结构的逻辑
建筑的本质被称为空间的艺术，但要把空间从想象变为现实，结构的支撑不可或缺。没有结构体系，建筑空间只是空中的幻影，无法稳定存在。正如人体的骨骼支撑着全部的器官和肌肉，赋予身体形态与力量，建筑也依赖于各种结构系统来承受自重、风、地震、雪等复杂的内外荷载。每一座建筑的“骨架”经过精密设计和科学计算，为空间的安全、稳定与美观提供保障。
结构不仅关乎承重，更深刻地影响着建筑的空间形态、功能布局和美学表达。从古代宏伟的宫殿到现代摩天大楼，从木结构的灵活韧性到钢筋混凝土的坚固挺拔，各种结构体系的演进贯穿着建筑史，也反映出人类对自然力量的挑战和驾驭。本章将带领大家一起深入探索建筑结构的奥秘，理解不同类型的结构体系如何让建筑物“站立”于天地之间，感受工程与艺术交融的无穷魅力。
建筑结构的基本认知
建筑结构是建筑物中承受和传递荷载的骨架系统。在我们日常生活中，每一座建筑物都在默默地与重力、风力、地震等各种力量进行着对抗。了解结构的工作原理，不仅是建筑设计的基础，更是保证建筑安全的关键。
建筑结构的设计目标包含三个基本方面：安全性、适用性和耐久性。安全性要求结构在正常使用和意外情况下都不发生破坏；适用性要求结构在正常使用时不产生过大的变形；耐久性则要求结构在设计使用年限内保持足够的性能。这三者相互关联，共同构成了结构设计的基本准则。
建筑结构所承受的荷载主要分为恒载和活载两大类。恒载是指结构自重、装修重量等长期作用的荷载；活载则包括人员活动、家具摆设、风荷载、雪荷载等可变荷载。在中国的建筑设计规范中，还特别强调了地震荷载的考虑，这是因为我国处于环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇区域，地震活动频繁。
上图展示了一栋典型五层住宅建筑各楼层承受的不同类型荷载分布情况。可以观察到，恒载在底层最大，因为底层需要承担所有上部楼层的重量；而地震荷载在底层也达到最大值，这是因为地震时底层承受的惯性力最大。
中国传统木构架体系
在探讨现代建筑结构之前，我们首先要了解中国传统建筑的结构智慧。以故宫为代表的中国古建筑，采用的是木构架体系，这种结构体系已有数千年的历史，蕴含着深厚的工程智慧。
中国传统木构架的核心特点是“墙倒屋不塌”。这个特点源于其独特的结构原理：建筑的承重功能主要由木柱和木梁承担，墙体只起围护和分隔作用，不承担建筑重量。这种结构体系由柱、梁、檩、椽等构件通过榫卯连接而成，形成了一个完整的框架系统。
榫卯连接是中国传统木构架的精髓所在。榫头和卯眼的连接不使用一颗钉子，却能够将各个构件牢固地结合在一起。更为重要的是，这种连接方式具有一定的柔性，在地震等外力作用下，结构可以通过榫卯连接处的微小滑移来消耗能量，从而保护建筑的整体安全。这种“以柔克刚”的思想，与现代抗震设计中的“延性设计”理念不谋而合。
故宫太和殿是中国传统木构架的杰出代表。这座建筑高35.05米，面积达2377平方米，整个建筑由数以千计的木构件通过榫卯连接而成。太和殿经历了多次地震而屹立不倒，充分证明了传统木构架体系的抗震性能。建筑的屋顶采用重檐庑殿顶的形式，通过复杂的斗栱系统将屋顶的重量均匀地传递到柱子上，再由柱子传递到基础。
斗栱是中国传统木构架中的关键构件，它不仅是结构的重要组成部分，也是建筑等级的象征。斗栱通过层层叠加的方式，将上部的荷载逐级分散，同时增大了建筑的出檐深度，使建筑更加壮观。
