大跨建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)思與結(jié)構(gòu)選型

1、大跨建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)思與結(jié)構(gòu)選型>>讀書(shū)筆記大空間公共建筑結(jié)構(gòu)與建筑有著密切的關(guān)系，建筑的形象及構(gòu)筑，以及建筑的空間，都與結(jié)構(gòu)形式息息相關(guān)。結(jié)構(gòu)本身制約著建筑的外觀造型，影響著建筑的構(gòu)筑方式以及建設(shè)成本，在一定程度上影響或限制了設(shè)計(jì)師的構(gòu)思。但是，如果掌握各種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)并很好地利用，就可以由被動(dòng)變主動(dòng)，創(chuàng)作出別具特色的建筑作品。總之,建筑與結(jié)構(gòu)在大空間公共建筑設(shè)計(jì)中有著很強(qiáng)的依存、制約和促進(jìn)的關(guān)系。在我國(guó)，自從實(shí)施改革開(kāi)放政策以來(lái)，大空間建筑發(fā)展迅速，并出現(xiàn)了很多聞名世界的建筑。其中，體育建筑是重要的一份子。例如深圳體育館和吉林冰球館，都以其特殊的造型和結(jié)構(gòu)形式被人們所熟知。博覽建筑

2、也因其重要的作用迅速發(fā)展，其中由于功能要求，大空間博覽建筑如雨后春筍般出現(xiàn)。還有交通建筑，特別是航空港建筑發(fā)展迅速，規(guī)模巨大。幾乎我國(guó)各省市中心城市都建設(shè)起現(xiàn)代化機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓。這些機(jī)場(chǎng)采用了各種結(jié)構(gòu)形式，造型多種多樣，成為現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要展示場(chǎng)。國(guó)外經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家的大空間公共建筑有著更長(zhǎng)的歷史和卓越的成就，羅馬小體育館和利雅得體育場(chǎng)、墨西哥城咖啡廳都以其獨(dú)特的造型、結(jié)構(gòu)形式和新材料新技術(shù)的應(yīng)用得到世界各國(guó)的關(guān)注。現(xiàn)實(shí)表明，大空間建筑的構(gòu)筑都與結(jié)構(gòu)形式關(guān)系密切，不同的結(jié)構(gòu)形式有著各自的特點(diǎn)，我們只有掌握了它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，才能更好的利用它們，創(chuàng)作出更好的作品。1、大空間建筑的構(gòu)筑與結(jié)構(gòu)形式一、

3、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：用鋼量比桁架等平面結(jié)構(gòu)少得多，重量輕，施工簡(jiǎn)便（螺栓球節(jié)點(diǎn)），工期短，造價(jià)低，抗震性能好，剛度大等等。適用范圍：廣泛，小至一二十米的雨篷，大至上百米的屋蓋。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)建筑平面空間布局的制約相對(duì)較小，外觀輕快平直，對(duì)建筑體型影響也較小，給建筑創(chuàng)作留有較大的構(gòu)思余地。發(fā)展現(xiàn)狀：在我國(guó)，經(jīng)過(guò)多年的研究和大量實(shí)踐的檢驗(yàn)修正，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論已比較成熟，并培育了比較強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和理論研究隊(duì)伍，足以勝任各種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)。施工技術(shù)較成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富，并形成了專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)和施工的廠(chǎng)家。二、網(wǎng)殼優(yōu)點(diǎn)：靠空間體形受力，工廠(chǎng)生產(chǎn)構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)組裝的施工方便、快速，受力合理，剛度大，自重輕，體形美觀多變，技術(shù)經(jīng)

4、濟(jì)指標(biāo)好。形式：球面網(wǎng)殼、雙曲面扁網(wǎng)殼、柱面網(wǎng)殼、扭網(wǎng)殼（雙曲拋物線(xiàn)面網(wǎng)殼），并有多種組合形式。缺點(diǎn)：因?yàn)榫W(wǎng)殼結(jié)構(gòu)只有保持合理的空間體形才具備受力合理的特點(diǎn)，所以，對(duì)建筑的平面空間形狀有很強(qiáng)的制約作用，對(duì)建筑體形有決定性的影響。三、懸索結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)：將結(jié)構(gòu)內(nèi)力的拉壓分開(kāi)，分別由長(zhǎng)于受拉的鋼索和長(zhǎng)于受壓的鋼筋混凝土或木結(jié)構(gòu)承受拉力和壓力，發(fā)揮各自專(zhuān)長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)：受力合理，耗材省。建筑輪廓流暢，形體優(yōu)美。我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀：輪輻式雙層索系、雙曲拋物面索系、索桁架平面索系、索桁架空間索系、單層平面索系、傘形單層輻射索系、懸掛索網(wǎng)、斜拉屋蓋，以及組合式索網(wǎng)屋蓋。四、薄膜結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：材質(zhì)輕薄透光、表面光潔亮麗、形狀

