大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑造型實(shí)例分析

1、大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑造型實(shí)例分析建筑城規(guī)學(xué)院 建筑101班 程辛陽 2010051118隨著科技水平的進(jìn)步與建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)今建筑物的跨度和規(guī)模越來越大，目前，尺度能達(dá)到150m以上的超大規(guī)模建筑已非個(gè)別；并且它們結(jié)構(gòu)形式豐富多彩，采用了許多新材料和新技術(shù)，發(fā)展了許多新的空間結(jié)構(gòu)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 筑的影劇院、體育場、展覽館、大會(huì)堂、航空港以及其他大型公共建筑在工業(yè)建筑中則主要用于飛機(jī)裝配車間、飛機(jī)庫和其他大跨度廠房中。一大跨度建筑常見結(jié)構(gòu)形式1、拱結(jié)構(gòu)拱是古代大跨度建筑的主要結(jié)構(gòu)形式。由于拱成曲面形狀，在外力作用下，拱內(nèi)的彎矩可以降到

2、最小限度，主要內(nèi)力變?yōu)檩S向壓力，且應(yīng)力分布均勻，能充分利用材料的強(qiáng)度，比同樣跨度的梁結(jié)構(gòu)斷面小，故拱能跨越較大的空間。 但是拱結(jié)構(gòu)在承受荷載后將產(chǎn)生橫向推力，為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，必須設(shè)置寬厚堅(jiān)固的拱腳支座抵抗橫推力。常見方式是在拱的兩側(cè)作兩道厚墻來支承拱，墻厚隨拱跨增大而加厚。很明顯，這會(huì)使建筑的平面空間組合受到約束。 拱的內(nèi)力主要是軸向壓力，結(jié)構(gòu)材料應(yīng)選用抗壓性能好的材料。古代建筑的拱主要采用磚石材料，近代建筑中，多采用鋼筋混凝土拱，有的采用鋼衍架拱，跨度可達(dá)百米以上。拱結(jié)構(gòu)所形成的巨大空間常 常用來建造商場、展覽館、體育館、散裝貨倉等建筑。2、剛架結(jié)構(gòu)剛架是橫梁和柱以整體連接方式構(gòu)成的一

3、種門形結(jié)構(gòu)。由于梁和柱是剛性結(jié)點(diǎn)，在豎向荷載作用下柱對(duì)梁有約束作用，因而能減少梁的跨中彎矩。同樣，在水平荷載作用下，梁對(duì)柱也有約束作用，能減少柱內(nèi)的彎矩。剛架結(jié)構(gòu)比屋架和柱組成的排架結(jié)構(gòu)輕巧，可以節(jié)省鋼材和水泥。由于大多數(shù)剛架的橫梁是向上傾斜的，不但受力合理，且結(jié)構(gòu)下部的空間增大，對(duì)某些要求高大空間的建筑特別有利。同時(shí)，傾斜的橫梁使建筑的屋頂形成折線形，建筑外輪廓富于變化。由于剛架結(jié)構(gòu)受力合理，輕巧美觀，能跨越較大的跨度，制作又很方便，因而應(yīng)用非常廣泛。一般用于體育館、禮堂、食堂、菜場等大空間的民用建筑，也可用于工業(yè)建筑，但剛架結(jié)構(gòu)的剛度較差，當(dāng)?shù)踯嚻鹬亓砍^100kn 時(shí)不宜采用。3、椼架結(jié)

4、構(gòu)椼架是由桿件組成的一種格構(gòu)式結(jié)構(gòu)體系。桿件與桿件的結(jié)合假椼架定為鉸結(jié)，所以在外力作用下桿件內(nèi)力為軸向力（拉力或壓力），而且分布均勻，故椼架結(jié)構(gòu)比梁結(jié)構(gòu)受力合理。椼架的桿件內(nèi)力是軸向力，而梁的內(nèi)力主要是彎矩，且分布不均勻，梁的斷面大小常以最大彎矩處的斷面尺寸為整個(gè)梁的斷面大小， 因此梁的材料強(qiáng)度未得到充分利用。椼架內(nèi)力分布均勻，材料強(qiáng)度能充分利用，減少材料耗量和 結(jié)構(gòu)自重，使結(jié)構(gòu)跨度增大。所以椼架結(jié)構(gòu)式大跨度建筑常用的一種 結(jié)構(gòu)形式，主要用于體育館、影劇院、展覽館、食堂、菜場、商場等 公共建筑。為了使椼架的規(guī)格統(tǒng)一，有利于工業(yè)化施工，建筑的平面形式宜采用矩形或方形。 網(wǎng)架是一種由很多桿件以一定

