建筑工程技术毕业设计（论文）-现代钢结构建筑的美学表现研究.doc

西南交通大学毕业论文 题 目：现代钢结构建筑的美学表现研究 院 系：西南交通大学科技学院 专 业：建筑工程技术 姓 名： 指导老师： 西 南 交 通 大 学 成 人 教 育 学 院院系: 西南交通大学科技学院 专 业： 建筑工程技术 年 级：2009级学号: 20101982 姓 名： 陈彦新 论文题目： 现代钢结构的美学表现研究 指导教师评 语 是否同意答辩 过程分(满分20) 指导教师 (签章) 评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩组组长 (签章) 年 月 日 目 录第一章 绪论 51. 选题背景 51.2课题研究的学术意义和实用愈义 71.3研究的内容 9 第二章 钢结构建筑的发展现状 102.1钢结构建筑的历史沿革 102.2钢结构建筑的发展现状 112.3钢结构建筑面临的问题 13第三章 现代钢结构建筑的美学表现理论153.1材料的美学表现理论 153.2节点的美学表现理论213.3刚材与钢结构构件 26第四章 现代钢结构建筑的美学表现实践 304.1 央视新大楼304.2 国家大剧院 31结论 35参考文献37致谢 38 摘 要 自1996年国家出台鼓励在建筑中用钢的政策后,我国的钢结构建筑已在建筑中占有很大份额,但是我国当前钢结构建筑的美学表现研究还远滞后于实际的需求。 钢材是加工制造钢结构构件的基本材料,钢结构构件是通过钢结构节点的有效连接建造钢结构建筑的基本单元。钢结构节点、钢结构构件乃至钢结构建筑都是建立在建筑材料钢的基础上的。因此为分析现代钢结构建筑的美学表现,本文采用“化整为零”的方法把钢结构建筑划分为材料、节点、构件和体系四个方面,分别研究了这四个方面在钢结构建筑美学表现中的作用和特点,进而采用“化零为整”的方法得出现代钢结构建筑的美学表现的一些结论。 文章列举了我国近期涌现出来的堪称世界级的优秀钢结构建筑作品：新央视大楼、国家大剧院、国家体育场等等,分别从材料、节点、构件和体系四个方面详细分析阐述了钢结构建筑的美学理论在实际工程中的运用和体现。本文最后列举了作者多年设计工作中完成的一些钢结构建筑的工程实例,详细阐明了在具体的工程设计中,钢结构建筑的美学理论与工程实践有机结合,在实际工程设计中得到较好的应用和展现。 论文认为,钢结构建筑的美学表现是材料、节点、构件和体系的共同作用的结果。钢结构建筑最能体现结构技术与艺术的完美结合。从结构工程师的角度,探讨钢结构建筑的美学表现方法,分析钢结构建筑所表现出来的理性和功能、结构造型和建筑美学的统一性。关键词: 钢结构建筑、美学表现、材料、节点、构件第一章 绪 论1.选题背景世界现代钢结构建筑正在创造着我们这个时代的建筑奇迹。从简洁规划的“水立方”（图1.1）到形态怪异的中央电视台新大楼（图1.2）从庞然粗狂的“鸟巢”（图1.3）到法国美观的埃菲尔铁塔（图1.4）世界现代钢结构建筑创造出了风格各异、千姿百态的建筑形象。 然而，我国在建筑中大面积应用钢结构的时间只有区区十几年。其原因在新中国成立第一年我国钢产量只有15.8万吨;新中国成立后，经过第一个五计划1957年钢产量达到535.5万吨，此后由于在20世纪90年代以前我国的济基础较为薄弱以及钢产量较低，所以国家一直限制在建筑中使用钢结构2。到1996年我国钢产量突破亿吨大关，达到10124万吨，跃居世界第一位。为鼓励建筑业使用钢材，同年颁布的中国建筑技术政策(19%一2010)才制了合理利用钢材和积极采用钢结构的技术政策，原国家建设部及原国家冶金工局也专门成立了建筑用钢领导小组。至此，我国才在建筑中大面积应用钢结构与之对应的是，我国在钢结构的建筑设计中关于其美学表现的研究亦起步较晚建筑美的最高境界是体现人类的存在价值以及强化人类存在的根基，本质上是栖居空间的艺术创造。当代建筑美学思潮多元混杂，流派纷呈，莫衷一是且美学价值标准迷失，人们感到无所适从。