大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑造型實(shí)例分析作業(yè)

1、大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑造型實(shí)例分析大跨度建筑通常是指跨度在30米以上的建筑。我國規(guī)范：60m以上的結(jié)構(gòu)為大跨度建筑。類型分為：影劇院、體育場(chǎng)館、展覽館、大會(huì)堂、航空港；工業(yè)建筑：飛機(jī)裝配車間、飛機(jī)庫等。 縱觀大跨度建筑的發(fā)展史，經(jīng)歷了最早人們用時(shí)才來建造穹頂，到中世紀(jì)人們使用木材建造，到19世紀(jì)具有輕質(zhì)，高強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)的鐵的使用，以及現(xiàn)在對(duì)鋼鐵、混凝土、新型材料等的使用。在20世紀(jì)的最后25年里，大跨度建筑結(jié)構(gòu)逐漸占據(jù)了舉足輕重的特殊地位；大跨度建筑往往是衡量一個(gè)國家科技水平的一個(gè)重要指標(biāo)。建筑物的跨度和規(guī)模越來越大，目前，尺度達(dá)150m以上的超大規(guī)模建筑已非個(gè)別；結(jié)構(gòu)形式豐富多彩，采用了許多新材

2、料和新技術(shù)，發(fā)展了許多新的空間結(jié)構(gòu)形式。建筑的外貌愈來愈緊密地與新材料、新結(jié)構(gòu)、新的施工技術(shù)相結(jié)合，覆蓋空間越來越大。由于大跨度建筑多為公共建筑，人流多，占地面積大，因此一般位于城市邊緣或郊區(qū)。 如今這種結(jié)構(gòu)廣泛存在于建筑中，它發(fā)展可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：1）功能復(fù)雜，大型文體表演、盛大博覽會(huì)。2）型材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。3）鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。4）結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求高，成為建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。5）材料和結(jié)構(gòu)方法決定了造型的可能性。6）結(jié)構(gòu)構(gòu)造技術(shù)的發(fā)展制約了大跨度建筑造型的發(fā)展。7）現(xiàn)代大跨度建筑造型已經(jīng)有較大自由。一、建筑結(jié)構(gòu)與建筑造型結(jié)構(gòu)是在特定的材料和施工技術(shù)條件下運(yùn)用力學(xué)原理創(chuàng)造出來

3、的房屋的骨架。而建筑師選擇結(jié)構(gòu)形式，需要對(duì)各種結(jié)構(gòu)的基本的力學(xué)特征和適用范圍有深入的了解，才能夠自由創(chuàng)作，結(jié)構(gòu)和形式統(tǒng)一。正如以上幾結(jié)構(gòu)。大跨度結(jié)構(gòu)形式分類有：1、把結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身作為獨(dú)立的單元來考慮為平面結(jié)構(gòu)體系：拱，桁架，剛架;2、把結(jié)構(gòu)的所有組成構(gòu)件協(xié)同起來共同跨越空間，作為整體來考慮整體作用大于單個(gè)作用之和，且多向受力比單向受力更發(fā)揮材料潛力，空間工作比平面工作更符合力的自然傳遞路線有空間結(jié)構(gòu)體系：網(wǎng)架、薄膜、折板、懸索。讓我們從剛架結(jié)構(gòu)入手了解大跨度建筑。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)。它具有剛度大、變形小、應(yīng)力分布均勻、能大幅度地減輕結(jié)構(gòu)自重和節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可以用木材、鋼

4、筋混凝土或鋼材來做，并且具有多種多樣的形式，使用靈活方便，可適應(yīng)于多種形式的建筑平面的要求。近來國內(nèi)外許多大跨度公共建筑或工業(yè)建筑均普遍地采用這種新型的大跨度空間結(jié)構(gòu)來覆蓋巨大的空間。 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)像框架結(jié)構(gòu)一樣，承重系統(tǒng)與非承重系統(tǒng)有明確的分工，即支承建筑空間的骨架是承重系統(tǒng)，而分割室內(nèi)外空間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)隔斷，是不承受荷載的。在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系下，室內(nèi)空間常依照功能要求進(jìn)行分隔，可以使封閉的，也可以是半封閉或開敞的。 當(dāng)今，空間平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在我國已有較大發(fā)展，而由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)多采用金屬管材制造，能承受較大的縱向彎曲力，與一般鋼結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)約大量鋼材和降低施工費(fèi)用（根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，節(jié)約鋼材約35