5、規(guī)律組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。它具有下列優(yōu)點(diǎn)： 桿件之間互相起支撐作用， 形成多向受力的空間結(jié)構(gòu)，故其整體性強(qiáng)、 穩(wěn)定性好、空間剛度大，有利于抗震；當(dāng)荷載作用于網(wǎng)架各節(jié)點(diǎn)上時(shí)，桿件主要承受軸向力，故能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度，節(jié)省材料；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高度小，可以有效的利用空間；結(jié)構(gòu)的桿件規(guī)格統(tǒng)一，有利于工廠化生產(chǎn)；網(wǎng)架形式多樣，可創(chuàng)造豐富多彩的建筑形式。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要用來建造大跨度公共建筑的屋頂，適用于多種平面形狀，如圓形、方形、三角形、多邊形等各種平面建筑。折板結(jié)構(gòu)是以一定傾斜角度整體相連的一種薄板體系。 折板結(jié)構(gòu)通常用鋼筋混凝土建造，也可用鋼絲網(wǎng)水泥建造。經(jīng)濟(jì)跨度9-4m。4、折板結(jié)構(gòu)折板結(jié)構(gòu)由折板和橫隔構(gòu)件組成

6、，在波長方向，折板猶如一塊折板折疊起伏的鋼筋混凝土連續(xù)板，折板如同一鋼筋混凝土梁，其強(qiáng)度隨折板的矢高（f）而增加。橫隔構(gòu)件的作用是將折板在支座處牢固地結(jié) 合在一起，如果沒有它，折板會(huì)坍塌而破壞。橫隔構(gòu)件可根據(jù)建筑造 型需要來設(shè)計(jì)，如鋼筋混凝土橫隔板、橫隔梁等。折板的波長不宜太 大，否則板太厚，不經(jīng)濟(jì)，一般不應(yīng)大于 12m?？缍扰c波長之比大于等于1時(shí)成為長折板，小于1時(shí)成為短折板。為了獲得良好的力學(xué)性能，長折板的矢高不宜小于跨度的115-110，短折板的矢高則不宜小于波長的 18.。折板結(jié)構(gòu)呈空間受力狀態(tài)，具有良好的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)厚度薄，省材料，可預(yù)置裝配，省模板，構(gòu)造簡單。折板結(jié)構(gòu)可用來建造大

7、跨 度屋頂，也可用作外墻。5、薄殼結(jié)構(gòu)薄殼結(jié)構(gòu)是用混凝土等剛性材料以各種曲面形式構(gòu)成的薄板結(jié)成薄殼結(jié)構(gòu)， 呈空間受力狀態(tài)，主要承受曲向內(nèi)的軸內(nèi)力，而彎矩和扭矩很小，所以混凝土強(qiáng)度能得到充分利用。由于是空間結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度和剛度都非常好。薄殼厚度僅為其跨度的幾百分之一。而一般的平板結(jié)構(gòu)厚度至 少是跨度的幾十分之一。所以薄殼結(jié)構(gòu)具有自重輕、省材料、跨度大、外形多樣的優(yōu)點(diǎn)，可用來覆蓋各種平面形狀的建筑物屋頂。但大多數(shù) 薄殼結(jié)構(gòu)的形體較復(fù)雜，多采用現(xiàn)澆施工，費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、費(fèi)模板，且結(jié)構(gòu)計(jì)算較復(fù)雜，不宜承受集中荷載，這些缺點(diǎn)在一定程度上影響了它的推廣作用。分類：柱面薄殼：是單向有曲率的薄殼，由殼身、側(cè)邊緣構(gòu)件和

8、橫隔組成。圓頂薄殼：是正高斯曲率的旋轉(zhuǎn)曲面殼，由殼面與支座環(huán)組成，殼面厚度做得很薄，一般為曲率半徑的1/600，跨度可以很大。支座環(huán)對(duì)圓頂殼起箍的作用，并通過它將整個(gè)薄殼擱置在支承構(gòu)件上。雙曲扁殼（微彎平板）：一拋物線沿另一正交的拋物線平移形成的曲面，其頂點(diǎn)處矢高與底面短邊邊長之比不應(yīng)超過1/5。雙曲扁殼由殼身及周邊四個(gè)橫隔組成，橫隔為帶拉桿的拱或變高度的梁。適用于覆蓋跨度為2050米的方形或矩形平面（其長短邊之比不宜超過2）的建筑物。雙曲拋物面殼：一豎向拋物線（母線）沿另一凸向與之相反的拋物線（導(dǎo)線）平行移動(dòng)所形成的曲面。此種曲面與水平面截交的曲線為雙曲線，故稱為雙曲拋物面殼。工程中常見的各