目前，我国大型的钢结构建筑的建筑设计主要呈现完全依赖外来建筑师或由中外建筑设计单位组成的联合体共同设计，前述的中电视台的新大楼的建筑方案采用由荷兰大都会建筑事务所首席设计师库哈斯担纲的方案，2008年奥运场馆由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司与中国建筑设计研究院组成的联合体设计。同样地，我国当前的钢结构建筑的美学表现尚在吸收学习阶段，而面对国外已有的纷繁复杂钢铁建筑形态往往难于取舍，更逞逞设计与创新。究其原因，主要是缺乏对国外现有钢结构建筑形式的归纳与学习，在标新立异的心态怂恿下，混乱与拼凑的钢结构建筑形态也应运而生，这大大削弱了钢结构建筑所应具有的魅力。 综上所述，现代钢结构建筑在我国的应用将呈现日益广泛的局面，而我国当前的钢结构建筑的美学表现研究却十分滞后于建筑设计的要求。因此，基于钢结构建筑的组成系统材料、节点、构件、体系四个方面研究我国现代钢结构建筑的美学表现不但具有学术意义，同样具有实用意义。1.2 课题研究的学术意义和实用愈义1.2.1学术意义 在人类奔腾不息的文明长河中，建筑如实地记载了人类历史发展的脚步。建筑不仅是人类遮风蔽雨的物质存在方式，而且也是人类高蹈的精神寓所，更是一门具有独特魅力的艺术，它是人类精神、情感直接建构与传达的物态方式，是文化总体中不可或缺的重要组成部分。 建筑是一门具有独特魅力的艺术，主要是指由建筑材料和结构营造出来的建筑的美，即建筑美。关于建筑美的论述，古今中外有建树者颇多。古罗马军事工程师维特鲁威的建筑十书是建筑美学开山论著，是真正从建筑意义上提出建筑美的概念，提出了著名的、对今天仍有重要影响的“实用、坚固、美观”的建筑美学原则。1923年柯布西耶在其具有划时代意义的走向新建筑中指出“在这个破旧立新的时代里，建筑学的第一要义，就是改变价值取向”，由于柯布西耶以犀利的文笔提出了“机器美学”的论断“住房是居住的机器”，因此他的这本著作被认为是现代建筑美学对传统美学的彻底革命。而20世纪美国得托伯特·哈姆林在其编著的(2O世纪建筑的功能与形式的第二卷“构图原理”(中译本建筑形式美的原则)中发掘了建筑美所必需的和起主导作用的形式美的规律:统一与变化;主与从;对比与微差;均衡与稳定;比例与尺度;节奏与韵律等，这几乎成为了建筑形式美学的金科玉律。在中国，建筑美的特征首先为“和谐美”，这是由于其深受中国传统文化之濡染，是“天人合一”哲学思想在建筑艺术中的集中反映和体现3l。建立在“天人合一”基础之上的中国建筑艺术的和谐美，影响到营造观念的各个方面，指导着建筑的选址、规划、布局和形制。其次，我国的建筑美的特征为“尚中”情节，其集中体现在对中轴线意识的强化和运用。中轴线南北贯穿，建筑物左右对称，秩序井然，表现了葱郁清醒的现实理性精神，成为中国古代建筑文化的一大传统。对此，梁思成有过高度的总结:“以多座建筑合组而成之宫殿、官署、庙宇，乃至住宅，通常均取左右均齐之绝对整齐对称之布局。庭院四周，绕以建筑物，庭院数目无定。其所最注重者，乃主要中线之成立。一切组织均根据中线以发展，其布置秩序均为左右分立，适于礼仪之庄严场合;公者如朝会大典，私者如婚丧喜庆之属。 此外，建筑美学还是一种重要的社会文化，是人类的理想与意志的外在体现，也是时代特征和地域文化的有机结合。同时，建筑美学也应与社会生产力的发展以及当代科学技术水平密切相关。现代建筑运动的代表人物柯布西耶(L.Cothusier) 在走向新建筑一书中犀利地指出，“建筑形象应该是新的，应该具有时代性，同历史的风格迥然不同，因为我们所处的时代不断地创造并决定着自己的风格”。因此，我国现代钢结构建筑应在我国当前社会和历史发展的大环境下，应该跟上技术发展的步伐，我们应充分利用对技术的驾驭能力，使其在建筑的活动中充分体现出来。