园林建筑设计-建筑材料与结构体系

1）常用建筑材料

建筑材料是用于建筑物的各个部位及各种构件上的材料。正因为任何建筑都是由若干类型的材料所组成，因此材料是一切设计和建造活动的基础，它不仅赋予建筑物各种功能，同时也能带给人一系列感官体验——或坚硬，或柔软，或冰冷，或温暖，或粗糙，或光滑，或灰暗沉闷，或光彩夺目。

而从建筑构造和结构的角度出发，需要对各种常用的建筑材料的基本性能作如下了解：

材料的力学性能——有助于判断其使用及受力情况是否合理。

材料的其他物理性能（防水、防火、导热、透光等）——有助于判断是否有可能符合使用场所的相关要求或采取相应的补救措施。

材料的机械强度以及是否易于加工（即易于切割、锯刨、钉入等特性）——有助于研究用何种构造方法实现材料或构件间的连接。

（1）砖石

砖是块状的材料，一般分为烧结砖和非烧结砖两类。前者是以黏土、页岩、煤矸石等为主要原料，经烧制成的块体；后者则以石灰和粉煤灰、煤矸石、炉渣等为主要原料，加水拌和后压制成型，再经蒸汽养护而形成块材（图2.4.3）。

石材是一种天然材料，其品种非常多，最常见的有花岗石、玄武岩、大理石、砂岩、页岩等；而按其成因则可分为火成岩、变质岩和沉积岩。其中火成岩（以花岗石为代表）系由高温熔融的岩浆在地表或地下冷凝所形成；变质岩（以大理石为代表）系为先期生成的岩石因地质环境的改变，发生物质成分的迁移和重结晶而形成新的矿物组合；而沉积岩（以砂岩和页岩为代表）系由经风化作用、生物作用和火山作用而产生的地表物质，经水、空气和冰川等外力的搬运、沉积固结而形成（图2.4.4）。

图2.4.3　烧结砖和非烧结砖

图2.4.4　花岗石与大理石

砖、石都是刚性材料，抗压强度高而抗弯、抗剪性能较差。长期以来，砖都是低层和多层房屋的墙体砌筑材料的主要来源。但因普通黏土砖的生产需大量消耗土地资源，因此用新型墙体材料来取代它正成为当前设计和建造工作中的一个主要趋势。而石材经人工开采琢磨，可用作砌体材料或用作建筑面装修材料。其中火成岩质地均匀，强度较高，适宜用在楼地面；变质岩纹理多变且美观，但容易出现裂纹，故适宜用在墙面等部位；沉积岩质量较轻，表面常有许多孔隙，最好不要放在容易受到污染，需要经常清洗的部位。还要注意的是，天然石材在使用前应该通过检验，令放射物质的含量在法定标准以下。此外，碎石料经与水泥、黄砂搅拌制成混凝土，在建筑上有着更为广泛的用途。

（2）混凝土

混凝土是用胶凝材料（如水泥）和骨料加水浇注结硬后制成的人工石，在建筑行业中也常常将其写作“砼”（音同“同”）。其中的骨料包括细骨料（如黄砂）和粗骨料（如石子）两种。在工程中，内部不放置钢筋的混凝土叫做素混凝土，内部配置钢筋的混凝土叫做钢筋混凝土。而这两种材料的力学性能却有着很大的差别。

由于素混凝土也是一种刚性材料，因此其抗压性能良好，而抗拉和抗弯的性能较差。而钢筋混凝土（图2.4.5）则是一种非刚性材料，因为钢筋和混凝土有良好的黏结力，温度线膨胀系数又相近，所以可以共同作用并发挥各自良好的力学性能——钢筋主要用于抗拉，混凝土则用于抗压。

混凝土的耐火性和耐久性都好，而且通过改变骨料的成分以及添加外加剂，可以进一步改变其他方面的性能。例如将混凝土中的石子改成其他轻骨料，像蛭石、膨胀珍珠岩等，可制成轻骨料混凝土，改善其保温性能。又如在普通混凝土中适量掺入氯化铁、硫酸铝等，可增加其密实性，提高防水的性能。