5、飄逸多變。缺點(diǎn)：膜材造價(jià)較高，使用壽命相對(duì)較短。大跨結(jié)構(gòu)發(fā)展的動(dòng)因和條件1、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)需求2.材料3.計(jì)算理論4.計(jì)算工具5.施工技術(shù)2、建筑與結(jié)構(gòu)大空間公共建筑與結(jié)構(gòu)的依存和制約關(guān)系十分顯著，其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于一般中小跨度建筑，其關(guān)系更應(yīng)深入探討。（一）結(jié)構(gòu)對(duì)建筑的制約其主要表現(xiàn)：1、空間和形體2、界面和形象3、形式美的表達(dá)（二）建筑與結(jié)構(gòu)的相互促進(jìn)大空間公共建筑對(duì)結(jié)構(gòu)的最主要要求就是形式多樣化，為建筑創(chuàng)作提供得心應(yīng)手的手段，這是建筑對(duì)結(jié)構(gòu)的最大促進(jìn)。反之，當(dāng)結(jié)構(gòu)技術(shù)取得突破，就為建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)造了更大的創(chuàng)作余地，促進(jìn)建筑的發(fā)展。（三）結(jié)構(gòu)與建筑的相對(duì)關(guān)系建筑創(chuàng)作的核心在于創(chuàng)造人工空間，滿(mǎn)足人們的

6、物質(zhì)和精神需要，結(jié)構(gòu)創(chuàng)作的核心是實(shí)體，是構(gòu)筑空間的有形物質(zhì)?？臻g與實(shí)體相互依存，但空間是主角，是建筑的目的，實(shí)體是服務(wù)于空間的物質(zhì)手段?？梢?jiàn)其主從地位分明。（四）結(jié)構(gòu)與建筑的矛盾建筑創(chuàng)作貴在創(chuàng)新，個(gè)性化則是其重要的體現(xiàn)。個(gè)性化要求不僅在于它與周?chē)渌ㄖ?yīng)有明顯的區(qū)別，更在于它與同類(lèi)建筑相比有自己的鮮明個(gè)性，不落雷同，這可能是大空間公共建筑創(chuàng)作的最大難點(diǎn)。建筑個(gè)性化創(chuàng)作直接涉及到結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，為建筑創(chuàng)作提供較廣泛的自由選擇和加工改造的余地。然而，現(xiàn)實(shí)情況是流行的結(jié)構(gòu)形式同需要相比很有限，同多樣化的需求差距較大，矛盾比較突出。這或許就是大空間公共建筑與結(jié)構(gòu)的最本質(zhì)的矛盾3、建筑師與

7、工程師建筑工程是多學(xué)科知識(shí)的凝聚和多種專(zhuān)業(yè)技術(shù)的綜合，它既需要專(zhuān)業(yè)分工和細(xì)化，做精深的技術(shù)工作，更需要專(zhuān)業(yè)間的密切合作，創(chuàng)作出融合協(xié)調(diào)的作品。一、建筑師職責(zé)（一）建筑構(gòu)思必須牽涉到結(jié)構(gòu)構(gòu)思，其建筑構(gòu)思需要與結(jié)構(gòu)構(gòu)思同步進(jìn)行。這兩種構(gòu)思只能都由建筑師來(lái)完成。（二）建筑造型應(yīng)該正確反映結(jié)構(gòu)形態(tài)，構(gòu)筑的建筑形體既應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理，也應(yīng)正確表達(dá)力的傳遞，形式與技術(shù)緊密結(jié)合。（三）建筑師肩負(fù)主持工程設(shè)計(jì)重任，應(yīng)積極協(xié)調(diào)各專(zhuān)業(yè)技術(shù)的交叉和矛盾，使之成為相互合作的綜合產(chǎn)品。總之，建筑師在結(jié)構(gòu)構(gòu)思和結(jié)構(gòu)選型方面負(fù)有主導(dǎo)作用，既要有一定的概念性結(jié)構(gòu)知識(shí)和掌握構(gòu)思方法的共同語(yǔ)言，也要有同結(jié)構(gòu)工程師密切合作，互相理解、支