1.2.2 实用意 我国现代钢结构建筑不乏一些超高层、超大跨的具有世界影响力的建筑，如许多建筑界专家都认为，“鸟巢”不仅为2008年奥运会树立一座独特的历史性的标志性建筑，而且在世界建筑发展史上也将具有开创性意义，将为21世纪的中国和世界建筑发展提供历史见证;因此，探究我国现代钢结构建筑的美学表现的实用意义有：(l)继承和发扬我国传统建筑的精髓，积极吸收世界建筑文化有益成分，充分体现当代建筑的哲学和艺术精神，对古往今来人类所创造的一切优秀审美文化进行融合、总结和发展，形成具有我国特色的现代钢结构建筑的美学表现手法，促进我国现代钢结构建筑美的评判标准; (2)形成我国符合时代精神的大众建筑审美意识，有助于正确处理“实用”、“经济”和“美观”对立统一关系，避免浪费，引导健康的现代钢结构建筑发展理念和基本建设的正确走向，促进人类可持续发展; (3)对从事现代钢结构建筑的建筑师而言，美学表现为其审美价值尺度的创作提供了技术和艺术保障，有助于建筑师把握美学理论，实现社会和个人价值;对城市经营和管理者而言，可以拓宽审美视野，赋予美的智慧启迪;对社会而言，现代钢结构建筑的美学表现不仅可以引导人们对建筑的审美判断与欣赏，而且提升人们的建筑审美水平，并产生认同感，是人类认识自身的重要途径; 贝幸铭曾指出:“我们不能每有新建筑都往外看，中国建筑的根还在，还可以发芽。当然，只寻历史的根是不够的，还要现代化。有了好的根可以插枝，把新的东西，能用的东西，接到老根上去。”1.3研究的内容 本文基于钢结构建筑的组成系统一材料、节点、构件、体系四个方面，分别研究材料、节点、构件、体系在现代钢结构建筑的美学表现中的特点、作用，以及在建筑设计中如何处理好材料、节点、构件、体系四者的关系以更好地为现代钢结构建筑的美学表现服务。第二章 钢结构建筑的发展现状2.1钢结构建筑的历史沿革 公元前1世纪，一位名叫马库斯.维特鲁威.波利奥(MareusVi位uvlusPolllo)的罗马人写了一部最早记录建筑演变的典籍，在这本著作中作者认为最早的遮蔽物是这样建造的:先竖立起叉状柱杆，再将灵活的小树枝搭在其间，然后在墙面上涂抹泥浆这便是组合构筑物最早的形态，也是人们熟知的抹灰篱笆墙，它在前工业社会乃至现在仍在全世界广泛使用4。在如上所述的最早的建筑物出现之后，世界各地分别出现了具有当地特点的建筑材料用以建造房屋:在中国和日本，几乎所有有价值的建筑物是以木材为主要的建筑材料;在欧洲，建筑与普通的居民生活住房不同所使用的材料主要是石材。 薪土是一种比木材更为普遍的建筑材料。经过挖掘、夯实、晾晒以及烘烤等多种加工工序，赫土制成了世界上最大量的建筑产品，最近大致估计的数值显示目前有将近1/3甚至一半的人群任然居住在勃土制成的房屋中。 钢的出现给建筑带来了新的生机。1720年，在Coalbrookdale亚伯拉罕·达贝尔用焦炭代替木炭在高炉中炼铁，首次获得了成功，确立了大量生产铁的条件。由于搅炼工序的技术革新，到1784年，就有可能再次把焦炭用来使生铁转为熟铁，这就降低了铸铁中的含铅量。1855年亨利·贝斯麦(He刊卿Bessemer)发明了转炉，1864年西门氏一马丁(Siemens一Martin)法或平炉冶炼法问世，随即开始了软钢时代。 钢筋混凝土作为建筑材料起源于1824年英国人LAsPdin获得波特兰水泥专利，而1867年法国人约瑟·莫尼尔首先采用钢筋混凝土而获得专利的殊荣开始，至今还未满150年的历史。 然而，即使如此钢结构建筑仍然以其独到的魅力被历届世博会所青睐。1851年英国为第一届世博会(当时正式名称为“万国工业博览会，)在伦敦海德公园内建造了展馆建筑一水晶宫，(图2.1)，其共用去铁柱3300根，铁梁2300根，玻璃9.3万平方米，从1850年8月到1851年5月，总共施工不到九个月时间。水晶宫的圆拱式屋盖，虽然没有了歌特式建筑“刺破青天愕未残”的外部造型，但是，人们仍然能够从那罗马式的半圆形拱券上，感受到一切朝向上帝的宗教精神，因为那透明的圆拱式玻璃屋顶，更便于人们与上帝神灵的沟通;看一看空旷直达透明玻璃屋顶的大厅，“一片晶莹，精彩眩目，高华名贵，璀璨可观”，仍然使人回味起中世纪教堂的祈祷大厅;环绕大厅的柱廊，虽然失去了古希腊柱式和古罗马柱式的风采，但是，人们仍旧能够感受到欧洲古典建筑内部空间的宗教气氛;彩色玻璃幕墙上的多彩图案，虽然没有了欧洲古典主义建筑的浮华雕塑，但是却也能够勾起人们对欧洲古典建筑壁画的遐想这就是一种文化的精神，它可以在古典主义的砖石艺术中得到展示，也可以在现代工业化材料、工艺和设计中得到体现。