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第2章 居住的科学(2)

置换及拌入法有换填垫层法、振冲置换法、高压喷射浆法、深层搅拌法、褥垫法等多种方法;采用砂、碎石等材料置换软弱土地基中部分软弱土体或在部分软弱土地基中掺入水泥、石灰或砂浆等形成加固体,与未被加固部分的土体一起形成复合地基,从而达到提高地基承载力减少沉降量的目的。

4.加筋法

加筋法有加筋土法、锚固法、树根桩法、低强度砼桩复合地基法、钢筋砼桩复合地基法等多种方法。通过在土层埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力杆件等达到提高地基承载力,减小沉降,维持建筑物稳定。

坚固的薄壳型屋顶

薄壳建筑就是利用了龟壳结构原理,由于这种结构的拱形曲面可以抵消外力的作用,所以结构更加坚固。龟壳的背甲呈拱形,跨度大,包涵许多力学原理。建筑学家模仿龟壳进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点:用料少,跨度大,坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形,举世闻名的悉尼歌剧院就如一组泊港的群帆。

薄壳屋顶的设计原理

乌龟有很大的负重力气,你不妨拿一只乌龟来做这样的实验,用重物压在它的背壳上,或者干脆站上去,看看乌龟背壳有没有压碎?试验后我们发现,龟壳完好无损。龟壳之所以能抵抗起重物的压力,并不是因为组成龟壳的物质有多么特殊的抗压能力,根本的原因是龟壳的形状帮了乌龟的忙。

原来,决定某一物体牢固度的,除了构成物体的物质本身具有的强度外,还有一个重要因素,那就是它的“几何形状”。什么样的几何形状承压力最好呢?对于外来的压力来说,凸曲面形最好。比如乌龟壳、蛋壳、蚌壳、螺壳,以及有些植物的种子外壳,都是这样的形状。为什么凸曲面能如此承受外界的强压呢?那是由于凸曲面能把外来的力,沿着曲面均匀地分散开来,这在很大程度上避免了“应力”集中,做到几乎没有特别薄弱的承压环节。

龟壳、蛋壳表现出来的惊人抗压能力,启发了人们的智慧,为什么不能把屋顶也做成凸曲面形呢?按照这一猜想,后来很多房屋屋顶的建造形状都犹如乌龟的背壳,建筑科学上的薄壳结构就这样产生了。

种类丰富的薄壳结构屋顶

在薄壳屋顶设计原理的基础上,人们发挥自己伟大的创造力和想象力,对薄壳屋顶的形状加以改造,各种各样的薄壳屋顶形式就现世了。它们有的像龟壳,有的像蛋壳,也有的像半个皮球、半个竹筒等。

实践证明薄壳屋顶的确能够承受很大的压力,它可以做得很大、很薄。屋顶做得薄一些,不但减轻了屋面结构的重量,又能够节省大量建筑材料,而且还能使屋顶的形状变换无穷,从而美化了建筑设计,这是一件多么伟大多么有创造性意义的事情啊!

现实生活中,我们随处可见薄壳结构这一新技术在建筑工程中的广泛应用,如我们国家的北京网球馆、北京火车站大厅、上海动物园的象房、澳大利亚著名的悉尼歌剧院等,这些都是薄壳屋顶的设计。

大跨度薄壳屋顶

1999年,由法国建筑师保罗·安德鲁设计的方案在国家大剧院方案中标的消息一经传出,立刻在我国的建筑界引起了强烈的反响,其中人们评论最多的话题就是其标新立异的巨型的大跨度薄壳结构。在罗马,迄今还存在着两个大型的薄壳结构——万神庙和君士坦丁教堂。这两个建筑用于承重的结构表面由于采用了格子天花板,使其重量减轻。