9、種扭殼也為其中一種類型，因薄殼結(jié)構(gòu)容易制作，穩(wěn)定性好，容易適應(yīng)建筑功能和造型需要，所以應(yīng)用較為廣泛。薄殼結(jié)構(gòu)的建筑造型是以各種幾何曲面圖為基本特征，基本形式為圓筒形、圓球形、雙曲面拋物型。他與傳統(tǒng)的梁、板。架一類結(jié)構(gòu)相比，在造型上獨(dú)具特色，容易給人以新奇感，突出建筑物的個(gè)性。6、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一種由多種桿件以一定規(guī)律通過節(jié)點(diǎn)組成的空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架桿件主要承受軸力作用，桿件截面尺寸相對(duì)較小，這些空間交匯的桿件又互為支撐，將受力桿件與支承系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，因而用料經(jīng)濟(jì)。由于結(jié)構(gòu)組合規(guī)律性強(qiáng)，桿和節(jié)點(diǎn)形狀、尺寸相同，便于工廠化生產(chǎn)和工地安裝。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般是高次超靜定結(jié)構(gòu)，具有較高安全儲(chǔ)備，能較好

10、的承受集中荷載、動(dòng)力荷載和非對(duì)稱荷載，抗震性能好。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)不同跨度、不同支承條件的公共建筑和工業(yè)廠房的要求，也能適應(yīng)不同建筑平面及其組合。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在大中跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)，這時(shí)采用網(wǎng)架比采用門式剛架及鋼屋架更經(jīng)濟(jì)合理。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由很多桿件從兩個(gè)方向或幾個(gè)方向有規(guī)律的組成的高次超靜定空間結(jié)構(gòu)。它改變了一般平面桁架受力體系，能承受來自各個(gè)方向的荷載。7、懸索結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)是由柔性受拉索及邊緣構(gòu)件或支承塔架所組成的承重結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)是一種受力比較合理的建筑結(jié)構(gòu)形式，將懸索結(jié)構(gòu)與簡支梁兩者的受力情況進(jìn)行對(duì)比，就可以看出這種合理性。簡支梁在豎向荷載作用下，上纖維壓應(yīng)力的合力與下纖維拉應(yīng)力

11、的合力組成了截面的內(nèi)力矩，合力間的距離即為內(nèi)力臂，它總在截面高度的范圍內(nèi)，因此要提高梁的承載能力，就意味著要增加梁的高度。但在懸索結(jié)構(gòu)中，鋼索在自重下就自然形成了垂度，由索中拉力與支承水平力間的距離構(gòu)成的內(nèi)力臂，總在鋼索截面范圍以外，增加垂度也就加大了力臂，從而可以有效地減少索中拉力和鋼索截面面積。8、薄膜結(jié)構(gòu)其力學(xué)特性好，特氟隆類fgt-600型膜材,其3cm條寬的經(jīng)向抗拉強(qiáng)度達(dá)到4 550n,而其厚度僅0.61mm,它的撕裂強(qiáng)度達(dá)到335n;f1002t型膜材,在pvc類膜材中屬中等強(qiáng)度,5cm條寬的經(jīng)向抗拉強(qiáng)度為4200n,厚度也僅0.8mm,其撕裂強(qiáng)度達(dá)到550n。這表明,目前的優(yōu)質(zhì)膜

12、材,其拉伸強(qiáng)度已接近或達(dá)到鋼材的強(qiáng)度;薄膜還有優(yōu)良的光學(xué)、熱學(xué)特性，膜材是半透明的織物,對(duì)自然光有反射、吸收和透射能力,其透光率隨類型不同而異,可達(dá)4%18%。膜材耐高溫,特氟隆在100120下仍能保持性能不變;低到-30時(shí),pvc膜不會(huì)變脆。薄膜有良好的不燃、阻燃性和自潔性特氟隆膜材是由ptfe涂層和玻璃纖維復(fù)合而成。眾所周知,玻璃纖維除了高強(qiáng)度外,就是其極高的不燃性,ptfe俗稱“塑料王”,有極穩(wěn)定的化學(xué)性能,耐腐蝕、抗臟污、膜表面對(duì)鋼的摩擦系數(shù)低達(dá)004;pvc膜材表面還涂有pvdf(聚偏二氟乙烯)薄膜,使抗腐蝕及抗污能力大大增強(qiáng)。膜建筑表面,經(jīng)雨水沖刷,即能自潔。良好的工藝性能膜材強(qiáng)度