而这些建筑美及其精神的体现，主要依赖于英国园艺师J.帕克斯顿大胆采用了新材料钢材，大胆按植物园温室和铁路站棚进行了建筑设计，其意义除了摈弃了古典主义的装饰风格，还向人们预示了一种新的建筑美学质量，是以轻、光、透、薄等特点开辟建筑形式新纪元的纪念碑式建筑。图2.1 1851年伦教世博会一“水晶宫”2.2钢铁建造的发展现状现代钢结构建筑呈现着刚的多样化及体系多样化的特点从建筑用钢方面讲，不但有碳素结构钢、低合金高强度结构钢，还有焊接结构耐火刚、高耐候结构钢、船体用结构钢等特殊用途结构刚，此外不锈钢也在现代刚结构中广泛应用。从结构体系方面讲，大跨度空间结构体系是结构方面近50年来最活跃的研究领域，其结构形式经历了由传统的梁肋体系、膜结构体系、析架体系、薄壳空间体系，到现代的网架、霹壳、悬索、悬挂(斜拉)、充气结构、索膜结构、各种杂交结构、可伸展结构、可折叠结构以及张拉集成结构等。此外，由于新的结构体系总是产生新的建筑形式，从西方建筑发展史可以看出任何一种结构体系与基于此结构体系的建筑形式间的关系都存在一个如下所示的演变过程:结构作为建筑一结构产生建筑形式一经过装饰的结构一结构被接受结构作为装饰物一结构被忽视。对于钢结构的建筑美学表现，亦不出此列。    本工程斜交网格外筒钢结构主要采用三台 M900D 塔吊进行分段散件吊装，按照起重性能和焊接操作空间，对外筒柱进行合理分段。钢柱分节点柱和非节点柱（即直段）两种形式，三台塔吊分区作业，钢柱吊装至就位位置后，安装上临时连接螺栓，通过倒链缆风绳、千斤顶等调节措施，在全站仪的观测下，完成钢柱校正并焊接，并及时连上直段钢柱上主次钢梁及环梁，校正后进行焊接。然后进行钢管混凝土浇筑。  2.3钢结构建筑面临的问题钢结构建筑在当代虽然呈现出了异常繁荣的景象，但由于一些特殊的原因，尚存在以下问题:(1)在材料的美学表现上，过多依赖于玻璃幕墙、石材幕墙等幕墙材料，而忽略了一些特殊用途结构钢和不锈钢在现代钢结构建筑中的材料表现所呈现效果;(2)在节点的美学表现上，建筑师对节点的构造关注较多，对节点与构件的尺对比，以及在弱化节点体量以与构件的尺度相匹配上缺乏尝试;此外，从钢结构的节点构成的“点系”出发探讨钢结构节点所表现出的美学缺乏深入研究;(3)在构件的美学表现上，建筑师过多地倾向于构件形状所表现出来的美学特征，有时甚至不惜提高结构造价的代价增大结构构件的尺寸，有时则不惜牺牲结构安全性采用较为纤细的构件以表现构件的力度美;(4)在体系的美学表现上，单一的结构体系或组合的结构体系己不能满足建族师越来越高的美学表现欲望，如何把各种结构体系杂交或创造出新的结构体系，是摆在当代建筑师面前的一个非常重要的课题。就我国而言，尽管改革开放以来，我国钢结构建筑创作十分繁荣，不少优秀作品相继问世，但应该看到，我们在材料、工艺、设计手段等方面与世界先进水平相比，还存在着不的差距，特别是在建筑设计技术表现方面，更是一直处于较为落后的状态。这一方面是由于我国建筑创作相对来说受文化思潮的影响较大，体现高科技建筑材料和新施工工艺的应用也较少，许多建筑形象流于表面，缺少时代特性，不免令人为之遗憾;另一个重要的原因是由于长期以来，建筑设计与结构设计和设备设计相脱节，使得发挥材料特性的结构表现变得非常困难。第三章 现代钢结构建筑的美学表现理论3.1材料的美学表现理论材料是影响建筑形式与风格变革的第一要素。在漫长的建筑发展历程中，建筑的形式与风格的每一次大的的变迁，无不伴随着相应的材料技术变革。可见，材料的变革无疑是左右建筑发展的最根本因素，会给建筑的各个层面带来革新。建筑师只有掌握材料的相关技术、材料的物理、化学特性以及它们的制作工艺，才能随心所欲的使用它。现代建筑大师密斯气凡·德·罗在谈到材料对于建筑的意义时这样说到，“每一种材料都有着具体的自己特征，如果要使用它，我们就必须去仔细理解它，这一点对钢材和混凝土是千真万确的(木材、砖和石头也不例外)。