大跨度薄壳屋顶,是由前屋面、后屋面、屋脊板、屋脊连接构件、支撑杆、屋梁拉绳,双螺旋调节器、屋檐连接构件和安装螺杆组成。薄壳结构被称作“我们时代解决拱顶屋盖的具体答案的起始点”。由于薄壳结构计算十分的复杂,直到20世纪初,随着钢筋混凝土的出现和运用,薄壳结构才广泛地运用于大跨度屋顶结构。影剧院、大型娱乐场馆一般都采用大跨度的薄壳结构屋顶。因其重量轻,震时不易倒塌,即便塌下的重量也不太大等特点,所以深受重用。

古代宫殿建筑屋顶翘曲的飞檐

翘曲飞檐的诞生

房子是解决人类居住问题的,如何造得牢固、经济而适用,这是建筑的最基本要求。我们的祖先在建造各种类型房屋的实践中,认识了各种材料,如木材、石头、泥沙等,其中以木料最被器重。我国用木材做柱子和栋梁,构成能承受屋顶和上层重量的框架结构来建造房屋,已经有几千年的历史了。用木材以梁柱形式组成的框架建筑,室内布置灵活,隔间位置不受拘束,且能随意开窗。

虽然木材有很多很多的优点,但是它也有很多的缺点,比如说木料易于腐朽。如何与腐烂作斗争呢?我们的祖先想出在周围柱子的外侧,包以较厚的墙壁,除了阻挡风雨寒流与太阳热度侵入室内以外,并可使梁柱不因风压发生偏斜而影响整个房屋的安全。然而,粘土筑成的墙坯外面虽涂刷石灰,仍经不起长期风雨的侵蚀,于是将屋檐向外探出,更好地保护周围的墙壁。可是,房屋的规模越来越大,它的墙身因之加高,屋檐也挑出更长。太长的屋檐虽然保护了墙身,但也妨碍了室内的光线。另外,为了便于屋面排除雨水,就得把屋顶做成很陡的坡形,可是陡屋顶会使急泻下来的雨水溅得很高,这对墙脚、柱基都是不利的。

那怎样才是比较理想的设计呢?人们经过长期的揣摩研究,发现最理想的屋面是,上部坡度大,下部较平坦,而中部略呈凹陷形状。这种悬挑出来向上反曲的屋面,不但采光好,也便于泄水缓冲,保护房脚。如果采取四面泄水的方式,它的四角自然而然就为反翘形式了,结果就产生了斗拱飞檐的屋顶,而成为一种美丽庄严的建筑。

宫殿建筑上的飞檐之美

飞檐,中国传统建筑檐部形式之一,常用在亭、台、楼、阁、宫殿、庙宇等建筑的屋顶转角处。它是中国建筑民族风格的重要表现之一。通过檐部上的这种特殊处理和创造,不但扩大了采光面、有利于排泄雨水,而且增添了建筑物向上的动感,仿佛是一种气将屋檐向上托举,建筑群中层层叠叠的飞檐,营造出中国古建筑特有的壮观气势和其特有的飞动轻快的韵味。

与西方的石制建筑不同,中国古代的木制建筑以斗拱为基本元素。所谓斗拱,是将屋檐托起的交叠的曲木,它可以将纵向的力量向横向拓展,从而构造出多种多样的飞檐。中国古代建筑的飞檐有许多类型,或低垂,或平直,或上挑,其不同的形式制造出不同的艺术效果;或轻灵、或朴实、或威严,亭、台、楼、阁都要用飞檐来标明自己的身份,表达自己的情感。

可以说,飞檐是中国传统建筑中屋顶造型的重要组成部分。

飞檐翼角与古典家具的关系

中国传统建筑中的“飞檐翼角”结构在古典家具中得到了很好的应用,最显著的代表就是翘头案。翘头案是造型优美的古典家具之一,它因向上翘起的两头而得名。在明代,翘头案翘曲的两头被称为“飞子”,我们可以发现,这种称法正是古代人们对飞檐椽的称呼。

追随桥头案造型的演变过程,我们会发现翘头案造型的演变过程与建筑的屋宇极为相似,都经历了一个由最初的象征意义,到后来艺术与功能的完美结合的过程。在这个转变过程中,翘头案以建筑为参照物,将翼角飞檐的文化内涵、造型元素和结构形式进行了提炼和模仿,甚至从名称上都是直接引用了建筑上的称法。

