建筑工程发展的关键因素及特点

建造房屋是人类最基本的实践活动之一。据《孟子·滕文公》中记载:“下者为巢,上者为营窟。”重要的建筑往往集中了全社会的劳动和智慧,具有历史里程碑的意义。由于人们研究了不同的社会制度,不同的生产、生活水平和不同的民族历史对建筑的影响,以及在不同历史条件下,建筑的功能、技术和艺术形象的发展和相互作用,使我们能从整体上认识和把握建筑,树立正确的建筑观点。纵观建筑工程的发展历史,对建筑工程的发展起关键性作用的因素,第一是作为工程物质基础的建筑材料,第二是随之发展起来的设计理论和施工技术(图1.5)。

图1.5　对建筑工程的发展起关键性作用的因素

每当出现新的优良的建筑材料时,建筑工程就会有飞跃式的发展。砖和瓦这种人工建筑材料的出现,使人类第一次突破了天然建筑材料的束缚,实现了建筑工程的第一次飞跃。钢材的大量应用是建筑工程的第二次飞跃。混凝土的兴起给建筑物带来了新的既经济又美观的工程结构形式,使建筑工程产生了新的施工技术和工程结构设计理论,这是建筑工程的又一次飞跃发展。中国的传统建筑以木结构为主,西方的传统建筑以砖石结构为主,现代的建筑则是以钢筋混凝土结构为主。建筑工程的发展经历了古代、近代和现代3个阶段(图1.6)。

图1.6　建筑工程的发展阶段

1)古代建筑工程

古代建筑工程的时间跨度,大致从新石器时代(约公元前5000年起)开始至17世纪中叶。古代建筑的特征见表1.1。

表1.1　古代建筑的特征

(1)中国古代建筑的代表作品

①北京故宫。北京故宫(图1.9)始建于明朝永乐年间,位于北京城中心,为中轴对称纵深布局,三朝五门,前朝后寝。故宫规模宏大,并将庭院空间运用到登峰造极的地步,按照周礼之制,在一个“须弥座”上建“三朝”——太和殿、中和殿、保和殿,也称为“前三殿”。乾清门是内廷的正门,乾清门内中轴线上是乾清宫、交泰殿和坤宁宫,简称“后三宫”。宫城至太和殿之间共建了“五门”——大清门、天安门、端门、午门和太和门,前面是朝廷,后面是寝宫,这也是宫殿建筑功能结构的一般原则。故宫在明朝初建时,是参照南京宫殿的规制,主要建筑基本上是附会《周礼·考工记》所记载的“左祖、右社、前朝、后市”的布局原则建造的,面积比现在的紫禁城大8倍多,整个宫殿气势宏伟、规划整齐,体现了帝王权力的设计思想。

图1.9　北京故宫

②北京天坛。北京天坛始建于明永乐十八年(1420年),是明清两代皇帝“祭天”“祈谷”的场所,位于正阳门外东侧。坛域北呈圆形,南为方形,寓意“天圆地方”。坛内主要建筑有祈年殿、皇乾殿、圜丘、皇穹宇、斋宫、无梁殿、长廊、双环万寿亭等,还有回音壁、三音石、七星石等名胜古迹。天坛(图1.10)有坛墙两重,形成内外坛。主要建筑在内坛,圜丘坛在南,祈谷坛在北,两坛同在一条南北轴线上。圜丘坛专门用于冬至日祭天,中心建筑是一巨大的圆形石台,名“圜丘”;祈谷坛用于春季祈祷丰年,中心建筑是祈年殿。两坛之间以丹陛桥相连。西天门内南侧建有“斋宫”,是祀前皇帝斋戒的居所。西部外坛设有“神乐署”,掌管祭祀乐舞的教习和演奏。