我们必须记住的是任何建筑依赖于我们如何去利用材料，而不是材料它自己会怎样。新的材料不一定就优越。每一种材料只不过是我们怎样去生产了它。我们必须像对建筑的功能了解那样去熟悉每一种材料”。密斯还说:“只有通过材料的特性来提取其精华时，他们(建筑师)才能使对比、节奏、平衡、比例、尺度等抽象因素变为现实;这些因素只有以适当的方式在那些材料中表现出来，并且与作用在它们上面的各种力量取得和谐时，这些因素才能存在”。由此可见，对钢材特性的准确把握，是建构钢结构建筑的美学表现的基石，建筑师只有进一步探索和丰富对钢材特性的了解程度，才有在钢结构建筑中实现建筑美的表现的可能性。3.1.1结构钢的种类和牌号对建筑师而言，为了能完美地表达钢结构建筑的美，合理选择实现建筑美的钢材，其不但要准确把握钢材的特性，还需要熟悉钢的种类和牌号。钢的种类是指按表3.1所示的不同分类方法对钢产品(一般指钢锭)进行分类而得的钢的类别，每一种分类方法都把钢产品分为若干种类的钢。钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一共同语言。我国现行国家标准钢铁产品牌号表示方法(GB/T221一2000)规:钢铁产品牌号的表示，一般采用汉语拼音字母，化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示，即: (l)钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如Si，Mn，Cr等。混合稀土元素用“RE”(或“Xi，)表示。(2)产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音的缩写字母表示。(3)钢中主要化学元素含量(%)采用阿拉伯数字表示。 需要指出的是，对于每一种具体钢产品，表示其种类的牌号是不同的钢的分类方法的综合体现。例如:Q235AF钢是碳素钢、沸腾钢、普通钢、结构钢。我国现行结构钢的国家标准有:碳素结构钢(GB汀700一2006)和低合金高强度结构钢)(GB汀1591一2008)。国家标准碳素结构钢(GB/T7OO一2006)包含的结构钢有4种，即Q195钢、QZ巧钢、Q235钢和Q275钢。碳素结构钢的牌号由代表屈服强度的字母、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号等4个部分按顺序组成。例如:Q235AF。碳素结构钢的牌号中的符号含义为:Q一钢的屈服强度“屈”字汉语拼音首位字母;A、B、C、D一分别为质量等级，由A到D表示质量由低到高。A级钢只保证抗拉强度、屈服强度、伸长率凡，必要时尚可附加冷弯试验的要求;B、C、D级钢均保证抗拉强度、屈服强度、伸长率占5、冷弯和冲击韧性等力学性能;碳、硫、磷、硅和锰(A级钢的碳、锰含量可不作为交货条件)等化学成分的含量必须符合相关国家标准的规定。F一沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母;Z一镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母;TZ-特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母。在牌号组成表示方法中，“Z，、“TZ，符号可以省略国家标准低合金高强度结构钢(GB汀1591一2008)包含的结构钢有8种，即Q345钢、Q390钢、Q420钢、Q460钢、Q500钢、Q550钢、Q620钢、Q690钢。低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的字母、屈服强度数值、质量等级符号三个部分按顺序组成。例如:Q345D。低合金高强度结构钢的牌号中的符号含义为:Q一钢的屈服强度“屈”字汉语拼音首位字母;345一屈服强度数值，单位MPa。