大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式及建筑造型實例分析

1、大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑造型實例分析1.大跨度建筑的發(fā)展 大跨度建筑在人類的發(fā)展中一直在發(fā)展，這象征著人類對結(jié)構(gòu)的探索欲和對于技術(shù)的不斷先進(jìn)追求。大跨度空間結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型。大跨度建筑及作為其核心的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)況是代表一個國家建筑科技水平的重要標(biāo)志之一。而大跨度結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式是多種多樣的，近年來，由于現(xiàn)代技術(shù)的支撐和新型材料的加盟，網(wǎng)架、網(wǎng)殼、管桁結(jié)構(gòu)等大跨空間鋼結(jié)構(gòu)獲得了廣泛應(yīng)用。然而，要保證大跨空間鋼結(jié)構(gòu)得以健康發(fā)展，還必須加快一系列空間結(jié)構(gòu)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，加強鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)資質(zhì)認(rèn)證與管理，提升大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制作、安裝水平。 結(jié)構(gòu)新材料的應(yīng)用進(jìn)一步推動了大跨空間鋼結(jié)

2、構(gòu)的發(fā)展。在普通碳素鋼獲得大量應(yīng)用的同時，不銹鋼、鋁合金、膜材也在許多大跨度建筑中獲得了應(yīng)用。國際上已有許多專業(yè)生產(chǎn)公司建成了較多的鋁合金結(jié)構(gòu)。我國天津大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上?，F(xiàn)代設(shè)計集團(tuán)、中國建筑科學(xué)研究院等已開始進(jìn)行基礎(chǔ)性研究和工程實踐，積極進(jìn)行產(chǎn)品研制、開發(fā)。不銹鋼材料(含鉻量12%的鐵基耐蝕合金)是隨著對裝飾與防腐要求的提高而在空間結(jié)構(gòu)中獲得應(yīng)用的，它集裝飾、受力、防腐于一體的特點倍受青睞。鑒于目前不銹鋼材料的價格遠(yuǎn)高于普通鋼材，近年來一些單位已研制成功在普通碳素鋼管基礎(chǔ)上外包不銹鋼皮而形成的復(fù)合技術(shù)，開發(fā)出不銹鋼復(fù)合鋼管網(wǎng)架，并進(jìn)行了一些工程實踐。既保持了不銹鋼與普通碳素鋼的優(yōu)點，又大幅

3、度降低造價，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 計算技術(shù)的進(jìn)步為大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展也創(chuàng)造了有利條件。近年來計算技術(shù)有了長足的進(jìn)步，許多單位研制開發(fā)了商品化專用設(shè)計程序，它們都是建立在理論研究與大量工程實踐的基礎(chǔ)上而推向市場的。它們一般都具有完善的前后處理功能，可在微機(jī)上進(jìn)行復(fù)雜的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計。有的軟件除用于空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)外，也可用于索、桿、梁體系的設(shè)計分析。這些程序的推出為大跨空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有效手段，也為大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。其中不少軟件曾在國內(nèi)許多大型空間鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計中發(fā)揮重要作用。 在大跨空間鋼結(jié)構(gòu)獲得迅猛發(fā)展之際，強化質(zhì)量管理，加快制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提升企業(yè)管理水平提

4、到了重要議事日程。目前與大跨空間鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范已逐步趨于完善。如鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，經(jīng)過修改后將進(jìn)一步完善，使管桁等大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計更有依據(jù)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的編制將使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工建立在更為可靠的基礎(chǔ)上。其他各類規(guī)程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等正在制定或逐步完善之中。 目前我國從事大跨鋼結(jié)構(gòu)制作的企業(yè)技術(shù)裝備、技術(shù)水平和人員技術(shù)素質(zhì)良莠不齊，有些不具備設(shè)計、施工資質(zhì)的企業(yè)，以不正當(dāng)?shù)氖侄?、低廉的價格活躍在建筑市場，擾亂了正常的市場競爭秩序。由他們承建的工程往往留下質(zhì)量隱患，一遇突發(fā)情況常易釀成重大工程事故。為此有關(guān)主管部門必須加強審查、審核，從事大跨鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作安裝的企業(yè)必須具有國家技術(shù)