传统木构架体系虽然具有诸多优点，但也存在明显的局限性。木材的强度相对较低，限制了建筑的高度和跨度；木材容易腐朽和虫蛀，影响建筑的耐久性；木材还容易燃烧，防火性能较差。这些局限性促使现代建筑逐渐采用更为先进的结构材料和体系。
现代建筑结构体系
现代建筑结构体系主要包括混凝土结构、钢结构和混合结构等类型。每种结构体系都有其独特的特点和适用范围。在中国的建筑实践中，这些结构体系得到了广泛的应用和发展。
框架结构体系
框架结构是现代建筑中最常见的结构形式之一。这种结构由梁和柱刚性连接而成，形成承重框架，墙体只起围护作用。框架结构的优点是空间布置灵活，可以根据使用需要自由分隔；建筑立面处理也比较自由，可以设置较大的窗户。
框架结构的工作原理与传统木构架有相似之处，但在材料和连接方式上有本质区别。现代框架结构主要采用钢筋混凝土材料，梁柱连接采用刚性连接，结构的整体性更好。在受力时，框架结构主要通过梁柱的弯曲变形来抵抗水平力，竖向荷载则主要通过柱子传递到基础。
框架结构适用于多层和小高层建筑，一般不超过二十层。这是因为随着建筑高度的增加，框架结构抵抗水平力的能力会显著降低，结构的侧向变形会变得过大。在中国的住宅建筑中，框架结构得到了广泛应用，特别是在六至十二层的建筑中。
剪力墙结构体系
剪力墙结构是在框架结构基础上发展起来的一种结构形式。剪力墙是指在结构中承担水平力的墙体，这种墙体通常采用钢筋混凝土浇筑而成，厚度一般在200至400毫米之间。剪力墙的设置大大增强了结构抵抗水平力的能力，使建筑可以建得更高。
剪力墙结构的工作原理类似于一根竖向的悬臂梁。当建筑受到水平力作用时，剪力墙通过自身的弯曲和剪切变形来抵抗这些力量。剪力墙的侧向刚度很大，可以有效地控制建筑的侧向变形。这种结构形式特别适用于住宅建筑，因为住宅的平面布置相对规则，墙体位置相对固定。
在实际工程中，纯框架结构和纯剪力墙结构都比较少见，更常见的是框架-剪力墙结构，即在框架结构的基础上设置一定数量的剪力墙。这种结构形式综合了框架结构和剪力墙结构的优点，既保证了空间的灵活性，又具有较好的抗侧能力，适用于高层建筑。
钢结构体系
钢结构是指主要承重构件采用钢材制作的结构体系。与混凝土结构相比，钢结构具有强度高、自重轻、施工速度快等优点，特别适用于大跨度和超高层建筑。上海中心大厦就是钢结构在超高层建筑中应用的典型案例。
上海中心大厦总高度632米，是中国第一高楼。建筑采用了巨型框架-核心筒-伸臂桁架的混合结构体系。外围的巨型框架由巨型柱和环带桁架组成，核心筒采用钢筋混凝土结构，通过伸臂桁架将核心筒和外框架连接起来。这种结构体系充分发挥了钢结构和混凝土结构各自的优势，实现了建筑的超大高度。
钢结构的另一个重要应用领域是大跨度建筑。广州塔（小蛮腰）采用了钢管混凝土格构式结构，塔身高度454米，通过优美的双曲面外形和格构式结构的结合，实现了结构与建筑的完美统一。格构式结构由内外两层斜交的钢管构成，这种结构形式不仅具有很高的承载力，还能有效地抵抗风荷载和地震作用。
上图对比了不同结构体系在相同高度下的侧向位移情况。可以看出，框架结构的侧向刚度最小，侧向位移随高度增加而快速增大；框架-剪力墙结构通过增设剪力墙显著提高了侧向刚度；而钢结构由于自重轻、刚度大，在超高层建筑中表现出更优越的性能。
荷载传递的路径
理解荷载如何在建筑结构中传递，是掌握建筑结构的关键。建筑结构就像一个有机的整体，每个构件都在其中扮演着特定的角色，共同完成荷载的传递任务。
