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1、大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析建筑城规学院 建筑101班 程辛阳 2010051118随着科技水平的进步与建筑技术的不断发展，现今建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度能达到150m以上的超大规模建筑已非个别；并且它们结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。大跨度建筑通常是指跨度在 30 米以上的建筑，主要用于民用建 筑的影剧院、体育场、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑在工业建筑中则主要用于飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房中。一大跨度建筑常见结构形式1、拱结构拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。由于拱成曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩可以降到
2、最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间。 但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了保持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。常见方式是在拱的两侧作两道厚墙来支承拱，墙厚随拱跨增大而加厚。很明显，这会使建筑的平面空间组合受到约束。 拱的内力主要是轴向压力，结构材料应选用抗压性能好的材料。古代建筑的拱主要采用砖石材料，近代建筑中，多采用钢筋混凝土拱，有的采用钢衍架拱，跨度可达百米以上。拱结构所形成的巨大空间常 常用来建造商场、展览馆、体育馆、散装货仓等建筑。2、刚架结构刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一
3、种门形结构。由于梁和柱是刚性结点，在竖向荷载作用下柱对梁有约束作用，因而能减少梁的跨中弯矩。同样，在水平荷载作用下，梁对柱也有约束作用，能减少柱内的弯矩。刚架结构比屋架和柱组成的排架结构轻巧，可以节省钢材和水泥。由于大多数刚架的横梁是向上倾斜的，不但受力合理，且结构下部的空间增大，对某些要求高大空间的建筑特别有利。同时，倾斜的横梁使建筑的屋顶形成折线形，建筑外轮廓富于变化。由于刚架结构受力合理，轻巧美观，能跨越较大的跨度，制作又很方便，因而应用非常广泛。一般用于体育馆、礼堂、食堂、菜场等大空间的民用建筑，也可用于工业建筑，但刚架结构的刚度较差，当吊车起重量超过100KN 时不宜采用。3、椼架结
4、构椼架是由杆件组成的一种格构式结构体系。杆件与杆件的结合假椼架定为铰结，所以在外力作用下杆件内力为轴向力（拉力或压力），而且分布均匀，故椼架结构比梁结构受力合理。椼架的杆件内力是轴向力，而梁的内力主要是弯矩，且分布不均匀，梁的断面大小常以最大弯矩处的断面尺寸为整个梁的断面大小， 因此梁的材料强度未得到充分利用。椼架内力分布均匀，材料强度能充分利用，减少材料耗量和 结构自重，使结构跨度增大。所以椼架结构式大跨度建筑常用的一种 结构形式，主要用于体育馆、影剧院、展览馆、食堂、菜场、商场等 公共建筑。为了使椼架的规格统一，有利于工业化施工，建筑的平面形式宜采用矩形或方形。 网架是一种由很多杆件以一定
5、规律组成的网状结构。它具有下列优点： 杆件之间互相起支撑作用， 形成多向受力的空间结构，故其整体性强、 稳定性好、空间刚度大，有利于抗震；当荷载作用于网架各节点上时，杆件主要承受轴向力，故能充分发挥材料的强度，节省材料；网架结构高度小，可以有效的利用空间；结构的杆件规格统一，有利于工厂化生产；网架形式多样，可创造丰富多彩的建筑形式。网架结构主要用来建造大跨度公共建筑的屋顶，适用于多种平面形状，如圆形、方形、三角形、多边形等各种平面建筑。折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系。 折板结构通常用钢筋混凝土建造，也可用钢丝网水泥建造。经济跨度9-4M。4、折板结构折板结构由折板和横隔构件组成