8、持、禮讓等精神。二、結(jié)構(gòu)工程師的任務(wù)（一）工程師應(yīng)及早參與結(jié)構(gòu)構(gòu)思（二）完成結(jié)構(gòu)計(jì)算及落實(shí)技術(shù)細(xì)節(jié)三、專(zhuān)業(yè)合作（一）擴(kuò)展知識(shí)，建立合作基礎(chǔ)（二）研究結(jié)構(gòu)形態(tài)，發(fā)展邊緣學(xué)科4、大跨結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)及其運(yùn)用（一）結(jié)構(gòu)的要素及其相互關(guān)系1、結(jié)構(gòu)離不開(kāi)力的作用2、結(jié)構(gòu)在力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的反應(yīng)，這主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的變形上3、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身是作用-系統(tǒng)-反應(yīng)這一關(guān)系鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。（二）結(jié)構(gòu)的基本概念結(jié)構(gòu)的形態(tài)，一方面取決于建筑的功能與造型要求，另一反面取決于結(jié)構(gòu)的受力情況。1、結(jié)構(gòu)的受力（1）直接作用直接以力的形式對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用（2）間接作用是由于地面運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)變形、溫度變化、材料性能改變（材料老化、變性

9、）等因素引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生力的作用。2、荷載的分類(lèi)（1）按作用時(shí)間分為恒荷載、活荷載、偶然荷載。（2）按分布情況分為集中荷載、分布荷載。（3）按作用性質(zhì)分為靜力荷載、動(dòng)力荷載。3、結(jié)構(gòu)的效應(yīng)內(nèi)力指結(jié)構(gòu)在直接或間接作用下，其內(nèi)部各組成部分之間產(chǎn)生的力的相互作用，包括軸力、剪力、彎矩、扭矩?？赏ㄟ^(guò)內(nèi)力對(duì)于面積的集度-應(yīng)力來(lái)反映。變形指結(jié)構(gòu)相對(duì)于自身的形狀改變，包括長(zhǎng)度、撓度和角度的變化?？捎米冃螌?duì)于長(zhǎng)度的集度-應(yīng)變來(lái)表達(dá)。位移指結(jié)構(gòu)的整體性位置變化，還可用來(lái)描述結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)的位置變化，包括傾斜、滑移、整體沉陷和局部沉陷等。4、結(jié)構(gòu)的約束體現(xiàn)在兩方面：支座條件位于結(jié)構(gòu)的支撐部位，須通過(guò)外力提供平衡條件

10、。有鉸支、固定、滑動(dòng)和彈性支座等形式。構(gòu)造條件位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，以構(gòu)造手段控制結(jié)構(gòu)變形。另外，用于降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)的主動(dòng)控制或被動(dòng)控制手段，也可看作是一種約束。5、結(jié)構(gòu)的性能結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度指結(jié)構(gòu)的承載能力，即結(jié)構(gòu)能夠抵御某種作用而不至于破壞的能力。取決于材料強(qiáng)度、構(gòu)件形式、結(jié)構(gòu)構(gòu)成方式、結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的剛度結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。對(duì)大跨度建筑結(jié)構(gòu)，剛度的好壞直接反映在撓度、支座滑動(dòng)、風(fēng)作用下屋面的顫動(dòng)幅度等方面。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)維持自身穩(wěn)定狀態(tài)的能力。主要體現(xiàn)在承載力的穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)形態(tài)的穩(wěn)定。二、結(jié)構(gòu)的分類(lèi)（一）按結(jié)構(gòu)材料分類(lèi)（最常用）1、砌體結(jié)構(gòu)由磚石混凝土等各種砌塊組成。多用于拱、穹頂和支撐、圍護(hù)結(jié)

11、構(gòu)。2、木結(jié)構(gòu)以木材為主要結(jié)構(gòu)材料，可用于剛架、拱以及大量網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。3、混凝土結(jié)構(gòu)通常配置鋼筋。多用于以承受壓力為主的結(jié)構(gòu)。有現(xiàn)澆和裝配形式。4、鋼結(jié)構(gòu)鋼材的抗拉、抗壓強(qiáng)度都很高，適用范圍較廣。此外，還有鋁合金結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、紙結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)。（二）按結(jié)構(gòu)受力分類(lèi)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)分為：拉、壓、彎、剪、扭五大類(lèi)。從整體作用來(lái)看，結(jié)構(gòu)按受力方向分為：抗水平力體系、抗豎向力體系、抗傾覆力體系等。大跨結(jié)構(gòu)主要是要抵御豎向作用。（三）按結(jié)構(gòu)的空間布置分類(lèi)結(jié)構(gòu)布置可按平面結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)兩類(lèi)方法布置。1、平面結(jié)構(gòu)假定結(jié)構(gòu)的作用力及其位移和變形都在結(jié)構(gòu)所處的平面內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)傳力路線(xiàn)明確，構(gòu)件的合理型