5、監(jiān)督部門資質(zhì)論證機(jī)構(gòu)發(fā)放的資質(zhì)證書，建立健全企業(yè)的質(zhì)量保證體系，對產(chǎn)品形成的每一道環(huán)節(jié)都能有效地進(jìn)行質(zhì)量控制；有關(guān)人員則必須進(jìn)行相關(guān)考核并具有上崗證書。 2.大跨度結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式平面結(jié)構(gòu) 由一些強度不大的縱向構(gòu)件將平面結(jié)構(gòu)連接起來構(gòu)成縱向構(gòu)件層層重復(fù)傳遞荷載，并不分擔(dān)荷載梁式，框架式和拱式結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu) 加強連接平面結(jié)構(gòu)的縱向構(gòu)件以形成一個整體結(jié)構(gòu)，共同承載克服荷載層層重復(fù)傳遞，經(jīng)濟(jì)性好，整體剛度大，抗震性能好主要包括懸索結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等空間作用(diaphragm，蒙皮效應(yīng))1 梁式結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用特點 不產(chǎn)生水平推力(可支承于墻壁，磚石或混凝土柱上) 制造和安裝較簡單應(yīng)用 可用于40m

6、60m左右的工業(yè)和民用建筑物中屋架主檁條檁條5070m812m4050m屋架檁條68m簡單式2 框架結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用特點 與梁式相比，框架結(jié)構(gòu)可降低建筑物高度 結(jié)構(gòu)上比梁式結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì) 結(jié)構(gòu)布置 橫向框架布置(跨度大于60m時，應(yīng)增大框架間距，常導(dǎo)致復(fù)雜布置) 縱向框架布置(跨度較小時，特別有利，可向外懸伸，用于機(jī)庫等)結(jié)構(gòu)型式 跨度在5060m時，常用雙鉸實腹式框架(常用工字形截面) 減輕基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)；結(jié)構(gòu)可外露；橫梁高度可取跨度的1/201/12 設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉桿減少跨中彎矩，橫梁高度可取跨度的1/401/303 拱式結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用特點 拱式屋蓋受力合理 比梁式和框架式屋蓋結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好(跨度超過

7、80m時尤為顯著) 結(jié)構(gòu)布置 跨度為4060m時，拱間距可取610m，無檁或型鋼檁條結(jié)構(gòu)型式 雙鉸拱(最常見，制作安裝方便，較經(jīng)濟(jì)，溫度應(yīng)力低) 無鉸拱(最經(jīng)濟(jì)，須設(shè)強支座，溫度應(yīng)力高) 三鉸拱(應(yīng)用不廣，拱頂鉸使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化)4.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點 空間結(jié)構(gòu)體系，高次超靜定 能承受來自各個方向的荷載 整體性好，空間剛度大，體系穩(wěn)定 抗震性能好 可利用小規(guī)格的桿件建成大跨度的結(jié)構(gòu) 自重較輕，節(jié)約材料 桿件規(guī)格劃一，適于工業(yè)化生產(chǎn) 適應(yīng)性好應(yīng)用 廣泛應(yīng)用于公共建筑及工業(yè)廠房中選擇網(wǎng)架型式考慮的因素： 建筑物的平面形狀和尺寸、支承情況、荷載大小、屋面構(gòu)造、建筑要求、制造和安裝的方法及材料供應(yīng)情況等 從平面

8、形狀和大小來看，當(dāng)周邊簡支時： 平面為方形或接近方形，且為中小跨度時，宜采用兩向正交斜放交叉梁系網(wǎng)架，或正放和斜放四角錐網(wǎng)架。 平面為矩形時，宜采用兩向正交斜放交叉梁系網(wǎng)架，或斜放四角錐網(wǎng)架。 平面為圓形、八角形、六角形、扇形，且平面尺寸較大時，可選用三向交叉梁系網(wǎng)架，或三角錐網(wǎng)架。 從屋面構(gòu)造來看： 正放網(wǎng)架的屋面板規(guī)格常一種，而斜放網(wǎng)架卻有兩三種。倒錐體網(wǎng)架的上弦網(wǎng)格較小，因而屋面板規(guī)格也較小網(wǎng)架類別(以網(wǎng)架構(gòu)成方式分類) 交叉平面桁架體系（兩組桁架交叉梁系、三組桁架交叉梁系） 交叉空間桁架體系（四角錐體、三角錐體、六角錐體）4.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種曲面形網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 。有單層和雙層網(wǎng)殼之