D一质量等级为D级;当需方要求钢板具有厚度方向性能时，则在上述规定的牌号后加上代表厚度方向(Z向)性能级别的符号，例如:Q345Dzzs。对于上述12种结构钢，我国现行国家标准钢结构设计规范(GB50017一2003)中仅推荐使用碳素结构钢Q235和低合金高强度结构钢Q345、Q390和Q420。此外，不锈钢作为建筑材料正日益广泛。使用越来越广泛有着多方面的原因，其中包括对材料更好的了解、企图更新某些设计，设想生产出一种既耐久又无需维护的结构材料等。3.1.2 结构钢的物理性质 结构钢作为建筑材料，首先是其具有优良的力学性能。钢的力学性能主要由下列指标衡量: (l)抗拉强度认):表示钢材断裂前所能承受的最大应力，是钢材抵抗脆性断裂和大量变形后抗拉能力的最大指标; (2)屈服点铸):是衡量钢结构构件的承载能力和确定其强度设计值的重要指标，设计中常以其作为钢材强度的设计值; (3)屈强比吠/寿):是衡量钢材延性的标志，通常认为当其值大于1.08时，钢材具有足够的延性; (4)伸长率(6):是衡量钢材塑性性能和钢材承受巨大变形时抵抗断裂能力的一个指标，通常规定65不得小于10%，此时认为钢材具有足够的延性，其中伸长率和试件标距的长短有关，当试件长度与试件直径之比为5时，以占5表示伸长率; (5)冷弯性能:是衡量钢材的塑性、焊接性能和冷加工性能的一个综合性指标，对冷弯型钢而言，影响更为直接。 (6)冲击韧性:是衡量钢材抵抗脆性破坏的一个指标。 除以上关于结构钢的力学性能外，结构钢还有可焊性的要求。钢的可焊性是指焊接钢材在采用一定的焊接工艺方法、工艺参数、焊接材料以及结构型式等条件下获得优质焊接接头的难易程度。用同一种钢材，采用不同的焊接方法或焊接材料，者在不同的结构型式下，其可焊性往往差别很大。 结构钢的物理性能还表现在其质地和色泽上。结构钢质硬而带有银白色的金属光泽而过了不久以后，铁和水中的氧开始化合，形成氧化铁，即铁锈。水滴将变成微红色，铁锈则悬浮在水中。当水滴蒸发的时候，铁锈留在表面上，形成了微红色的锈层。这种结构钢的表面与大气中的氧、水分及其酸、碱、盐等物质发生化学作用或电化学作用后的变色或腐蚀称为锈蚀。铁锈是一种松脆多孔的物质(图3.1)，它不能保护里层的铁不被锈蚀，因此时间久了，钢铁制品就可能锈蚀成一堆无用的废品。尤其严重的是，钢铁在含有酸气、氯气的水蒸气中，或接触电解质溶液时，锈蚀得特别快。据统计，每年世界上都有几千万吨钢铁变成了铁锈，而钢铁制品遭破坏而引起的停工减产、产品质量下降、环境污染、危害人体健康，甚至造成严重事故的损失是无法估量的。所以钢结构建筑的防腐问题一直以来被钢结构从业人员倍加关注。图3.1铁锈图片 当温度升高时，结构钢的屈服强度、抗拉强度和刚度(弹性模量)等均趋于降低当温度在150以下时，结构钢的这些力学性能的变化不大;当温度在250左右时，钢材的抗拉强度反而有较大的提高，但伸长率和冲击韧性变差，钢材在此温度范围内呈脆性破坏特征，这种现象称为“蓝脆”(表面氧化膜呈现蓝色)当温度超过300、时，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量开始显著下降，而伸长率明显增大，钢材产生徐变;当温度超过400时，钢材的强度和弹性模量都开始急剧降低;当温度达到600时其强度几乎完全丧失。 正是由于结构钢较容易发生锈蚀以及高温对结构钢力学性能的影响较大，钢结构建筑中通常要在构件和部件表面涂刷防腐涂料和防火涂料，图3.2中深色的钢结构构件为涂刷了钢结构防腐漆后的构件，浅色的钢结构构件为涂刷了钢结构防火涂料的构件。由此可见，结构钢的光亮的银白色色泽在钢结构建筑中一般是被完全覆盖了的。图3.2钥结构构件的防腐与防火 焊接结构用耐候钢亦称耐大气腐蚀钢，其生产是在钢中加入少量的合金元素(Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等)，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材的耐候性能，同时保持钢材具有良好的焊接性能。