图1.10　北京天坛

(2)世界古代建筑的代表作品

①埃及金字塔。古埃及分为上埃及、中埃及和下埃及,在今苏丹和埃及境内。现在的尼罗河下游,散布着约80座金字塔(图1.11)遗迹,大小不一,其中最高大的是胡夫金字塔,高146.59m,底长230m,共用230万块每块平均质量为2.5t的石块砌成,占地52000m2。石块之间没有任何黏着物,仅靠石块的相互叠压和咬合垒成。国王哈佛拉的金字塔前,还矗立着一座象征国王权力与尊严的狮身人面像。埃及金字塔是古埃及的帝王(法老)陵墓,数量众多,分布广泛。开罗西南尼罗河西古城孟菲斯一带的金字塔是主要集中的一部分。

图1.11　埃及金字塔

②帕特农神庙。帕特农神庙(图1.12)是雅典供奉雅典娜女神的最大神殿,帕特农原意为贞女,是雅典娜的别名。此庙不仅规模宏伟,且坐落在卫城中央最高处,庙内还存放着一尊黄金象牙镶嵌的全希腊最高大的雅典娜女神像(菲迪亚斯亲手制作)。它从公元前447年开始兴建,9年后大庙封顶,又用6年之久完成各项雕刻。但在1687年威尼斯人与土耳其人作战时,神庙遭到破坏。19世纪下半叶,虽对神庙进行过部分修复,但已无法恢复原貌,现仅留有一座石柱林立的外壳。

图1.12　帕特农神庙

古代建筑的特点见表1.2。

表1.2　古代建筑的特点

2)近代建筑工程

一般认为,近代建筑工程的时间跨度为17世纪中叶到第二次世界大战前后,历时300余年。在这一时期,建筑工程有了革命性的发展,具有下述几个鲜明的特征。

①建筑工程结构设计有了力学和结构理论作指导,建筑工程的实践及其他学科的发展为系统的设计理论奠定了基础。

②出现了钢材、钢筋混凝土、早期预应力混凝土等新的建筑工程材料。在这一时期,砖、瓦、木、石等材料的应用日益广泛,新建筑工程材料不断涌现。

③在这一时期内出现了新的施工机械及其施工技术,产业革命促进了工业、交通运输业的发展,对建筑工程设施提出了更多要求,同时也为建筑工程的建造提供了新的施工机械和施工方法。打桩机(图1.13)、压路机(图1.14)、掘进机(图1.15)、挖掘机(图1.16)、起重机、吊装机等纷纷出现,为快速高效地建造建筑工程提供了有力的手段。

图1.13　打桩机

图1.14　压路机(www.xing528.com)

图1.15　掘进机

图1.16　挖掘机

④建筑工程从发展到成熟,建设规模前所未有,工业的发达、城市人口的集中,使工业厂房向大跨度发展,民用建筑向高层发展,日益增多的电影院、体育馆、飞机场等都要求采用大跨度结构。

3)现代建筑工程

现代建筑工程为20世纪中叶第二次世界大战结束后至今的建筑工程,产业革命以后,特别是到了20世纪,一方面社会向建筑工程提出了新的需求,另一方面社会各个领域为建筑工程的发展创造了良好的条件,因而这个时期的建筑工程得到了突飞猛进的发展。现代建筑已不仅仅是技术与艺术的结晶,而是与人、环境及自然有着密切联系的产物。如保持生态平衡的自然条件且无污染的“绿色建筑”、舒适方便的智能建筑、低耗能源的节能建筑、便于邻里交往的高层住宅建筑以及百层以上的摩天大楼,200m的大跨度建筑,各种新颖的建筑材料、结构和设备以及形形色色的建筑外观,不断地改变着人们对建筑的印象。

现代建筑工程主要有如图1.17所示的几个特点。

图1.17　现代建筑工程特点

(1)重视建筑环境质量

首先是建筑物室外的自然环境。如居住区必须有一定比例的面积作为绿化用地,种植树木、花卉、草坪及绿篱等,以净化空气,减少噪声,为人们提供一个安静休息及进行保健活动的场所。至于公共建筑,则更需要有一个优美的自然环境,如疗养建筑、旅游建筑等都选在有山、有水的山麓或海边。即使是在大城市的闹市区,室外也要有一定面积的绿化区。在高级宾馆饭店中,几层楼高的室内中庭还建有绿化、喷泉、假景等,犹如室外自然环境。其次是建筑物室内环境卫生,室内装饰材料如塑料墙纸等往往含有挥发性气体,还有建筑材料中所含的放射性衰减物质氡气等,对人体健康有害;其他如厨房燃气及油烟等,对人们身体也不利,已引起人们广泛注意与重视。建筑物以外的环境,如城市中工厂或街道上车辆的噪声污染,相邻建筑物的反光玻璃引起的光污染等,也逐渐受到有关部门的重视。