在一栋典型的多层建筑中，荷载的传递遵循着“楼板-梁-柱-基础-地基”的路径。首先，楼面上的活荷载和楼板自重作用在楼板上，楼板是一个水平的受弯构件，它将荷载传递给支撑它的梁。梁是水平方向的主要承重构件，将楼板传来的荷载进一步传递给柱子。柱子是竖向的主要承重构件，将所有上部楼层传来的荷载汇集起来，传递给基础。基础再将这些荷载分散传递给地基。
这个传递路径看似简单，但其中蕴含着丰富的力学原理。楼板在荷载作用下产生弯曲变形，内部产生弯矩和剪力；梁在承受楼板传来的荷载后，也产生弯曲变形，同时将荷载以集中力的形式传递给柱子；柱子主要承受轴向压力，在有水平力作用时还会产生弯矩。
在框架-剪力墙结构中，荷载的传递路径更加复杂。竖向荷载主要通过“楼板-梁-柱（或墙）-基础”的路径传递，而水平荷载则主要由剪力墙承担。框架和剪力墙之间通过楼板连接，形成一个协同工作的整体。在地震作用下，框架和剪力墙的变形特性不同，会产生相互作用，这种相互作用使得结构的受力更加复杂，但也更加合理。
在结构设计中，必须保证荷载传递路径的连续性和完整性。如果传递路径被中断，荷载就无法有效传递，可能导致结构的局部破坏甚至整体倒塌。
基础是建筑结构的最底部，承担着将上部结构的所有荷载传递给地基的重要任务。基础的类型包括独立基础、条形基础、筏板基础和桩基础等。基础类型的选择取决于上部结构的类型、荷载的大小以及地基土的承载能力。在软弱地基上，常常需要采用桩基础，通过桩将荷载传递到深层的坚硬土层或岩层。
结构与空间的协同设计
建筑设计的核心是创造空间，而结构是实现这些空间的手段。优秀的建筑设计应当实现结构与空间的有机结合，让结构成为空间的一部分，甚至成为空间表现的主角。
在现代建筑实践中，结构与空间的关系经历了从“隐藏”到“展现”的转变。传统建筑往往将结构构件隐藏在装饰材料之后，而现代建筑则倾向于将结构暴露出来，使之成为建筑表现的重要元素。这种转变不仅体现了建筑美学观念的变化，也反映了结构技术的进步。
结构选型对建筑空间有着直接的影响。框架结构由于柱网的存在，在空间划分上具有一定的规律性；而大跨度结构则可以创造出开阔的无柱空间。在设计体育馆、展览馆等需要大空间的建筑时，必须采用特殊的结构形式，如空间网架、拱结构、悬索结构等。
北京国家体育场（鸟巢）是结构与空间协同设计的杰出范例。建筑采用了独特的钢结构编织体系，由相互交织的钢构件形成了类似鸟巢的外观。这种结构形式不仅满足了建筑的功能需求，还创造出了独特的建筑形象。结构构件同时承担着承重和围护的双重功能，实现了结构与建筑的完美统一。
在住宅设计中，结构与空间的关系同样重要。柱子的位置会影响室内空间的布置，梁的高度会影响室内的净高。在进行结构设计时，需要充分考虑建筑功能的需求，合理布置结构构件。现代住宅设计越来越强调空间的灵活性，这就要求结构体系具有较大的跨度，减少柱子和墙体对空间的分隔。
结构与建筑的最佳状态是“你中有我，我中有你”。结构不仅要满足承载的需要，还要服务于空间的创造；空间的设计也要充分考虑结构的合理性，避免为了追求形式而导致结构的不经济或不安全。
中国抗震设计的要求
中国是一个地震多发的国家，抗震设计在建筑结构设计中占有极其重要的地位。我国的抗震设计规范经历了多次修订和完善，形成了较为完整的抗震设计理论和方法体系。