高耐候性结构钢的生产是在钢中加入少量的合金元素，如Cu、P、Cr和Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材的耐候性能。这类钢的耐候性能比焊接结构用耐候钢好，所以称作高耐候性结构钢。焊接结构用耐候钢和高耐候性结构钢都是特殊用途结构钢，其力学性能基本与对应的低合金高强度结构钢的类似，但是通过加入妮、铝、磷、钦等耐候性元素，使钢铁材料在锈层和基体之间形成一层约50100卿厚的致密且与基体金属粘附性好的氧化物层。这一特殊致密氧化层具有稳定、均匀的自然锈红色。 从加工性能方面讲，含铬不锈钢还集机械强度和高延伸性于一身，易于部件的加工制造;从色泽方面讲，不锈钢的表面可以是高反射的或是无光泽的，光面的、抛光的或压花的，着色的、彩色的或甚至是涂铅锡合金以产生类似于铅的外观的。 由于特殊用途结构钢和不锈钢的表面不需要涂刷防腐漆和防火涂料，因此给建筑师在钢结构建筑中表现材料的美学带来了福音。3.2 节点的美学表现理论3.2.1钢结构的连接方式 从钢结构建筑的连接历史来看，连接方法可分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接等(图3.3)。 (l)焊缝连接 焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法。其优点是:构造简单，任何形式的构件都可直接相连;用料经济，不削弱截面;制作加工方便，可实现自动化操作;连接的密闭性好，结构刚度大。其缺点是:在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆;焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低;焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出。 (2)铆钉连接铆钉连接的制造有热铆和冷铆二种方法。热铆是由烧红的钉坯插入构件的钉孔中，用铆钉枪或压铆机铆合而成。冷铆是在常温下铆合而成。在建筑结构中一般都采用热铆。如兰州的中山桥(图3.4)和上海的外白渡桥(图3.5)都是采用热铆连接的桥梁。铆钉连接的质量和受力性能与钉孔的制法有很大关系。钉孔的制法分为I、n两类。I类孔是用钻模钻成，或先冲成较小的孔，装配时再扩钻而成，质量较好。11类孔是冲成或不用钻模钻成，虽然制法简单，但构件拼装时钉孔不易对齐，故质量较差。重要的结构应该采用B类孔。 铆钉打好后，钉杆由高温逐渐冷却而发生收缩，但被钉头之间的钢板阻止住所以钉杆中产生了收缩拉应力，对钢板则产生压缩系紧力。这种系紧力使连接十分紧密。当构件受剪力作用时，钢板接触面上产生很大的磨擦力，因而能大大提高连接的工作性能。 (3)螺栓连接 螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。 1、普通螺栓连接 普通螺栓分为A、B、C三级。A级与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8级。 A、B级精制螺栓是由毛坯在车床上经过切削加工精制而成。表面光滑，尺寸准确，螺杆直径与螺栓孔径相同，但螺杆直径仅允许负公差，螺栓孔直径仅允许正公差对成孔质量要求高。由于有较高的精度，因而受剪性能好。但制作和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采用。 C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。由于螺栓表面粗糙，一般采用在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成的孔(n类孔)。螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大1.5一3。