13、高,厚度小、重量輕,一般厚度僅0.5 1mm,單位重量約為0.5 1。5kg/m2,這大約是傳統(tǒng)覆蓋材料重量的1/30。這樣的屋頂材料,減少了對(duì)墻、柱等支承構(gòu)件及基礎(chǔ)的要求,一般,膜結(jié)構(gòu)的骨架和支承體系大都為輕鋼結(jié)構(gòu),其加工、制作、安裝均較簡單方便。薄膜結(jié)構(gòu)按支承條件分類為：柔性支承結(jié)構(gòu)體系、剛性支承結(jié)構(gòu)體系、混合支承結(jié)構(gòu)體系，膜結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)可分為：骨格式膜結(jié)構(gòu)、張拉式膜結(jié)充氣式膜結(jié)構(gòu)。骨架式膜結(jié)構(gòu)，以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式,下部支撐結(jié)構(gòu)安定性高，因屋頂造型比較單純,開口部不易受限制。張拉式膜結(jié)構(gòu)，以膜材、鋼索及支柱構(gòu)成，利用鋼索與支柱在膜材中導(dǎo)入張力以達(dá)安定的

14、形式。除了可實(shí)踐具創(chuàng)意，創(chuàng)新且美觀的造型外,也是最能展現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)精神的構(gòu)造形式。充氣式膜結(jié)構(gòu)，充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，利用送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來支撐，及鋼索作為輔助材,無需任何梁,柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟(jì)效益高，但需維持進(jìn)行24小時(shí)送風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在持續(xù)運(yùn)行及機(jī)器維護(hù)費(fèi)用的成本上較高。9、混合形式各種空間結(jié)構(gòu)類型比起其它平面類型的結(jié)構(gòu)形式來，除了在發(fā)揮材料性能、減少結(jié)構(gòu)自重、增加覆蓋面積方面的優(yōu)勢(shì)外，其形狀的富于變化以及支座形式的靈活選用及靈活布置，對(duì)建筑空間以及建筑形態(tài)的構(gòu)成無疑都有著積極的意義?？臻g結(jié)構(gòu)支承

15、系統(tǒng)各向受力，可以較為充分地發(fā)揮材料的性能，因而結(jié)構(gòu)自重小，是覆蓋大跨度空間的理想結(jié)構(gòu)形式?；旌闲问桨凑战ㄖO(shè)計(jì)的要求及材料、結(jié)構(gòu)功能的合理性，以多種形式混合使用。二實(shí)例分析網(wǎng)格結(jié)構(gòu)建筑1.國家大劇院國家大劇院屬于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑。其主體建筑由外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部歌劇院、音樂廳、戲劇場和公共大廳及配套用房組成。外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)殼體，呈半橢球形，其東西長軸為212.20米，南北短軸143.64米，建筑總高度46.285米，地下最深處為-32.50米。橢球形屋面主要采用鈦金屬板，中部為漸開式玻璃幕墻。主體建筑外環(huán)繞人工湖，湖面面積達(dá)35500平方米，北側(cè)主入口為80米長的水下長廊，南側(cè)入

16、口和其它通道也均設(shè)在水下。其殼體采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由北京市建筑設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)結(jié)構(gòu)計(jì)算，中國建筑設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行復(fù)核。在北京市建筑質(zhì)量協(xié)會(huì)評(píng)選結(jié)構(gòu)“長城杯”時(shí)，專家評(píng)審委員會(huì)對(duì)大劇院的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和殼體鋼結(jié)構(gòu)分階段給出了最高標(biāo)準(zhǔn)。這也是北京地區(qū)唯一獲得最高標(biāo)準(zhǔn)的殼體鋼結(jié)構(gòu)工程。專家表示：“國家大劇院的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，不是規(guī)矩的剪力墻 結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)，而是柱子托著墻，墻架著梁，梁上又有墻。國家大劇院鋼殼體為超大型空間鋼結(jié)構(gòu)。其長軸為212.24m,短軸為143.64m,豎軸45.35m。整個(gè)結(jié)構(gòu)完全形成后為穩(wěn)定的殼體結(jié)構(gòu)。國家大劇院鋼殼體由頂環(huán)梁、梁架、斜撐桿及環(huán)向連桿組成。頂環(huán)梁為橢圓形,長軸約60m,短軸38m,自500t左右。梁架又分長軸梁架與短軸梁架,總共有148榀,最大榀的自重約45t。鋼構(gòu)件預(yù)先加工成整件或單元件,在場外進(jìn)行預(yù)拼裝后,運(yùn)送至現(xiàn)場,在現(xiàn)場進(jìn)行組裝。長、短軸梁架分成三段安裝。在安裝過程中,采取設(shè)置必要的下部支撐與支架等一系列措施,來保證安裝過程中殼體結(jié)構(gòu)的安全。梁架的投影長度最長達(dá)76m,必須采用多點(diǎn)支撐,由于梁架吊裝時(shí)一分為三,所以梁架安裝時(shí),除二端有支承外,中間還必須設(shè)置二道支撐。場內(nèi)