抗震设计的基本理念是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。小震是指在建筑使用期间可能多次遭遇的地震，抗震设防目标是建筑结构保持正常使用；中震是指在建筑使用期间可能遭遇一次的地震，抗震设防目标是建筑可能出现损坏但经修复后可以继续使用；大震是指在建筑使用期间罕遇的强烈地震，抗震设防目标是建筑不发生倒塌，保证人员的生命安全。
我国的抗震设防分为六度、七度、八度、九度等不同的设防烈度，不同地区根据其地震危险性确定相应的抗震设防烈度。北京、天津等地一般为八度设防区，上海为七度设防区，广州为七度设防区，而西部的一些地区甚至需要九度设防。设防烈度越高，对建筑结构的抗震要求就越严格。
抗震设计的关键措施包括合理的结构布置、足够的承载力、良好的延性和有效的抗震构造措施。结构布置要求建筑平面规则、质量分布均匀、刚度均匀，避免出现明显的薄弱部位。承载力设计要求结构构件有足够的强度来抵抗地震作用。延性设计要求结构在进入塑性阶段后仍能保持较大的变形能力，通过塑性变形消耗地震能量。
上图展示了不同设防烈度下结构设计时采用的地震影响系数。地震影响系数反映了地震作用的大小，设防烈度越高，地震影响系数越大，对结构的抗震能力要求也越高。
2008年汶川地震给我国的抗震设计带来了深刻的教训。震后的调查发现，一些按规范设计的建筑在地震中仍然遭受了严重破坏，这促使抗震规范进行了重大修订。新的规范更加强调结构的整体性，对薄弱部位提出了更严格的要求，对某些结构形式的使用进行了限制。
学校、医院等重要建筑需要提高一度进行抗震设防，这是因为这些建筑在震后需要立即投入使用，承担救援和救治任务。在设计这类建筑时，不仅要保证结构本身的安全，还要保证建筑设备和非结构构件的安全，避免因设备损坏或吊顶掉落等次生灾害造成人员伤亡。
绿色建筑对结构的新要求
随着可持续发展理念的深入人心，绿色建筑已成为建筑发展的重要方向。绿色建筑不仅要求建筑在使用过程中节能环保，也对结构设计提出了新的要求。
建筑的全生命周期包括材料生产、建造、使用和拆除等阶段。传统的结构设计主要关注使用阶段的安全性和耐久性，而绿色建筑要求在整个生命周期内都尽可能减少对环境的影响。这就要求在结构设计中充分考虑材料的可循环性、施工过程的环境影响以及建筑拆除后材料的回收利用。
钢结构在绿色建筑方面具有明显优势。钢材是可以完全回收再利用的材料，废旧钢材经过熔炼可以再次制成新的钢材，而且性能不会明显下降。钢结构的施工周期短，现场湿作业少，可以大大减少施工过程中的环境污染。钢结构的自重轻，可以减少基础的工程量，降低对地基的影响。
混凝土结构在绿色建筑方面也在不断改进。高性能混凝土通过掺加矿物掺合料，可以减少水泥的用量，降低碳排放。预制混凝土结构将混凝土构件在工厂预制，现场进行装配，可以提高施工质量，减少现场施工对环境的影响。装配式建筑的发展正在改变传统的建筑建造方式，使建筑建造更加工业化、标准化。
绿色建筑的结构设计需要在安全性、经济性和环保性之间寻找平衡点。不能为了追求环保而牺牲结构的安全性，也不能因为成本的考虑而忽视环境保护的要求。
旧建筑的改造和加固也是绿色建筑的重要内容。相比拆除重建，对既有建筑进行改造和加固可以大大减少建筑废弃物的产生，节约资源。在城市更新过程中，许多老旧建筑通过结构加固和功能改造获得了新生。结构加固的方法包括增大截面法、粘贴钢板法、外包钢法、粘贴碳纤维法等，这些方法可以在不改变建筑原有结构体系的前提下，提高结构的承载力和抗震能力。