6、，在波长方向，折板犹如一块折板折叠起伏的钢筋混凝土连续板，折板如同一钢筋混凝土梁，其强度随折板的矢高（f）而增加。横隔构件的作用是将折板在支座处牢固地结 合在一起，如果没有它，折板会坍塌而破坏。横隔构件可根据建筑造 型需要来设计，如钢筋混凝土横隔板、横隔梁等。折板的波长不宜太 大，否则板太厚，不经济，一般不应大于 12M。跨度与波长之比大于等于1时成为长折板，小于1时成为短折板。为了获得良好的力学性能，长折板的矢高不宜小于跨度的115-110，短折板的矢高则不宜小于波长的 18.。折板结构呈空间受力状态，具有良好的力学性能，结构厚度薄，省材料，可预置装配，省模板，构造简单。折板结构可用来建造大
7、跨 度屋顶，也可用作外墙。5、薄壳结构薄壳结构是用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结成薄壳结构， 呈空间受力状态，主要承受曲向内的轴内力，而弯矩和扭矩很小，所以混凝土强度能得到充分利用。由于是空间结构，强度和刚度都非常好。薄壳厚度仅为其跨度的几百分之一。而一般的平板结构厚度至 少是跨度的几十分之一。所以薄壳结构具有自重轻、省材料、跨度大、外形多样的优点，可用来覆盖各种平面形状的建筑物屋顶。但大多数 薄壳结构的形体较复杂，多采用现浇施工，费工、费时、费模板，且结构计算较复杂，不宜承受集中荷载，这些缺点在一定程度上影响了它的推广作用。分类：柱面薄壳：是单向有曲率的薄壳，由壳身、侧边缘构件和
8、横隔组成。圆顶薄壳：是正高斯曲率的旋转曲面壳，由壳面与支座环组成，壳面厚度做得很薄，一般为曲率半径的1/600，跨度可以很大。支座环对圆顶壳起箍的作用，并通过它将整个薄壳搁置在支承构件上。双曲扁壳（微弯平板）：一抛物线沿另一正交的抛物线平移形成的曲面，其顶点处矢高与底面短边边长之比不应超过1/5。双曲扁壳由壳身及周边四个横隔组成，横隔为带拉杆的拱或变高度的梁。适用于覆盖跨度为2050米的方形或矩形平面（其长短边之比不宜超过2）的建筑物。双曲抛物面壳：一竖向抛物线（母线）沿另一凸向与之相反的抛物线（导线）平行移动所形成的曲面。此种曲面与水平面截交的曲线为双曲线，故称为双曲抛物面壳。工程中常见的各
9、种扭壳也为其中一种类型，因薄壳结构容易制作，稳定性好，容易适应建筑功能和造型需要，所以应用较为广泛。薄壳结构的建筑造型是以各种几何曲面图为基本特征，基本形式为圆筒形、圆球形、双曲面抛物型。他与传统的梁、板。架一类结构相比，在造型上独具特色，容易给人以新奇感，突出建筑物的个性。6、网格结构网格结构是一种由多种杆件以一定规律通过节点组成的空间结构。网架杆件主要承受轴力作用，杆件截面尺寸相对较小，这些空间交汇的杆件又互为支撑，将受力杆件与支承系统有机地结合起来，因而用料经济。由于结构组合规律性强，杆和节点形状、尺寸相同，便于工厂化生产和工地安装。网架结构一般是高次超静定结构，具有较高安全储备，能较好
10、的承受集中荷载、动力荷载和非对称荷载，抗震性能好。网架结构能够适应不同跨度、不同支承条件的公共建筑和工业厂房的要求，也能适应不同建筑平面及其组合。网架结构最大的优势体现在大中跨度的屋盖结构，这时采用网架比采用门式刚架及钢屋架更经济合理。网架结构是由很多杆件从两个方向或几个方向有规律的组成的高次超静定空间结构。它改变了一般平面桁架受力体系，能承受来自各个方向的荷载。7、悬索结构悬索结构是由柔性受拉索及边缘构件或支承塔架所组成的承重结构。悬索结构是一种受力比较合理的建筑结构形式，将悬索结构与简支梁两者的受力情况进行对比，就可以看出这种合理性。简支梁在竖向荷载作用下，上纤维压应力的合力与下纤维拉应力
11、的合力组成了截面的内力矩，合力间的距离即为内力臂，它总在截面高度的范围内，因此要提高梁的承载能力，就意味着要增加梁的高度。但在悬索结构中，钢索在自重下就自然形成了垂度，由索中拉力与支承水平力间的距离构成的内力臂，总在钢索截面范围以外，增加垂度也就加大了力臂，从而可以有效地减少索中拉力和钢索截面面积。8、薄膜结构其力学特性好，特氟隆类FGT-600型膜材,其3cm条宽的经向抗拉强度达到4 550N,而其厚度仅0.61mm,它的撕裂强度达到335N;F1002T型膜材,在PVC类膜材中属中等强度,5cm条宽的经向抗拉强度为4200N,厚度也仅0.8mm,其撕裂强度达到550N。这表明,目前的优质膜
12、材,其拉伸强度已接近或达到钢材的强度;薄膜还有优良的光学、热学特性，膜材是半透明的织物,对自然光有反射、吸收和透射能力,其透光率随类型不同而异,可达4%18%。膜材耐高温,特氟隆在100120下仍能保持性能不变;低到-30时,PVC膜不会变脆。薄膜有良好的不燃、阻燃性和自洁性特氟隆膜材是由PTFE涂层和玻璃纤维复合而成。众所周知,玻璃纤维除了高强度外,就是其极高的不燃性,PTFE俗称“塑料王”,有极稳定的化学性能,耐腐蚀、抗脏污、膜表面对钢的摩擦系数低达004;PVC膜材表面还涂有PVDF(聚偏二氟乙烯)薄膜,使抗腐蚀及抗污能力大大增强。膜建筑表面,经雨水冲刷,即能自洁。良好的工艺性能膜材强度