9、分。特點 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兼有桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特征，桿件比 較單一，受力比較合理。 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的剛度大，跨越能力大。 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可以用小型構(gòu)件組裝成大型空間，綜合技術(shù)經(jīng) 濟(jì)指標(biāo)較好。 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的分析計算已成熟。 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的造型豐富多彩。 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分類1：按曲面的曲率半徑：正高斯曲率（K 0）網(wǎng)殼 零高斯曲率（K = 0）網(wǎng)殼 負(fù)高斯曲率（K 0）網(wǎng)殼2：按網(wǎng)殼的層數(shù)：單層網(wǎng)殼，雙層網(wǎng)殼，局部雙層（單 層）網(wǎng)殼。3：按網(wǎng)殼的用材：鋼網(wǎng)殼，木網(wǎng)殼，鋼筋混凝土網(wǎng)殼， 組合網(wǎng)殼。4：按曲面外形：柱面網(wǎng)殼，球面網(wǎng)殼，橢圓拋物面網(wǎng)殼 ，雙曲拋物面網(wǎng)殼。5. 懸索結(jié)構(gòu)特點 軸向拉伸抵抗外荷作用，充分利用鋼材強度

10、 施工方便，費用低 便于建筑造型 單層懸索結(jié)構(gòu) 平行布置形式(跨度可達(dá)80m) 雙層懸索結(jié)構(gòu) 一般形式 由下凹的承重索，上凸的穩(wěn)定索及它們之間的連系桿組成 承重索垂跨比一般取1/201/15 ，穩(wěn)定索拱跨比一般取1/201/25 幅射式及網(wǎng)狀布置形式鞍形索網(wǎng)布置形式鞍形索網(wǎng)布置形式建筑案例實際分析1.黑龍江滑冰館,L=86m雙層懸索結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)采用由中央圓柱面與兩端半圓球面組成的雙層網(wǎng)殼，其輪廓尺寸為86.2m191.2m，支承在下部三角形框架上，覆蓋了200m速滑跑道。 2.悉尼超級穹頂體育館是被作為2000年奧林匹克運動會的多功能體育館進(jìn)行設(shè)計的。 菲利普考克斯與其合作者們把大穹頂體育館想

11、象成一座龐大、水平且半透明的建筑。建筑外形呈鼓狀，由24根鋼柱支撐著的放射狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成了遮蓋賽場的輕型屋蓋體系。為使其尺度不至于過大，他們在兩側(cè)設(shè)置了環(huán)抱體育場的輕質(zhì)廊道，這就給這個大尺度的表皮添上了一些人性化的細(xì)部。但是要欣賞大穹頂還是需要一定的角度和高度，所以他們在設(shè)計時運用了一種類似桅桿的結(jié)構(gòu)，就像是一個花冠圍繞在體育館的周圍。他們以其纖細(xì)但不失強度的懸索和自由排列的柱廊強調(diào)大穹頂?shù)恼w外觀。支撐柱廊的是樹狀的柱子，屋頂采用了有拉索支撐的桁架結(jié)構(gòu)，大尺度出挑的屋檐為場館提供了陰涼的空間。3.日本東京代代木體育館 鞍形索網(wǎng)懸掛在兩個塔柱上的兩條中央懸索及分列兩側(cè)的兩片鞍形索網(wǎng)是屋蓋結(jié)構(gòu)的

12、主要組成部分。高聳的塔柱、下垂的主懸索和流暢的兩片鞍形曲面組成了雄偉別致的建筑物 4.老山自行車館采用雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)2008 奧運會老山自行車賽館位于北京石景山區(qū)老山街，結(jié)構(gòu)跨度149.536m，凈高14.69m，矢跨比約為1/10網(wǎng)殼支承于傾斜人字形鋼柱及柱頂環(huán)形桁架之上，柱頂支承跨度為133.06m網(wǎng)格尺寸約4m，網(wǎng)殼厚度2.8m，為跨度的1/47.5，屋蓋以金屬屋面板為主，中部設(shè)玻璃采光帶該網(wǎng)殼為目前我國跨度最大的雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。5.威海體育中心 造型獨特新穎，象一只待飛的飛行器。體育場看臺主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土斜向框架?？磁_上空設(shè)一大型輕質(zhì)罩蓬，采用膜結(jié)構(gòu)設(shè)計。其外緣水平投影呈近似橢圓形，輪廓尺寸236m209m，內(nèi)環(huán)尺寸205m143m，罩蓬覆蓋面積約25000m2。罩蓬由44座傘型膜結(jié)構(gòu)單元連接而成，各傘形膜結(jié)構(gòu)單元由膜、桅桿、前脊索、后脊索