在结构设计中采用高强度材料也是实现绿色建筑的重要途径。高强度钢材和高强度混凝土可以减小构件的截面尺寸，降低结构自重，从而减少材料用量。在超高层建筑中，采用高强度材料已成为必然选择。上海中心大厦的核心筒采用了C60高强混凝土，巨型柱采用了Q420高强钢，这些高强度材料的应用使建筑的结构更加经济合理。
结构设计的实践要点
结构设计是一个系统性的工作，需要综合考虑多方面的因素。对于初学者来说，掌握结构设计的基本要点，有助于建立正确的设计思维。
结构方案的选择是结构设计的第一步，也是最关键的一步。合理的结构方案应当满足建筑功能的要求，适应建筑的平面和立面形式，同时在技术上可行、经济上合理。结构方案的选择需要考虑建筑的高度、跨度、使用功能、场地条件、抗震设防要求等多方面因素。
结构布置的规则性对建筑的抗震性能有重要影响。规则的结构布置是指建筑平面规则、竖向均匀、质量和刚度分布均匀。不规则的结构在地震作用下容易产生扭转效应和鞭梢效应，导致结构的破坏。在建筑设计中，应尽量避免平面不规则、竖向不连续等不利的结构布置形式。
上表总结了常见结构形式的基本特点和适用范围。在实际工程中，需要根据具体情况选择合适的结构形式，有时还需要采用多种结构形式的组合。
构件的截面尺寸确定是结构设计的重要内容。截面尺寸的选择需要同时考虑承载力、刚度和构造要求。初学者常犯的错误是片面地追求承载力，而忽视了刚度和构造的要求。在实际工程中，构件的截面尺寸往往由刚度控制而不是由承载力控制，特别是在高层建筑中。
结构计算是结构设计的核心环节。现代结构计算普遍采用计算机辅助设计软件，可以进行复杂的力学分析。但是，计算结果的正确性需要工程师的判断和校核。初学者应当培养对结构受力的直觉，能够对计算结果进行合理性判断。计算软件只是工具，工程师的判断才是设计的灵魂。
结构设计不仅是计算，更是艺术。优秀的结构工程师能够在满足安全要求的前提下，追求结构的经济性和美观性，使结构成为建筑表现的重要元素。
小结
从中国传统木构架出发，系统介绍了建筑结构的基本原理和现代建筑结构体系。我们了解到，建筑结构是建筑的骨架，承担着抵抗各种荷载、保证建筑安全的重要任务。中国传统木构架体系蕴含着深厚的工程智慧，其“以柔克刚”的抗震思想对现代建筑设计仍有启发意义。
现代建筑结构体系种类繁多，包括框架结构、剪力墙结构、钢结构等。不同的结构体系具有不同的特点和适用范围，需要根据建筑的具体情况进行选择。上海中心大厦和广州塔等标志性建筑展示了现代结构技术的最高水平，也为我们提供了宝贵的学习案例。
荷载在建筑结构中的传递遵循着明确的路径，理解这个路径是掌握结构设计的关键。结构与空间的协同设计是建筑设计的核心，优秀的建筑应当实现结构与空间的有机统一。抗震设计在中国的建筑设计中占有重要地位，“小震不坏，中震可修，大震不倒”是抗震设计的基本理念。
绿色建筑的发展对结构设计提出了新的要求，要求在建筑的全生命周期内都尽可能减少对环境的影响。装配式建筑和既有建筑的加固改造为实现可持续发展提供了重要途径。
结构设计是一个系统性的工作，需要综合考虑安全性、适用性、耐久性、经济性和环保性等多方面因素。作为建筑学的学习者，我们不仅要掌握结构的基本理论，更要培养对结构的感性认识，理解结构与建筑之间的内在联系。只有这样，才能设计出既安全可靠又美观经济的建筑作品。