正是由于素混凝土抗压性能良好，故常用于道路、垫层或建筑底层实铺地面的结构层。而钢筋混凝土可以抗弯、抗剪和抗压，故作为结构构件被大量应用在建筑物的支撑系统中。

图2.4.5　钢筋混凝土

（3）钢材和其他金属

常用的钢材按断面形式可分为圆钢、角钢、H型钢、槽钢，以及各种钢管、钢板和异型薄腹钢型材等（图2.4.6）。

虽然钢材有良好的抗拉伸性能和韧性，但若暴露在大气中，则很容易受到空气中各种介质的腐蚀而生锈。同时，钢材的防火性能也很差，一般当温度到达600℃左右时，钢材的强度就会几乎降到零。因此，钢构件往往需要进行表面的防锈和防火的处理，或将其封闭在某些不燃的材料如混凝土中，才能很好地被利用。

钢材在建筑中主要是用作结构构件和连接件，特别是需要受拉和受弯的构件。某些钢材如薄腹型钢、不锈钢管和钢板等也可用于建筑装修。

除了钢材以外，常用的金属建筑材料还有铝合金、铸铁、铜和铅等。其中，铝合金在建筑中主要用来制作门窗、吊顶和隔墙龙骨以及饰面板材；铸铁则可以被浇铸成不同的花饰，主要用于制作装饰构件如栏杆等（因为耐气候性较好，可以长期暴露于室外而少有锈蚀）；铜材除用作水暖零件和建筑五金外，还可用作装饰构件；而铅可用作屋面有突出物或管道处的防水披水板。

（4）天然木材

众所周知，木材是一种天然材料。由于树干在生长期间沿其轴向（生长方向）和径向（年轮的方向）的细胞形态、组织状态都有较大的差别，因此树木开采加工成木材后，明显具有各向异性的特征。

天然木材的顺纹方向，即沿原树干的轴向，具有很大的受拉强度，顺纹受压和抗弯的性能都较好。但树木顺纹的细长管状纤维之间的相互联系比较薄弱，因此沿轴向进入的硬物容易将木材劈裂，即便是在木材近端部的地方钉入一颗钉子，也可能使该处的木材爆裂。此外，这些管状纤维的细胞壁受到击打容易破裂，因此重物很容易在木材上面留下压痕。木材的横纹方向，即沿原树干的径向，强度较低，受弯和受剪都容易破坏，再加上一般树木的径围都有限，沿径向取材较难，因此，建筑工程中一般都不直接使用横纹的木材（图2.4.7）。

作为天然材料，木材本身具有一定的含水率，加工成型时除自然干燥外，还可进行浸泡、蒸煮、烘干等处理，使其含水率被控制在一定范围内。尽管如此，木材的制品往往还是会随空气中湿度的变化而产生胀缩或翘曲，如木地板在非常干燥的天气里会发生“拔缝”的现象就是由于这个原因。一般来说，木材顺纹方向的胀缩比横纹方向的要小得多。此外，木材是易燃物，长期处在潮湿环境中又易霉烂，同时还有可能产生蚁害，因此木材在设计使用时应注意防火、防水和防虫害等方面的处理。

图2.4.6　常用型钢断面形式及其表达

由于树种不同，各种不同的木材硬度、色泽、纹理均不相同，在建筑中所能发挥的作用也不同。在过去很长一段时间内，现代建筑中的木材多用来制作门窗、屋面板、扶手栏杆以及其他一些支撑、分隔和装饰构件；而目前采用木材作为主体结构材料的建筑则越来越多。

（5）玻璃和有机透光材料

玻璃是天然材料经高温烧制的产品，具有优良的光学性质，透光率高，化学性能稳定，但脆而易碎，受力不均或遇冷热不匀都易破裂。

为了提高玻璃使用时的安全性，可将玻璃加热到软化温度后迅速冷却制成钢化玻璃，钢化玻璃强度高，耐高温及温度骤变的能力好，即便破碎，碎片也很小且无尖角，不易伤人。此外，还可在玻璃中夹入金属丝做成夹丝玻璃，或在玻璃片间加入透明薄膜后热压黏结成夹层玻璃，这类玻璃破坏时裂而不散落。钢化玻璃、夹丝玻璃和夹层玻璃都是常用的安全玻璃。