5、%，降低施工費(fèi)用約25%，甚至在某些情況下，耗鋼量接近于普通鋼筋混凝土梁中的鋼筋數(shù)量）。因此，空間網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)形式，用于大跨度建筑具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。另外，由于空間平板網(wǎng)架具有很大的剛度，所以結(jié)構(gòu)高度不大，這對(duì)于大跨度空間造型的創(chuàng)作，具有無比的優(yōu)越性。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般是以大致相同的格子或尺寸較小的單元（重復(fù)）組成的。即一種由多根桿件以一定規(guī)律通過節(jié)點(diǎn)組成的空間結(jié)構(gòu)。常應(yīng)用在屋蓋結(jié)構(gòu)。通常將平板型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)架，將曲面型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為網(wǎng)殼。網(wǎng)架一般是雙層的（以保證必要的剛度），在某些情況下也可做成三層，而網(wǎng)殼 有單層和雙層兩種。平板網(wǎng)架無論在設(shè)計(jì)、計(jì)算、構(gòu)造還是施工制作等方面均較簡(jiǎn)便，因

6、此是近乎“全能”的適用大、中、小跨度屋蓋體系的一種良好的形式。同時(shí)網(wǎng)架是一種由很多桿件以一定規(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。 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是高次超靜定空間結(jié)構(gòu)。2空間剛度大、整體性好、

7、抗震能力強(qiáng)，而且能夠承受由于地基不均勻沉降帶來的不利影響。3網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自重輕，用鋼量省；4既適用于中小跨度，也適用于大跨度的房屋；5同時(shí)也適用于各種平面形式的建筑，如：矩形、圓形、扇形及多邊形。6網(wǎng)架結(jié)構(gòu)取材方便，一般采用Q235鋼或Q345鋼，桿件截面形式有鋼管和角鋼兩類，以鋼管采用較多，并可用小規(guī)格的桿件截面建造大跨度的建筑（因?yàn)榫W(wǎng)架結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度，節(jié)省鋼材）。7另外，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)其桿件規(guī)格統(tǒng)一，適宜工廠化生產(chǎn)，為提高工程進(jìn)度提供了有利的條件和保證。它既可用于體育館、俱樂部、展覽館、影劇院、車站候車大廳等公共建筑，近年來也越來越多地用于倉庫、飛機(jī)庫、廠房等工業(yè)建筑中。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式可分

8、為：1按結(jié)構(gòu)組成，通常分為雙層或三層網(wǎng)架；2按支承情況分，有周邊支承、點(diǎn)支承、周邊支承和點(diǎn)支承混合等形式；3按照網(wǎng)架組成情況，可分為由兩向或三向平面桁架組成的交叉桁架體系、由三角錐體或四角錐體組成的空間角錐體系等等。網(wǎng)架按弦桿層數(shù)不同可分為雙層網(wǎng)架和三層網(wǎng)架。雙層網(wǎng)架是由上弦、下弦和腹桿組成的空間結(jié)構(gòu)，是最常用的網(wǎng)架形式。三層網(wǎng)架是由上弦、中弦、下弦、上腹桿和下腹桿組成的空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)架跨度較大時(shí)，三層網(wǎng)架用鋼量比雙層網(wǎng)架用鋼量省。但由于節(jié)點(diǎn)和桿件數(shù)量增多，尤其是中層節(jié)點(diǎn)所連桿件較多，使構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)有所提高。雙層網(wǎng)架的常見形式有：1、平面桁架網(wǎng)架：兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、三向網(wǎng)架

9、2、 四面錐體系網(wǎng)架：正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、 斜放四角錐網(wǎng)架、星形四角錐網(wǎng)架、 棋盤四角錐網(wǎng)架 3、三角錐體體系網(wǎng)架：三角錐網(wǎng)架、抽空三角錐網(wǎng)架、蜂窩形三角錐網(wǎng)架兩向正交斜放 短桁架對(duì)長桁架有嵌固作用，受力有利，角部產(chǎn)生拔力，常取無角部形式。兩向斜交斜放 適用于兩個(gè)方向網(wǎng)格尺寸不同的情形，受力性能欠佳，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較復(fù)雜。三個(gè)方向的平面桁架相互交角60，比兩向網(wǎng)架剛度大，適合大跨度，常用于正三角形，正六邊形平面。 正放四角錐網(wǎng)架空間剛度較好，但桿件數(shù)量較多，用鋼量偏大。適用于接近方形的中小跨度網(wǎng)架，宜采用周邊支承。 鳥巢就是采用了正放四角錐正放抽空四角錐網(wǎng)架，將正放四角錐網(wǎng)架適當(dāng)抽掉