12、式易于判斷和確定，也易于同建筑的形態(tài)要求和吻合。2、空間結(jié)構(gòu)將結(jié)構(gòu)定義為三維空間受力結(jié)構(gòu)體系。與結(jié)構(gòu)實(shí)際工作情況更加接近，設(shè)計(jì)結(jié)果也更為經(jīng)濟(jì)。此外，結(jié)構(gòu)還可按形態(tài)分為體、線(xiàn)、面等結(jié)構(gòu)。三、結(jié)構(gòu)的力學(xué)規(guī)律與造型相關(guān)的主要的結(jié)構(gòu)原則：（一）力的分布與描述力是物體間的一種作用。包含外力與內(nèi)力。內(nèi)力是用于描述構(gòu)件內(nèi)部力的分布情況的一種物理量。（二）力與變形的關(guān)系結(jié)構(gòu)的變形曲線(xiàn)與荷載、支座條件、結(jié)構(gòu)布置等都有直接關(guān)系。（三）受壓構(gòu)件的確定（四）結(jié)構(gòu)的整體性幾何不變的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定體系，有靜定與超靜定之分。四、結(jié)構(gòu)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)單體：能夠維持結(jié)構(gòu)形態(tài)穩(wěn)定的最小單位。對(duì)結(jié)構(gòu)可進(jìn)行分級(jí)劃分：（框架結(jié)構(gòu)）一級(jí)結(jié)構(gòu)：支撐

13、柱與主梁或屋架構(gòu)成的結(jié)構(gòu)骨架。二級(jí)結(jié)構(gòu)：梁、柱、屋架等。三級(jí)結(jié)構(gòu)：屋架或大梁內(nèi)部的腹桿、弦桿或受拉、受壓部件。結(jié)構(gòu)的可靠性包括：承載力方面的安全儲(chǔ)備，正常使用方面的可用性保證、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證年限。5、大跨建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、大跨建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)（一）豎向作用主宰結(jié)構(gòu)大跨結(jié)構(gòu)的豎向作用首先是來(lái)自結(jié)構(gòu)自重、屋面覆蓋材料和建筑附屬固定設(shè)施的重量等不變荷載的作用，其次來(lái)自作用于屋面結(jié)構(gòu)的人員、施工荷載、風(fēng)、積雪、積灰等可變荷載的直接作用，還有因地震導(dǎo)致的豎向地震力和脈動(dòng)風(fēng)壓引起的結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)等間接作用。（二）間接作用效應(yīng)明顯（三）動(dòng)態(tài)作用不可忽視二、大跨建筑結(jié)構(gòu)的組成1、屋蓋結(jié)構(gòu)覆蓋大空間且直接承擔(dān)屋

14、面荷載的結(jié)構(gòu)2、支承結(jié)構(gòu)支承屋蓋結(jié)構(gòu)并將力傳給基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)。3、基礎(chǔ)與地基直接接觸并承接上部結(jié)構(gòu)作用的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。（一）屋蓋結(jié)構(gòu)減小結(jié)構(gòu)自重、提高結(jié)構(gòu)剛度是結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的所在。屋蓋結(jié)構(gòu)是大跨建筑土建投資的重點(diǎn)，對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響比重也最大。屋面的覆蓋方式包括全覆蓋和半覆蓋。（二）支承結(jié)構(gòu)支承體系的設(shè)置與屋蓋結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)直接相關(guān)。主要是為了提供豎向支承，還通過(guò)被動(dòng)約束方式來(lái)限制其整體性水平位移。（三）基礎(chǔ)基礎(chǔ)米用何種形式、提供何種反力，與上部結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。三、大跨建筑結(jié)構(gòu)的幾何形式（一）曲面的幾何形式及其構(gòu)成方法1、簡(jiǎn)單曲面的幾何描述主曲率：曲率中數(shù)學(xué)上最大和最小的兩個(gè)極值。兩個(gè)主曲率方向是彼此正交的。高斯曲率K:曲面上任一點(diǎn)的兩個(gè)主曲率的乘積。K=0單曲面或零高斯曲面；K半0雙曲面K>0正高斯曲面；K<0負(fù)高斯曲面可展曲面