几何学问题与建筑结构设计中的平面不规则性探讨

几何学问题与建筑结构设计中的平面不规则性探讨

胡立强

筑博设计股份有限公司惠州分公司

摘要：在建筑设计的过程中，要运用多个学科的专业知识，几何学就是其中之一。在建筑结构平面设计的过程中，应该对平面的规则性进行研究，可以将几何学和建筑结构的平面规则性联系在一起，本文综合分析多种类型的建筑结构设计方案，探讨设计中的共性与差异，分析几何学与平面不规则性的关系，为建筑结构设计提供参考。

关键词：几何学；建筑结构设计；平面不规则性

    在建筑结构设计的过程中，设计人员会进行多种多样的几何学构想，同时也要遵循设计理论和设计规范。针对建筑结构中的平面不规则性，可以运用几何学知识进行分析，深入探讨建筑中的几何学问题、规则性问题，了解产生各项问题的具体原因与影响因素，然后采取有效的调整优化措施，使设计方案更加合理，从根本上提升建筑的设计质量。

一、建筑设计中的几何学问题以及继承性特点

（一）低层和多层建筑分析

    随着社会的发展和进步，建筑设计理论也不断完善，各种学术流派层出不穷，包括解构主义、后现代主义、典雅主义等等。大部分学术流派的建筑师都会将几何学作为建筑设计的辅助学科。例如，英国建筑师设计的建筑——朝阳门银河SOHO。该建筑运用解构主义，采用扭曲、断裂等非线性方式创作建筑形态，同时结合数字技术，通过拓扑几何和分形几何变化建筑形态，给人带来十分震撼的视觉效果，在建筑领域具有较高的知名度和艺术成就。该建筑采用曲面设计的方式，看似具有设计规律，实际上重复性并不高，通过扭转的方式，使内部空间更加多变[1]。此类建筑设计无法根据传统建筑设计理论确定轴线，上层和下层平面图的中轴线并未对齐，所以该建筑设计难度较大，如果设计不当，会造成建筑稳定性不足，影响建筑的使用安全和使用寿命。在设计结构的过程中，应该遵守《建筑抗震设计规范》GB50011-2010要求，结合楼板局部不连续的要求，综合分析建筑总体规则情况，可以在建筑中设置抗震缝，将建筑整体划分为多个独立的结构单元。采用这种划分方式，需要验算独立的类球体建筑的平面规则性，如果内部开洞面积比在30%以上，很容易出现平面不规则的问题。在该建筑的设计的过程中，竖向规则性设计面临很多问题，主要问题为竖向抗侧力构件不连续，如果没有采取合理的设计方案，设计效果、设计质量会直接受到影响。之所以会出现结构规则性问题，主要是因为建筑设计过程中，继承了建筑师设计时运用的几何学思想、概念和模型。因为几何学问题具有继承性特点，如果设计时是规则几何，则建筑结构也具有规则性，反之建筑结构则没有规则性。

（二）高层建筑分析

现如今，高层住宅建筑的数量不断增多。在建筑结构设计中，为彰显简约化的设计理念，通常会采用几何形状拼接的方式。例如，在天山怡景苑6号楼就采用这种设计方式。在一层平面设计中，根据设计要求，选择房型F并先设计好，然后制作单体平面图，与F房型结合，保障设计全面合理，构成完整的高层住宅建筑[2]。可以组合多种房型，根据平面图选择合理的组合方式，同时也应该结合地标指示。单体建筑可以采用组合生成的方式，房型图可以展现建筑的结构规则性，组合平面图同样可以体现。也就是说，实际设计中，几何学构图是一种常用的方式，这种方式具有结构规则性继承性。公共建筑建设中，需要大面积用地，所以成本较高，商业集团普遍对社会影响力有较高追求，所以对建筑功能有很多要求，所以在方案设计的过程中，可以选择复杂的几何学构图方案，或者数学模型设计方案，使建筑结构更加合理，同时也可以深化建筑设计的文化内涵。