10、一些腹桿和下弦桿。斜放四角錐網(wǎng)架，上弦網(wǎng)格呈正交斜放，下弦網(wǎng)格為正交正放。網(wǎng)架上弦桿短，下弦桿長，受力合理。 適用于中小跨度周邊支承，或周邊支承與點(diǎn)支承相結(jié)合的矩形平面。 星形四角錐網(wǎng)架星形網(wǎng)架上弦桿比下弦桿短，受力合理。豎桿受壓，內(nèi)力等于節(jié)點(diǎn)荷載。星形網(wǎng)架一般用于中小跨度周邊支承情況。 三角錐網(wǎng)架上下弦平面均為正三角形網(wǎng)格，上下弦節(jié)點(diǎn)各連9根桿件。當(dāng)上、下弦桿和腹桿等長時(shí)，三角錐網(wǎng)架受力最均勻：整體性和抗扭剛度好，適用于平面為多邊形的大中跨度建筑。 保持三角錐網(wǎng)架的上弦網(wǎng)格不變，按一定規(guī)律抽去部分腹桿和下弦桿。抽桿后，網(wǎng)架空間剛度受到削弱。下弦桿數(shù)量減少，內(nèi)力較大。抽空三角錐網(wǎng)架適用于平面為

11、多邊形的中小跨度建筑。 上弦網(wǎng)格為三角形和六邊形，下弦網(wǎng)格為六邊形。腹桿與下弦桿位于同一豎向平面內(nèi)。節(jié)點(diǎn)、桿件數(shù)量都較少，適用于周邊支承，中小跨度屋蓋。蜂窩形三角錐網(wǎng)架本身是幾何可變的：借助于支座水平約束來保證其幾何不變。 網(wǎng)架支撐方式與建筑造型有：1、拱形網(wǎng)架支撐在兩排列住上2、穹形網(wǎng)架支撐在周邊柱上。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的使用原則：網(wǎng)架的選型應(yīng)結(jié)合工程的平面形狀、建筑要求、荷載和跨度的大小、支承情況和造價(jià)等因素綜合分析確定。平面形狀為矩形的周邊支承網(wǎng)架，當(dāng)其邊長比(長邊短邊)小于或等于1.5時(shí)，宜選用正放或斜放四角錐網(wǎng)架，棋盤形四角錐網(wǎng)架，正放抽空四角錐網(wǎng)架，兩向正交斜放或正放網(wǎng)架。對(duì)中小跨度，也可選

12、用星形四角錐網(wǎng)架和蜂窩形三角錐網(wǎng)架。平面形狀為矩形的周邊支承網(wǎng)架，當(dāng)其邊長比大于1.5時(shí)，宜選用兩向正交正放網(wǎng)架，正放四角錐網(wǎng)架或正放抽空四角錐網(wǎng)架。當(dāng)邊長比不大于2時(shí)，也可用斜放四角錐網(wǎng)架。平面形狀為矩形、多點(diǎn)支承的網(wǎng)架，可選用正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架，兩向正交正放網(wǎng)架。對(duì)多點(diǎn)支承和周邊支承相結(jié)合的多跨網(wǎng)架還可選用兩向正交斜放網(wǎng)架或斜放四角錐網(wǎng)架。平面形狀為圓形、正六邊形及接近正六邊形且為周邊支承網(wǎng)架，可選用三向網(wǎng)架，三角錐網(wǎng)架或抽空三角錐網(wǎng)架。對(duì)中小跨度也可選用蜂窩形三角錐網(wǎng)架。 對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)：優(yōu)選三向交叉網(wǎng)架和三角錐網(wǎng)架對(duì)于平面交叉桁架體系而言，平面形狀為方形或接近方形宜采用

13、正交正放形式；平面形狀為矩形時(shí)，宜采用正交斜放形式；不推薦采用斜交斜放形式。對(duì)四角錐體系網(wǎng)架而言，正放受力均勻，剛度最好；正放抽空節(jié)約鋼材，便于采光、通風(fēng)；斜放和星形有利于充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度。當(dāng)平面形狀為三邊形、六邊形或圓形時(shí)，三角錐體系網(wǎng)架是首選。其中，三角錐網(wǎng)架剛度最大；抽空三角錐次之，但用料節(jié)省、構(gòu)造簡(jiǎn)單；蜂窩形剛度最差，選用時(shí)應(yīng)與周邊支承相結(jié)合。支承方式選擇：周邊支承適用于大、中跨網(wǎng)架；點(diǎn)支承布置靈活，適用于大柱距的廠房、倉庫；混合支承適用于飛機(jī)庫或裝配車間。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承方式與節(jié)點(diǎn)1周邊支承是在網(wǎng)架四周全部或部分邊界節(jié)點(diǎn)設(shè)置支座(圖a，b)，支座可支承在柱頂或圈梁上，網(wǎng)架受力類似于四