玻璃在几何形态上则可分为平板、曲面、异形等几种。除了最常用的全透明的玻璃外，还可通过烤漆、印刷、扎花、表面磨毛或蚀花等方法制成半透明的玻璃。此外，为装饰目的研制的玻璃产品有用实心或空心的轧花玻璃做的玻璃砖，以及用全息照相或者激光处理，使玻璃表面带有异常反射特点而在光照下出现艳丽色彩的镭射玻璃等。另一方面，由于玻璃往往会在建筑外围护结构中占据相当的比例，因此，为改善其热工性能和隔声效果而研制出的产品有镀膜的热反射玻璃、带有干燥气体间层的中空玻璃等。

而有机合成高分子透光材料包括丙烯酸酯有机玻璃、聚碳酸酯有机玻璃、玻璃纤维增强聚酯材料等。它们的共同特点是具有重量轻、韧性好、抗冲动力强、易加工成型等优点，但硬度则不如玻璃，易老化，并且表面还易划伤。这类材料其成品可制成单层板材，也可制成管束状的双层或多层板，还可以制成穹隆式的采光罩或其他异型透明壳体。

正是由于具有上述的特点和性能，玻璃和有机透光材料在建筑中广泛应用于门窗、幕墙、隔断、采光天棚、雨篷和装饰等部分。

（6）其他常用建筑材料

建筑中常用的材料还包括各类黏结材料（如砂浆、803胶、环氧树脂胶粘剂），人造块材和板材（如加气水泥制品、加纤维水泥制品、轻骨料水泥），装饰材料（如装饰卷材、装饰块材、涂料、油漆），防水及密封材料，保温和隔声材料（两者同属容重小、内部富含空气的材料），以及其他高分子合成材料（轻质高强，导热系数小，如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯）等。

2）材料与结构分类

通常情况下，一个建筑物可以按其主体承重结构所用材料之不同进行归类，例如：混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构和混合结构等。

（1）砌体结构

如果一个建筑的竖向主体承重结构是用砖、天然石材和人造砌块等为块材，用砂浆等进行黏结砌筑，那么就可以称之为砌体结构。可以说，这种结构形式不仅有着悠久的历史，在当代建筑中仍然得到普遍而大量的应用。由于砌体构件大多是由抗压强度高的刚性材料制作而成，因此它常常又会是以墙承重体系（图2.4.8）的面貌出现。砌体结构的主要优点有：

①由于砌体结构材料来源广泛（黏土、石材等天然材料分布广，并且价格较水泥和钢材等更为低廉，而且煤矸石和粉煤灰等工业废料也同样可以直接用来制作块材），便于就地取材，因此在经济性和地域性等方面具有显著优势。

②一般来说，砌体的保温和隔热性能等均比普通混凝土结构为好，节能效果显著。

图2.4.7　顺纹木料

图2.4.8　墙承重体系

③在一定范围内，采用砌体结构可以大量节约钢材、水泥和木材等，故而也降低了造价，拓宽了应用范围。(https://www.xing528.com)

④砌体结构具有良好的耐火性和耐候性，使用年限较长。

⑤砌体结构的施工工艺简单，不需要过高的技术要求和特殊的施工设备，因此更具有普遍意义。

尽管具有上述诸多优点，砌体结构的缺点也很明显，例如：

①砌体材料的强度低，需要的构件截面尺寸较大，因此结构自重大。故而应尽可能采用轻质高强的新型块材。

②砌体结构不仅是砌块材料自身耐压不耐拉，而且砌块与砌筑砂浆之间的黏结力也相对较弱，因此结构整体的抗拉、抗剪和抗弯等方面的强度较低，抗震性能较差。若要改进则可采用高黏结度的砂浆，以及采取配筋或施加预应力等措施。

