉及，而这些参数就是工程师在设计建筑构件形状时的主要依据。
如果构件单纯地只受拉压外力影响，那么在设计时，截面尺寸均匀不变可以确保构件的各个横截面承受的应力相同。但是这种情况是很少见的，在实际的建筑中，构件一般会受力偏心，所以轴对称圆横截面是最为理想的，两个方向对称的正方形横截面也是比较好

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的。其次，如果是杆件单纯地受压，那么杆件的长细比就要考虑了，即杆件截面尺寸与长度之间必须要互相适应，恰到好处，过长的杆件会导致建筑受力不当，失去稳定性，也就是说构件在还没有达到临界的刚度和强度时就已经弯曲、变形，不可恢复，失去支撑的能力。所以，如果建筑工程师缺乏经验，有刚度和强度的概念，但是对构件稳定性估计不足，尤其是不能把握薄壁构件的稳定性，就会出现工程事故。柱子形状经典、美丽是古希腊和古罗马建筑闻名于世的原因。这些柱子存在了几千年，从柱端到柱础，由细到粗，建筑设计师除了要考虑构件的支撑负荷，还要考虑建筑逐渐增加的自重。把美观与稳定、耐用完美结合在一起，这种构造是非常值得后代建筑工程师学习的。
建筑构件相互之间的连接处通常会受到集中力与反力这对剪力的作用，而这种剪力通常会产生剪应力。把建筑构件的长度加长来抵抗这种剪应力是不行的，抵抗这种剪应力的唯一办法就是加大构件受力地方截面的面积，而且截面的形状要尽量对称，正方形、圆形或者接近正方形的矩形都是抵抗剪应力的理想形状。例如，工厂中的单层厂房，我们通常会看到排架结构上的牛腿，这就是用来承受吊车轨道梁传送过来的剪力，所以这些牛腿会非常粗壮，而且短，可以稳固地立在柱子上，把巨大的剪力分担给柱。而高层建筑通常采用的是互相贯通但横截面不变的剪力墙，以此来抵抗构件百分之七八十的水平负荷。
在实际的生活中，大部分的建筑构件如屋面、屋梁、楼板、楼梯、阳台等，在实际的工作中，都会产生不同程度的弯曲变形，甚至连门窗框都会产生这种变形。虽然这种弯曲变形的情况是非常常见的，但是不同的构件形状和受力方式会导致建筑产生不同的弯曲变形，从而影响这栋建筑质量。一般来说，纯弯曲的时候，构件横截面就只受正应力的影响；而横力弯曲的时候，建筑构件的横截面就会受到正应力与剪应力的共同作用。所以，轴对称的横截面的弯曲构件是最理想的，截面的材料要尽量在远离中心轴的地方，因此，T型、工字型和方管型是最好的弯曲构件截面形式。另外，因为在实际运行中，纯弯曲构件是很难实现的，横截面的剪应力随时会使构件腹壁失去稳定性，圆形的截面材料会过度集中在中心轴上，不能发挥效用，所以在现代建筑中，一般采用的是矩形截面的弯曲构件。