(2)平面或空间适应性强、灵活性大

由于人们生活水平的日益提高,并考虑到发展的需要,要求建筑物的平面或空间在使用功能上有充分的适应性及改变的灵活性。特别是公共建筑,除楼梯、电梯间等难以改变外,对其他用房总希望可以根据需要进行灵活分割,如住房的卧室、起居室,办公楼的办公室,宾馆、饭店的餐厅等。从整体建筑来说,已不满足于单一功能,而要求其能适应多功能的需要,成为多功能建筑,如有的体育馆不仅作为体育锻炼、运动竞赛用,在增加某些设备或设施情况下,就可作为文艺演出及滑冰用。如鸟巢体育馆(图1.18),既作为体育锻炼、体育比赛用,同时也作文艺演出用。世博会中国馆(图1.19)既作展览用,也作为旅游景点。

图1.18　鸟巢体育馆

图1.19　世博会中国馆

(3)新材料、新技术不断涌现

现代建筑所用材料,除仍需沿用传统的砖瓦、灰砂石及钢木、混凝土等外,也在向“高新”方向发展。普通混凝土向加气混凝土(图1.20)、轻骨料混凝土(图1.21)和高性能混凝土发展,钢材向低合金、高强度方向发展。

图1.20　加气混凝土

图1.21　轻骨料混凝土砌体

(4)设计理论的精确化、科学化

建筑工程设计由人工手算、人工制作建筑方案(图1.22)、人工制图向计算机辅助设计、计算机优化设计、计算机制图(图1.23)转化。结构理论分析由线性分析到非线性分析,由平面分析到空间分析,由单个分析到系统综合整体分析,由静态分析到动态分析,由经验定值分析到随机分析乃至随机过程分析,由数值分析到模拟试验分析。

图1.22　人工设计、制图
图1.23　计算机设计、制图

(5)高层建筑、大跨度建筑大量兴起

地下工程高速发展,城市人口过度集中、膨胀,建筑用地有限,只能往高空及地下延伸发展,而且多层与单层、高层与多层相比,既可节约用地,又可减少市政设施,节约投资。再者,建筑结构技术及材料技术的发展为房屋建筑向上延伸、向下发展创造了有利条件。因此,近50多年来在世界许多大城市中,高层建筑、地下工程得到了广泛的推广和应用,如广州塔(图1.24)、上海中心大厦(图1.25)等。

图1.24　广州塔

图1.25　上海中心大厦

①广州塔。广州塔塔身主体高454m,天线桅杆高146m,总高度600m。广州塔是中国第一高电视塔,世界第四高电视塔。塔身168～334.4m处设有“蜘蛛侠栈道”,是世界最高最长的空中漫步云梯。塔身422.8m处设有旋转餐厅,是世界最高的旋转餐厅。塔身顶部450～454m处设有摩天轮,是世界最高摩天轮。天线桅杆455～485m处设有“极速云霄”速降游乐项目,是世界最高的垂直速降游乐项目,超越了拉斯维加斯游乐场300多米高的跳楼机。天线桅杆488m处设有户外摄影观景平台,是世界最高的户外观景平台,超越了迪拜哈利法塔的442m室外观景平台,以及加拿大国家电视塔447m的“天空之盖”的高度。

②上海中心大厦。上海中心大厦是上海的一座超高层地标式摩天大楼,其设计高度超过附近的上海环球金融中心。上海中心大厦项目面积433954m2,建筑主体为119层,总高为632m,结构高度为580m。