例如，马来西亚吉隆坡的著名建筑，双子塔石油大厦就运用了几何规则性构图的方案。在设计时，不仅采用了传统的伊斯兰图案花纹，还以此为基础，设计了八角形平面图。该图形的构成为2个正方形，采用旋转叠加的变换方式，形成新的图案，不仅满足建筑美观需求，也能体现伊斯兰文化内涵。但是八角形平面形式并不符合力学规律，外围凹角比较多，大面积外皮凹面影响建筑抗风性。不仅如此，凹角位置的抗侧力构件与大厦平面形心比较接近，所以很难发挥有效的力学性能。为了解决这些问题，建筑设计师在该图案的基础上，采用了拓扑变化的方式，在凹角中添加8个半圆形，构成16个分枝的平面图形，具有较好的抗风性。在造型方面，塔楼上升并向内部收缩，构成梯度变化，给人巍峨矗立的观感，同时也可以充分彰显伊斯兰文化底蕴，既满足了建筑设计的美观性要求，也保障了结构的稳定性，结合了建筑文化与力学理论，使结构规则性保持合理，对建筑行业来说有很高的参考价值。

总的来说，所有标志性摩天大楼不仅外观优美，同时蕴含丰富的文化内涵，彰显了科学的几何思想。例如，高度为528m的中国尊，将古代礼器“尊”作为设计构思基础，不仅优美婉约，且形态变化多样，充分彰显中国传统文化思想。

二、几何学问题和建筑结构设计中的平面不规则性的关联

（一）研究意义

根据前文所述内容可以看出，不论是低层、多层建筑，还是高层建筑，在设计的过程中都可能出现规则性问题，与平面、立面的结合尺寸、几何比例有直接关系，这种不规则性沿袭自设计阶段，可以称其为几何不规则。提出和探究几何规则性概念，可以展现方案设计与结构设计有紧密的联系，二者相互继承，可以彰显设计环节中，各个专业之间存在作用关系，需要二者协调统一，确保建筑整体设计的合理性；不论是对于建筑来说，还是对于结构专业来说，几何学问题都是必须考虑的重要问题，几何理论知识和实践结果，应该构建更加完善科学的几何学模型，确保建筑的几何学形态稳定，这是建筑结构设计中必须达到的目标，同时也可以彰显结构概念在建筑设计中的重要作用；根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010确定各个平面的几何尺寸，对比例关系进行合理控制，在解决几何规则性问题的过程中，综合分析这两项内容，明确结构概念设计中的规范要求，确保设计者可以从宏观和微观两个角度进行设计分析，促进建筑设计师和结构设计师之间的配合交流，使设计水平进一步提升。

（二）规定建议

    所谓结构几何规则性，就是建筑师完成设计后，建筑本身就会具有一定的几何学特性，包括平面和立面两个方面。所以，建筑设计中，很多内容都涉及结构几何规则性内容，应该对相关内容作出明确的规范和要求[3]。具体包括凹凸不规则的判定及整体指标、多层砌体房屋与底框、现浇钢筋混凝土房屋使用高度、房屋适用高宽比等等。单独规范结构几何规则性内容，完善结构设计理论，构建完善的理论体系，为设计师学习和设计提供更多依据和支持。

（三）规则性设计

    结构几何规则性设计不仅要对尺寸和比例关系进行规范，建筑设计师还要采用恰当的设计手段约束建筑形体，避免建筑出现缺陷，确保建筑工程符合规范要求。结构几何规则性设计在建筑结构设计中发挥着重要作用，可以说是基础性的设计概念，应该在实践的过程中反复推敲。从各类地标性重大建筑物设计中可以看出，建筑设计并非单一的专业内容，需要结合建筑、结构等多个专业。例如，上海中心、台北101等建筑，不仅能由建筑设计师进行规划，也由结构工程师反复计算，通过严谨的结构试验，确定建筑结构是否合理，并且对建筑设计方案提出建议，保障建筑结构设计的合理性。

结语：

    综上所述，在建筑结构设计的过程中，应该考虑建筑自身的几何学特征，以及几何学思想、几何模型在结构设计中的继承性。在实际设计的过程中，应该综合分析几何学问题，严格遵守规范要求进行结构设计，确保平面不规则的合理性与适用性。

参考文献：

[1]岳永强,翁小平,李科海. 某超高层建筑结构设计分析实例[C]//.2022年工业建筑学术交流会论文集（上册）.[出版者不详],2022:290-295.

[2]田宗宇.某带复杂形体大跨度钢结构屋盖的公共建筑结构设计[J].重庆建筑,2022,21(07):51-56.

[3]韩文燕.探究建筑结构设计中的剪力墙结构设计[J].陶瓷,2022(07):113-115.