③同样是受砌体材料特性的影响和抗震的要求，现行规范对于采用砌体结构的建筑的布局、开间、洞口设置、纵横墙定位以及上下层墙体对位关系等都有着严格的限制（图2.4.9）。

④砌筑技术虽然简单，但工作繁重，劳动量大，生产效率低，故而更适用于劳动力资源丰富的地区。

（2）钢筋混凝土结构

钢筋混凝土是目前建筑工程中应用最为广泛的建筑材料，通常是和框架结构体系紧密联系在一起的，见图2.4.10所示。

图2.4.9　采用砌体结构的住宅平面

图2.4.10　框架承重体系

钢筋混凝土这种混合材料让性能不同却具有互补性的钢材和混凝土得以各抒己长并协同工作，因此具备了以下优点：

①因为主体材料是混凝土，而其中大量使用的砂、石等材料能够方便地就地取材，甚至还可以将诸如粉煤灰、矿渣等工业废料进行再利用，因此具有较好的经济性。

②相对于砌体结构而言，现浇的钢筋混凝土结构的整体性好，又具有较好的延性，适用于抗震、抗暴结构；并且钢筋混凝土结构刚度较大，受力后变形也小。此外，钢混框架结构设计自由度大，房间的开间、布局、开窗以及立面形式比较灵活（图2.4.11）。

③与钢结构和木结构相比，钢筋混凝土结构有较好的耐久性和耐火性，维护费用也较低。

④可以形成具有较高强度的结构构件，特别是在现代预应力技术应用以后，可以在更大的范围内取代钢结构，从而降低了工程造价。

⑤一般情形下，钢筋混凝土比其他材料更易于做成具有不规则形状的构件和结构，因此我们可以根据设计的需要而将混凝土结构塑造成各种类型的建筑形式。

当然，钢筋混凝土结构也相应存在一些缺点，例如：

①自重大。可以采用轻骨料、高强度水泥、预应力等技术措施进行改进，或者选用拱和薄壳等受力更合理的结构形式以减小自重。

②抗裂性差。混凝土结构抗拉强度很低，虽然配置了钢筋，但对于构件局部的抗裂能力而言提高有限，因此受力后容易产生裂缝（虽然一般对安全性不会产生直接影响，但却给构件的耐久性等带来不利影响）。改进措施可以采用预应力混凝土。

图2.4.11　采用钢筋混凝土框架结构的住宅平面

③费工费模。是因为浇筑混凝土需要大量的模板，特别是以前多采用木模板，更是耗费大量木材，以及施工时工序多、受季节气候条件限制和影响大等。现在则可通过采用钢模板、预制塑料模具，甚至是在工厂批量预制等措施加以改进。

（3）钢结构

钢结构是指由各类热轧或冷加工而成的钢板、钢管和型材构件通过适当的连接而组成的整体结构。由于钢结构具有强度高、容重小，以及加工和建造要求较为严格等方面的显著特点，因此它往往成为轻质高强结构的代表。具体而言，钢结构主要具有以下优点：

①材料强度高，自重轻，塑性和韧性好，材质均匀，便于精确设计和施工控制。

②具有优越的抗震性能。

③便于工厂生产和机械化施工，便于拆卸，施工工期短。

④建造过程污染较小，并且钢材可再生利用，因此在一定程度上符合建筑可持续发展的原则。

钢结构也有缺点，主要是

①易腐蚀，需经常油漆维护，故日常维护费用较高。

②钢结构的耐火性差，当温度达到250℃时，钢结构的材质将会发生较大变化；当温度达到500℃时，结构会瞬间崩溃，完全丧失承载能力。

③一次性投资相对较大，技术要求较高。

（4）木结构

顾名思义，木结构就是指单纯或主要用木材制作的结构。正因为木材是一种天然的有机材料，往往可以就地取材，并且具有较好的弹性和韧性，也易于加工，因此木结构在古今中外的建筑中得到了广泛应用，更是中国传统建筑中最重要的结构类型。但是很长一段时间以来，由于森林资源匮乏等原因，木结构的应用也受到极大限制，甚至退出了主流建筑的舞台。而随着现代林产业和工业技术的发展，木材的持续供应问题得以解决，深加工能力也大大提高，木结构又重新在世界范围内得以崛起。