翘头案这种两头略高的做法在现代的家具制作中也很常见,例如很多书桌或写字台,两边的旁板经常都是略高于面板的,这样设计主要是为了防止面板与旁板结合时出现不平整的现象,另外也是为了方便安装和加强结构。

离不开钢筋的混凝土建筑

钢筋混凝土的优点

我国住房几千年来一般就是两种结构,全木结构、砖木结构。这两种结构的优点就是取材方便、造价低廉;但它们有共同的缺点就是抗拉性能差,抗剪性能差,抗压也不是很大;这样就不能做大跨度的建筑和高层建筑。而钢筋混凝土结构就可以弥补以上的不足,钢筋混凝土结构充分利用了钢筋和混凝土的物理性能(钢筋抗拉性能好、混凝土抗压性能好)。用这种结构建设各种建筑物,一般都能满足人们的要求。那么钢筋混凝土有哪些优点呢?

第一:制作钢筋混凝土的材料容易获得。混凝土所用的砂、石一般易于就地取材;另外,还可有效利用矿渣、粉煤灰等工业废料。第二:钢筋混凝土结构合理地发挥了钢筋和混凝土两种材料的性能,与钢结构相比,可以降低造价。第三:密实的混凝土有较高的强度;同时由于钢筋被混凝土包裹,不易锈蚀,维修费用也很少,所以钢筋混凝土结构的耐久性比较好。第四:混凝土包裹在钢筋外面,火灾时钢筋不会很快达到软化温度而导致结构整体破坏。它与裸露的木结构、钢结构相比耐火性要好。第五:根据需要,可以较容易地浇筑成各种形状和尺寸的钢筋混凝土结构。第六:整浇或装配整体式钢筋混凝土结构有很好的整体性,有利于抵抗振动和爆炸冲击波。

钢筋混凝土的基本构造原理

上面我们了解了钢筋混凝土的优点,接下来,我们看是怎样的构造才使它具有如此多的优点呢?下面我们就来了解一下钢筋混凝土的构成原理和它的基本特性。

只是混凝土,没有钢筋混合其中的话,由于混凝土的抗拉强度远低于抗压强度,因而素混凝土结构不能用于承受有拉应力的梁和板。如果在混凝土梁、板的受拉区内配置钢筋,则混凝土开裂后的拉力即可由钢筋承担,这样就可充分发挥混凝土抗压强度较高和钢筋抗拉强度较高的优势,共同抵抗外力的作用,提高混凝土梁、板的承载能力。

钢筋与混凝土两种不同性质的材料能有效地共同工作,是由于混凝土硬化后混凝土与钢筋之间产生了粘结力。它由分子力(胶合力)、摩阻力和机械咬合力三部分组成。其中起决定性作用的是机械咬合力,约占总粘结力的一半以上。将光面钢筋的端部作成弯钩,将钢筋焊接成钢筋骨架和网片,均可增强钢筋与混凝土之间的粘结力。为保证钢筋与混凝土之间的可靠粘结和防止钢筋被锈蚀,钢筋周围须具有15~30毫米厚的混凝土保护层,若结构处于有侵蚀性介质的环境,保护层厚度还要加大。

钢筋混凝土之所以可以共同工作是由它自身的材料性质决定的。首先钢筋与混凝土有着近似相同的线膨胀系数,不会由环境不同产生过大的应力。其次钢筋与混凝土之间有良好的粘结力,有时钢筋的表面也被加工成有间隔的肋条(称为变形钢筋)来提高混凝土与钢筋之间的机械咬合,当此仍不足以传递钢筋与混凝土之间的拉力时,通常将钢筋的端部弯起180度弯钩。此外混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境,在钢筋表面形成了一层钝化保护膜,使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易腐蚀。

