论文关键词：建筑结构形式　力学原理

　　论文摘要：建筑结构几十万年的发展都遵循着一条力学主线——将弯矩转化为轴力。此主线客观上贯穿了数十万年建筑结构形式的发展。力学建立以前，经过漫长的发展过程,人类不自觉地使用了这条规律，本文发现并通过实例阐述了此规律。一旦掌握了它，自觉地加以运用，就能大大加速建筑科学技术的发展。 

　　建筑业一般来说是国家的支柱产业。建筑工程讲求“美观大方”、“安全可靠”。以往，此两项目标分别由建筑师和结构工程师来完成，实际上建筑工程无论设计得多美，决不能像神话或童话中的“空中楼阁”。现实生活中的建筑工程必须“脚踏实地”，符合力学原理，采用现有材料、符合国家规范要求。如何既“美观实用”又“安全耐久”，既能传达现代生活的感受又能反映当代的思想情操和坚固耐用则是建筑师和结构工程师共同追求的目标。建筑结构是古老专业，有类人猿、人类以来就必须解决“衣、食、住、行”生活问题。上百万年的发展，建筑和结构走的是一条路，没有坚固安全也谈不上美观，这是第一位的。但没有美观实用也不是成功的建筑结构。本文探讨建筑、结构形式变化的内在自然规律即力学原理。
　　
　　建筑、结构形式的发展
　　
　　随着生产力发展，工程分成两个部分：美观实用；安全可靠。由于它们的基础知识、相关学科的巨大差别，逐渐由不同专业人员分别承担设计。第一项“功能美观实用”的基础知识是艺术、美学和建筑功能方面要求的知识，而安全可靠方面的基础知识是力学、数学、材料学、加工制造和施工。学科发展越来越深入、细致，难度越来越大，要求越来越多、越精确。20世纪后期，随着计算机的出现和迅猛发展、有限元计算理论的应用，许多原来不能计算的结构，也都能精确计算。特别是动态分析成为可能。相应的随机振动理论、模糊理论、混沌理论均得到长足发展。建筑结构的分工也越来越明确、清晰。然而，建筑工程越向高度和大跨度发展，要求建筑、结构双方结合越紧密。英国伦敦拟建460m高的“城市生态大楼”。巴西圣保罗拟建495m高的“圣保罗大厦”。澳大利亚墨尔本拟建560m高的“格罗洛大楼”。中国香港拟建574m的“里程碑大厦”。美国芝加哥拟建610m的“迪尔泊恩南路7号大楼”。日本将建世界第一高塔，在东京建707m的电视塔，目前现有最高大厦是马来西亚吉隆坡的双子塔，高度为482m。
　　纵观世界和中国的建筑发展史，即高度和跨度的发展史。主要取决于两个因素：材料的发展(也就是材料性能的发展)和建筑结构形式的发展。对于建筑结构工作者来说，在材性相同情况下，如何设计出高大建筑，笔者认为建筑和结构是走着相同的道路。
　　史前开始，人类用树枝、树干搭建巢窝，挖掘洞穴，“有巢氏”就是此时代的代表人物。进入原始社会，建筑材料多样化，但也无非用容易得到的土、石、竹、木材。随着社会进步，铜、铁、钢、白灰、水泥、塑料、各种织物……才广泛应用。
　　16世纪以前建筑结构形式为堆砌结构、梁(二维)、板(三维)结构、拱结构和悬索结构。但此时的建筑结构全凭经验建造，没有理论指导，可以说是在盲目进行。只有通过漫长的岁月(数十万、数百万年的积累)，通过失败教训和成功经验，才能逐渐掌握建造技术，才能建成既美观实用又坚固耐久的房屋、桥梁。以前人类历史的发展，往往实践超前于理论。
　　进入封建社会，社会财富增加。一部分人可以从事理论工作，将大量的实践经验总结出规律——这样理论就诞生了。随着数学、力学的发展，建筑结构也逐步发展起来，建立了结构学(砖石结构、木结构、钢结构、钢筋混凝土结构、索结构、膜结构等)。现代结构就是在理论指导下，经过分析计算设计得到的。