与传统木结构以及其他结构类型相比，现代木结构具有以下特点：

①从选材到建造的过程若严格按照科学方法进行，可以有效地解决防虫、防潮和防火问题。

②木质材料和木结构韧性较大，抗震效果好；并且因自重较轻，震后危害也较小。

③相对钢筋混凝土结构等类型而言，木结构建筑在节能环保方面也具有很大优势；而若考虑建筑物的整个生命周期——即从建筑的原料开发、制造、运输、建造、使用，一直到拆除改造的全过程，则几乎还能逐一验证这种优越性所在。

④此外，木结构建筑还具有施工周期较短、保温隔热与隔声性能较好等优点。

（5）混合结构及其他

在另外一些情形下，设计师们还会将铝型材、玻璃、竹子甚至纸等作为建筑主体承重结构的主要材料。而这些结构类型虽然没有得到广泛应用，但却具有各自的优势和特定价值，并且正是人类生活之多样性和复杂性的具体反映。

如若一个建筑的主要承重结构材料是由两种及两种以上材料所构成，那么我们则可以称之为混合结构（在有些情形下，“混合结构”会被用来特指由砌筑墙和钢筋混凝土梁板柱所组成的建筑）。不难设想，一个真正意义上的混合结构不仅可以充分发挥不同材料的所长，并且还能够（至少在某种程度上）有效弥补相应结构类型原有的缺陷。

3）结构构件与单元

任何一个现实存在的建筑结构不仅是由若干种材料所组成，它必须还能够胜任相应的支撑作用——即完成力的传递，最终也会以某种特定的几何形式呈现在世人面前；因此从这个角度来说，“材料”“力”“几何”正是结构的三个基本要素，也说明我们还可以从材料以外的其他角度入手对于建筑结构进行归类认识。

这正如人们通常还会从“构件”的层面出发，也就是根据一个结构体所具有的几何与刚性特征（一种物理性能，以构件是刚性的还是柔性的为区分标准）来进行分类和命名。常见的结构构件包括梁、板、柱和拱，此外还有框架、桁架、薄膜、缆索等多种类型。而这些结构构件虽然可以单独进行承重，但往往还需要通过相互组合而形成更高一级的“结构单元”。例如，用四根立柱支撑一块平板就是一个典型的结构单元，类似的组合也会有很多种形式（图2.4.12.a）。一个结构单元还可以被进一步划分为水平跨系统、竖向支承系统、侧向支撑系统这三个部分（图2.4.12.b）。一般情形下会先由水平系统承受荷载（特别是屋面和楼板上的重力），再传递给竖向系统的墙或柱、基础等（图2.4.12.c）；而侧向系统的存在则是主要用来抵抗侧向荷载（如风力和地震作用）。

图2.4.12　典型的结构单元

当然，更大和更复杂的建筑物还需要将若干结构单元集合在一起才能形成，但是从一个典型的结构单元身上我们就能看到建筑结构作为一个体系所具有的一些特点：由各种构件组成的，具有某种特征的有机体——这种整体特征不仅是由其各个组成部分所共同缔造，同时也决定了这些组成部分之间的相互关系。因此，若要进一步认识和处理结构问题，就不仅需要了解各种构件本身的特性，还要学会辨别它们之间的差异与联系，并抓住结构的整体特征。

从某种意义上讲，上述这些内容可以归结为是对于各种结构体系的辨别、认识和运用。事实上，关于结构体系的分类模式同样有很多，人们会根据不同的目的（如突出某一范畴内的主要特征）而将形形色色的结构类型加以区分、归类和命名，以便于比较和探讨。正如前述的根据主体结构材料进行划分就是一种常见的分类模式，而从结构构件和单元的角度来看，则可以大致区分出水平系统（构件）和竖向系统（构件）这两个部分——后面我们也将根据这种分类方式来逐一认识房屋的各个组成部分。