14、邊支承板，是常用的支承方式。為了減小彎矩，也可將周邊支座略為縮進(jìn)，如圖(c) 2點(diǎn)支承網(wǎng)架受力與鋼筋混凝土無梁樓蓋相似。 為減小跨中正彎矩及撓度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量帶有懸挑，多點(diǎn)支承網(wǎng)架的懸挑長度可取跨度的1413 (如圖)。 3周邊支撐與點(diǎn)支承結(jié)合平面尺寸很大的建筑物，除在網(wǎng)架周邊設(shè)置支承外，可在內(nèi)部增設(shè)中間支承，以減小網(wǎng)架桿件內(nèi)力及撓度。二、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)實(shí)例分析1、 A380 機(jī)庫位于首都機(jī)場(chǎng)3 號(hào)航站樓的北側(cè), 其施工單位是北京建工集團(tuán), 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案由中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提供。該工程總建筑面積6.4 萬m2 , 局部地上3 層, 地下1 層, 由機(jī)庫大廳和附樓兩部分組成, 其中機(jī)庫大廳跨度

15、2m *176.3m,進(jìn)深110m, 屋蓋頂標(biāo)高+ 39.800m。建成后可同時(shí)容納4 架A380 空中客機(jī)或兩架A380 和4 架B747大型客機(jī), 是目前世界上最大的飛機(jī)維修庫。屋蓋結(jié)構(gòu)為3 層焊接球型鋼網(wǎng)架, 總面積3.9 萬m2 , 總質(zhì)量約為7 000t, 采用地面組拼、一次整體提升到位的施工方案, 其一次提升面積和重量均堪稱世界之最。在機(jī)庫建設(shè)中屋蓋結(jié)構(gòu)的整體提升無疑是最大的技術(shù)難點(diǎn)。機(jī)庫結(jié)構(gòu)平面圖和結(jié)構(gòu)立面圖如圖所示，其中機(jī)庫大門處網(wǎng)架邊梁設(shè)計(jì)成一箱形的空間桁架兩跨連續(xù)鋼梁，寬9.5m，高11.5m。2、50年代后期上海同濟(jì)大學(xué)曾建造了裝配整體式鋼筋混凝土單層聯(lián)方網(wǎng)架殼形結(jié)構(gòu)建筑

16、，大廳部分凈跨度為40米，外跨度54米。上海文化廣場(chǎng)的改建設(shè)計(jì)采用鋼結(jié)構(gòu)球節(jié)點(diǎn)平板型網(wǎng)架，1970年建成。3、新奧爾良的路易斯安那超級(jí)圓頂體育館是世界上最大的室內(nèi)體育場(chǎng)。它建于1975年，是美國路易斯安那州新奧爾良市市中心的一座巨大圓形建筑。給人印象最深的是它那高聳外彎、厚實(shí)無窗的弧型墻，墻的上端冠以世界上有史以來最大的圓頂，蓋住了整個(gè)體育場(chǎng)。圓頂直徑達(dá)210米，體育場(chǎng)占地總面積為21萬平方米。 三、總結(jié)：大跨度建筑的利與弊利：近二三十年來，各種類型的大跨度建筑所取得的成就，已有力地說明了新技術(shù)革命為人們所帶來的效益。它使人們的夢(mèng)想成真，并使這類本來受技術(shù)條件制約極大的建筑居然能在建筑技術(shù)與建

17、筑藝術(shù)有機(jī)結(jié)合中產(chǎn)生多姿多彩的藝術(shù)風(fēng)貌，令人耳目一新。弊：但是目前看來，要增加建筑的跨度在技術(shù)上并非是不可解決的事，問題是造價(jià)不成比例的飆升是否值得，以及由于建筑過大、人口在一個(gè)建筑某一段時(shí)間內(nèi)的過于集中而產(chǎn)生的一系列其他問題，例如建筑在日常運(yùn)作中過分依靠能源，與人們?cè)诮煌c進(jìn)出的高峰時(shí)間中所形成的建筑內(nèi)部與建筑對(duì)城市的交通壓力等。因此問題不是越高越大就越好，而是究竟要建多大與多高。大跨度建筑迅速發(fā)展的原因一方面是由于社會(huì)發(fā)展使建筑功能愈來愈復(fù)雜，需要建造高大的建筑空間來滿足群眾集會(huì)、舉行大型的文藝體育表演、舉辦盛大的各種博覽會(huì)等；另一方面則是新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的出現(xiàn)，促進(jìn)了大跨度建筑的進(jìn)步。一是需要，二是可能，兩者相輔相成，相互促進(jìn)，缺一不可。例如在古希臘古羅馬時(shí)代就出現(xiàn)了規(guī)模宏大的容納幾萬人的大劇場(chǎng)和大角斗場(chǎng)，但當(dāng)時(shí)的材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)條件卻無法建造能覆蓋