得于钢筋混凝土的高质量,目前在中国,钢筋混凝土为应用最多的一种结构形式,占总数的绝大多数,同时也是世界上使用钢筋混凝土结构最多的地区。

钢筋混凝土的基本特性

由于混凝土的极限拉应变值较低以及混凝土的收缩性质,这就导致在使用荷载条件下构件的受拉区容易出现裂缝。为避免混凝土开裂和减小裂缝宽度,可采用预加应力的方法,对混凝土预先施加压力。

实践证明,在正常条件下,宽度在0.3毫米以内的裂缝不会降低钢筋混凝土的承载能力和耐久性。在40~60摄氏度的温度范围内,混凝土和钢筋的物理力学性能都不会有明显的改变。因此,钢筋混凝土结构可以在各种气候条件下应用。当温度高于60摄氏度时,混凝土材料的内部结构会遭到损坏,其强度会有明显降低。当温度达到200摄氏度时,混凝土强度降低30~40%。因此,钢筋混凝土结构不宜在温度高于200摄氏度的条件下应用。当温度超过200摄氏度时,必须采用耐热混凝土。

住宅宜朝南,工厂车间宜朝北

住房和厂房的布局

我国绝大部分的住房是朝南建造的,尤其是在农村,这种布局更是普遍。一般朝南的房屋,可以比朝其他方向的房屋在一天里有更多的时间照到太阳光。对人们来说,多照阳光是卫生和健康的重要因素,它不仅可以杀菌消毒,而且还可以促进人体的新陈代谢功能。

工厂的厂房,虽然需要有充足的光线,但是它并不需要阳光直射,因为一般车间往往温度已很高,再加上阳光照射,会使温度过高。

同时,直射的阳光,射到机器上就会发生反光,使工人的眼睛受到刺激,损坏眼睛,影响生产。怎样才能使车间里既明亮,又不使阳光直射迸去呢?有一个很好的办法,那就是把窗户朝北开。有些比较高大的厂房,窗户都是开在比较高的地方,这也是为了避免阳光的直射。

房屋选向的依据

我国的地理位置属于北半球,建筑讲究朝向以主要朝南偏东为主,以不大于20度为宜,这样可以避免太阳光过分照射,让人们居住更有舒服感。例如:过多外墙面被晒就有点不好,也不利于建筑节能,人们购买新房时已经注意到了这一点。建筑讲究朝向的另外一个方面,也与季节性风有密切相关,特别是我国南方地区夏天比较炎热,建筑朝向要考虑夏季风的来向为主要居室的朝向。

至于建筑的地势高低,由于我国地幅辽阔,南方和北方的农村地区建筑各有所好。出于气温和冬天风的原因,还有考虑潮湿程度的影响,南方建筑一般喜欢平地、缓坡地,北方农村建筑一般喜欢平地、盆地,这样可以避免冬天寒风的侵袭。

除了上述自然地理因素外,中国的政治文化也有“南面”的特征。

历代帝王的统治之术被称为“南面之术”,《易经》说:“圣人南面而听天下,向明而治”。

古代天子、诸侯、卿大夫及州府官员等升堂听政都是坐北向南,因此中国历代的都城、皇宫、州县官府衙署都是南向的。

这一因素对后世人们选择房屋的朝向也有相当大的影响。

白色的天花板

纯洁的白色

白色即不是冷色,也不是暖色,也就是说白色没有色彩倾向。另外,白色具有高级、科技的色彩意象,通常需和其他色彩搭配使用。纯白色会带给别人寒冷、严峻的感觉,所以在使用白色时,都会掺一些其他的色彩,如象牙白、米白、乳白、苹果白,在生活用品、服饰用色上,白色是永远流行的主要色,可以和任何其他颜色作搭配。

天花板涂成白色的好处

房间里的墙壁粉刷成什么颜色或花纹,不仅要考虑美观,而且也应该考虑到光线问题。白色反光很强,把天花板涂成白色,在白天会把太阳光反射下来;在晚上能把灯光反射下来,使房间更明亮,而对人的眼睛没有什么影响,因为人不会一直抬头朝天花板看。

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