对于采用C级螺栓的连接，由于螺杆与栓孔之间有较大的间隙，受剪力作用时，将会产生较大的剪切滑移，连接的变形大。但安装方便，且能有效地传递拉力，故一般可用于沿螺栓杆轴受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。 2、高强度螺栓连接 高强度螺栓分大六角头型(图3.6a)和扭剪型(图3.6b)两种。安装时通过特别的板手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力。高强螺栓的预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的磨擦力，外力通过摩擦力来传递。这种连接称为高强度螺栓摩擦型连接。它的优点是施工方便，对构件的削弱较小，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性好，包含了普通螺栓和铆钉连接的各自优点，目前己成为代替铆接的优良连接形式。另外，高强度螺钉也可同普通螺栓一样，允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力。这种连接称为高强度螺栓承压型连接。摩擦型连接的栓孔直径比螺杆的公称直径d大1.5一2.Ornrn;承压型连接的栓孔直径比螺杆的公称直径d大1.0一1.smrn。摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，特别适用于随动荷载的结构。承压型连接的承载力高于摩擦型，连接紧凑，但剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构中。图3.6高强度螺栓3.2.2 刚结构节点与刚结构连接 钢结构节点作为钢结构建筑的重要组成部分，在钢结构建筑中发挥着极为关键的作用。 钢结构的节点通常包含了被连接构件(端部)、节点区、连接件或连接材料(焊缝、螺栓、锚栓、紧固件、拼接板或其他部件)等部分，因此钢结构节点是指将2个或2个以上钢结构构件连接起来的部位，或指钢结构构件与基础或非结构构件连接的部位。由此我们可以看出，钢结构连接与钢结构节点是完全不同的两个概念，连接是一种形成构件连续化的施工方式，而节点是包含连接方式在内的一个区域。故对于因钢板长度不够，将2块钢板采用对接焊缝拼接而产生的拼接处称为连接接头;同样地，对于3块钢板用焊缝连接成为工字形截面，腹板与翼缘的连接处也不是我们定义中的节点。 钢结构节点的分类有: (l)按结构体系区分的节点形式 平面析架节点，主要有弦杆与腹杆的连接节点、析架与柱(屋架与排架柱、屋架与抗风柱、墙柱)的连接节点。当然，在平面析架中也存在着三维节点，如与水平支撑和竖向支撑连接的节点，但这种三维节点仍可做一些简化而看做平面节点。 空间析架、网架、网壳等的节点，主要有空间析架杆件间的连接节点、交叉精架(垂直相交的平面管析架)间的杆件连接节点、空间网架或网壳杆件间的连接节(图3.8)。这些节点的特点是本身就是三维节点，如铸钢节点、加肋章的式柱状节点;但对于单层网壳的节点，在一定条件下可作为平面节点处理。 框架结构节点，主要有梁柱节点(图3.9)、梁一柱一支撑节点、柱脚节点。框架结构节点既有平面的节点方式也有空间的节点方式。 (2)按杆件截面形式区分的节点形式 钢管连接节点(全圆管杆件、全方管或矩形管杆件、方圆钢管杆件)。如直接利用钢管本身的相贯节点(图3.10)、螺栓球节点(图3.11)、焊接球节点(图3.12)、法兰节点等。 非钢管杆件的连接节点。 钢管与非钢管的连接节点。(3)按连接方式区分的节点形式，有焊接节点、螺栓连接节点、栓焊混合节点等。图3.10钢管相贯节点 (4)按材料类别区分的节点形式，有铸钢节点(图3.13)、锻钢节点(图3.14)等。(5)按 (5)按构造特点区分的节点形式，有板式节点(析架)与端板式节点(门架)、相贯节点与加劲式节点(钢管结构)、柱贯通式节点和隔板贯通式节点(框架)。适用于复杂形状、复杂环