13、高,厚度小、重量轻,一般厚度仅0.5 1mm,单位重量约为0.5 1。5kg/m2,这大约是传统覆盖材料重量的1/30。这样的屋顶材料,减少了对墙、柱等支承构件及基础的要求,一般,膜结构的骨架和支承体系大都为轻钢结构,其加工、制作、安装均较简单方便。薄膜结构按支承条件分类为：柔性支承结构体系、刚性支承结构体系、混合支承结构体系，膜结构按结构可分为：骨格式膜结构、张拉式膜结充气式膜结构。骨架式膜结构，以钢构或是集成材构成的屋顶骨架，在其上方张拉膜材的构造形式,下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯,开口部不易受限制。张拉式膜结构，以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的
14、形式。除了可实践具创意，创新且美观的造型外,也是最能展现膜结构精神的构造形式。充气式膜结构，充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统让室内气压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压来支撑，及钢索作为辅助材,无需任何梁,柱支撑，可得更大的空间，施工快捷，经济效益高，但需维持进行24小时送风机运转，在持续运行及机器维护费用的成本上较高。9、混合形式各种空间结构类型比起其它平面类型的结构形式来，除了在发挥材料性能、减少结构自重、增加覆盖面积方面的优势外，其形状的富于变化以及支座形式的灵活选用及灵活布置，对建筑空间以及建筑形态的构成无疑都有着积极的意义。空间结构支承
15、系统各向受力，可以较为充分地发挥材料的性能，因而结构自重小，是覆盖大跨度空间的理想结构形式。混合形式按照建筑设计的要求及材料、结构功能的合理性，以多种形式混合使用。二实例分析网格结构建筑1.国家大剧院国家大剧院属于网格结构中的网壳结构建筑。其主体建筑由外部围护结构和内部歌剧院、音乐厅、戏剧场和公共大厅及配套用房组成。外部围护结构为钢结构壳体，呈半椭球形，其东西长轴为212.20米，南北短轴143.64米，建筑总高度46.285米，地下最深处为-32.50米。椭球形屋面主要采用钛金属板，中部为渐开式玻璃幕墙。主体建筑外环绕人工湖，湖面面积达35500平方米，北侧主入口为80米长的水下长廊，南侧入
16、口和其它通道也均设在水下。其壳体采用大跨度钢结构，内部是传统的钢筋混凝土结构，由北京市建筑设计研究院承担结构计算，中国建筑设计研究院进行复核。在北京市建筑质量协会评选结构“长城杯”时，专家评审委员会对大剧院的钢筋混凝土结构和壳体钢结构分阶段给出了最高标准。这也是北京地区唯一获得最高标准的壳体钢结构工程。专家表示：“国家大剧院的结构设计比较复杂，不是规矩的剪力墙 结构或框架结构，而是柱子托着墙，墙架着梁，梁上又有墙。国家大剧院钢壳体为超大型空间钢结构。其长轴为212.24m,短轴为143.64m,竖轴45.35m。整个结构完全形成后为稳定的壳体结构。国家大剧院钢壳体由顶环梁、梁架、斜撑杆及环向连
17、杆组成。顶环梁为椭圆形,长轴约60m,短轴38m,自500t左右。梁架又分长轴梁架与短轴梁架,总共有148榀,最大榀的自重约45t。钢构件预先加工成整件或单元件,在场外进行预拼装后,运送至现场,在现场进行组装。长、短轴梁架分成三段安装。在安装过程中,采取设置必要的下部支撑与支架等一系列措施,来保证安装过程中壳体结构的安全。梁架的投影长度最长达76m,必须采用多点支撑,由于梁架吊装时一分为三,所以梁架安装时,除二端有支承外,中间还必须设置二道支撑。场内支撑面为高低不一的建筑屋顶和地下室顶盖,安装过程的支撑结构就落在钢筋混凝土屋面上。出于布置灵活、方便施工、可拆卸、重复利用材料等方面考虑,最终选择用螺栓球网架结构作为国家大剧院巨型钢壳体施工支撑体系。国家大剧院钢壳体施工支撑结构采用的螺栓球节点网架,充分发挥了网架结构的空间受力性能好、构件小、易装卸的优点。进一步拓宽了网架结构的应用范围。经过优化选型,网架按多边形折线状平面布置,受力合理,既较好地解决了施工支撑范围要求,同时使绝大多数杆件、螺栓球的规格统一,方便了加工和重复利用。同时稳定性分析表明,网架有良好的整体稳定性。