　　
　　建筑、结构形式的发展遵循同一自然力学规律
　　
　　建筑、结构形式的发展，虽然侧重面不尽相同，但都遵循着同一规律。它们的共同要求是安全可靠。这就脱离不了客观的力学原理。结构物承受着荷载，外荷载产生支座反力、对每个截面产生剪力、弯矩、拉、压轴力、扭矩等。其中最危险的属弯矩，因为它和一对力偶矩等效，即拉、压轴力组成的力偶矩等效。弯矩引起的内力在截面中分布不均匀，靠近中性层的材料不能充分发挥其力学性能。一根竹棍，轴向施加拉力或压力，很难将其折断，但如果横向加力，产生弯矩，则可轻易将其折断。因此，无论有意识或无意识有理论或无理论，建筑结构构件的任一截面必须能承受该截面的剪力、弯矩、拉、压轴力(见图1)才能正常工作。用建筑师和结构工程师熟知的工程力学一般知识，说明建筑结构发展的内在规律——力学原理。1a至 1g表示梁、板→桁架、网架→拱、壳、网壳→索、膜的发展过程和内力分析。1a表示简支梁在均布载荷下的剪力和弯矩图。1b表示梁在集中载荷下的剪力和弯矩图。1c表示矩形截面梁某一截面的内力(正应力和剪应力)分布情况。1d表示桁架在载荷下的剪力和弯矩与截面内力图。图右侧显示任一桁架(或网架)截面产生的内力与荷载产生的弯矩、剪力的平衡图。从总体看，桁架承受弯矩和剪力。但每一构件只承受拉、压轴力。因此桁架的受力较梁合理。1e显示拱、壳截面产生的轴压力N的水平分力Nx和竖向分力Ny。Nx与拱的水平推力H组成一对力偶矩，与截面弯矩M平衡。其竖向分力Ny与截面剪力Q平衡。拱壳从整体看，因其支座水平推力对每一截面产生负弯矩，减少了每一截面总的弯矩。将弯矩转化成为轴压力。因此结构跨度可大大增加。古今中外的建筑结构大师都不约而同地采用了拱、壳结构形式，并创造出许多不朽的建筑精品，形成了一个时代的建筑风格(见图2、3)。进而发展成为如图1f表示的索体系。图右侧表示索的某截面X的轴向拉力N与荷载产生的内力(剪力Q、弯矩M)平衡。索的轴拉力水平分力Nx与支座水平反力H组成的力偶矩与截面弯矩M平衡。竖向分力Ny与剪力Q平衡。对索体系来说，如果不平衡，索体系的几何形状将自动改变，直至取得力的平衡。图1h显示一根索的力学模型——处处为铰链连接的链条。因为索不能承受压力、弯矩、剪力，所以它的各截面相当于由铰链连接。在无自重的自由态，形状不定。在有自重时，即重量延其本身长度均匀分布，其形状为悬链线。若重量延水平向均匀分布，则其形状为抛物线。集中荷载作用下，如图1h5所示。总之，索的力学模型是以铰链连接的构件，其形状与荷载的特点、分布、大小有关。任何截面均不能出现弯矩。也就是说其形状应该与该荷载引起的弯矩图一样。这样才能处处无弯矩。如果有弯矩，索的形状必定继续改变，直至无弯矩。这就是索与其它结构所不同的最大特点，也是优点。为了使荷载变化对结构不致影响过大，需将活荷载限制在一定范围内。对于工业与民用建结构活载所占比例约为10%。还有一点需要说明的是，对于柔性体系(索、膜)，大多数情况下需施加预应力，才有刚度。有时应力是靠外荷载提供的(即重力刚度法)，不同情况不同处理方法。因此索、膜体系是完全另一种建筑结构形式，信捷职称论文写作发表网，设计思路与劲性结构有本质区别。图1g显示按照索特点设计的国际上极为热门的张拉整体结构(Tensegrity structure)、索穹顶、以及我国自行开发研制的劲柔索张拉穹顶结构的示意图。