大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑造型實例

建筑構(gòu)造作業(yè)大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑造型實例分析學(xué)號：20110511班級：建筑111建筑的三個最基本要素包括強度、適用和美觀。適用是指該建筑的實用功能，即建筑可提供的空間要滿足建筑的使用要求，這是建筑最基本的特性；美觀是建筑物能使那些接觸它的人產(chǎn)生一種美學(xué)享受，這種效果可能是由一種或多種原因產(chǎn)生，其中也包括了建筑形成的象征意義，形狀、花紋和色彩的美學(xué)特征；強度是建筑的最基本特征，它關(guān)系到建筑物保存的完整性和作為一個物體在自然界的生存能力，滿足“強度”所需要的建筑物部分是結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)是建筑物的基礎(chǔ)，沒有結(jié)構(gòu)就沒有建筑物，也不存在適用，更不可能有美觀。大跨空間結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型。為了滿足社會生活和居住的需要，人們需要更大的覆蓋空間，如大型的集會場、體育館、飛機庫等、跨度要求很大，達幾百米或者更大，這是就需要大跨度結(jié)構(gòu)。大跨度建筑通常指跨度在30米以上的建筑。大跨度建筑及作為其核心的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展狀況是代表一個國家建筑科技水平的重要標志之一。而大跨度結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式是多種多樣的。對于建筑師及工程師們而言，大跨度建筑提供了一種既方便又經(jīng)濟的覆蓋大面積空間的方法，尤其在大跨度建筑中，結(jié)構(gòu)選型是制約建筑空間形式的造型的重要因素。大跨空間結(jié)構(gòu)的類型和形式十分豐富多彩，習(xí)慣上分為如下這些類型：鋼架、桁架結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)和索－膜結(jié)構(gòu)。大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑，我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范則規(guī)定跨度60m以上結(jié)構(gòu)為大跨度結(jié)構(gòu)。主要用于民用建筑的影劇院、體育場館、展覽館、大會堂、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裝配車間、飛機庫和其他大跨度廠房。大跨度建筑在古代羅馬已經(jīng)出現(xiàn)，如公元120到124年建成的羅馬萬神廟，成圓形平面，穹頂直徑達43.5m，用天然混凝土澆筑而成，是羅馬穹頂技術(shù)的光輝典范。羅馬萬神廟雖然大跨度建筑在古代羅馬已經(jīng)出現(xiàn)，但是大跨度建筑真正得到迅速發(fā)展還是在19世紀后半葉以后，特別是第二次世界大戰(zhàn)后的最近幾十年中。大跨建筑迅速發(fā)展的原因一方面是由于社會發(fā)展使建筑功能越來越復(fù)雜，需要建造高大的建筑空間來滿足群眾集會、舉辦大型的文藝體育表演、舉辦盛大的各種博覽會等；另一方面則是新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的出現(xiàn)，促進了大跨度建筑的進步。一是需要，二是可能，兩者相輔相成，相互促進，缺一不可。19世紀后半葉以來，鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建筑上的廣泛應(yīng)用，使大跨建筑有了很快的發(fā)展，特別是近幾十年來新品種的鋼材和水泥在強度方面有了很大的提高，各種輕質(zhì)高強材料、新型化學(xué)材料、高效能防水材料、高效能絕熱材料的出現(xiàn)為建造各種新型的大跨度結(jié)構(gòu)和各種造型新穎的大跨度建筑創(chuàng)造了更有利的物質(zhì)技術(shù)條件。大跨度建筑常用結(jié)構(gòu)形式；大跨度常用建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，受力構(gòu)件排列組合不同可分平面平面機構(gòu)體系和空間結(jié)構(gòu)體系兩大類，共有八種。它們是：平面結(jié)構(gòu)體系有拱、剛架以及桁架。空間結(jié)構(gòu)體系有網(wǎng)架、折板（薄殼）、懸索、膜結(jié)構(gòu)以及混合結(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。拱結(jié)構(gòu)按組成和支座方式不同分為三鉸拱，兩鉸拱和無鉸拱三種。拱結(jié)構(gòu)的造型主要取決于矢高大小和平衡拱推力的方式。拱的矢高對建筑的外輪廓形象影響最大。矢高小的拱，外形起伏變化小，成扁平狀，結(jié)構(gòu)占用的空間小，但水平推力和拱身軸力都偏大。而矢高大的拱，外形起伏變化強烈，產(chǎn)生的水平推力和軸向力都較小，但是拱身材料耗費量多，拱下形成的內(nèi)部空間大，拱曲面坡度很陡。因為拱是一種有水平推力的結(jié)構(gòu)，因此解決水平推力的方式不同，建筑的外形也會明顯的不同。因此解決拱產(chǎn)生水平推力的方式在很大程度上決定了拱結(jié)構(gòu)大跨度建筑的建筑造型。剛架是橫梁和柱以整體連接方式構(gòu)成的一種門形結(jié)構(gòu)。由于梁和柱是剛性結(jié)點，在豎向荷載作用下，柱對梁有約束作用，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，對某些要求高大空間的建筑特別有利。同時，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時不宜采用。鋼制剛架結(jié)構(gòu)的玻璃暖房鋼架按結(jié)構(gòu)組成和構(gòu)造方式的不同，分為無鉸鋼架、兩鉸鋼架和三鉸鋼架。無鉸鋼架、兩鉸鋼架是超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較大，但當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差，發(fā)生不均勻沉降時，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生附加內(nèi)力。三鉸鋼架則屬于靜定結(jié)構(gòu)，在地基產(chǎn)生不均勻沉降時，結(jié)構(gòu)不會引起附加內(nèi)力，但其剛度不如前兩者好。一般來說，三鉸鋼架多用于跨度較小的建筑，兩鉸和無鉸鋼架可用于跨度較大的建筑。鋼架結(jié)構(gòu)常用鋼筋混凝土建造，為了節(jié)約材料和減輕結(jié)構(gòu)自重，通常將鋼架做成斷面形式，柱梁相交處彎矩最大，斷面增大，鉸接點處彎矩為零，斷面最小，所以鋼架的立柱斷面呈上大下小。根據(jù)建筑造型需要，立柱可做成里直外斜，或外直里斜。鋼架多采用預(yù)制裝配，用這些構(gòu)件可組成單跨、多跨、高低跨、懸挑跨等各式各樣的建筑外形。屋脊一般在跨度正中間，形成對稱式鋼架，也可偏于一邊，構(gòu)成不對稱式鋼架。某一鋼架結(jié)構(gòu)車站,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梁的斷面大小，因此梁的材料強度未得到充分利用。椼架內(nèi)力分布均勻，材料強度能充分利用，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。桁架一般用木材、鋼材、鋼筋混凝土建造。桁架形式分為三角形、梯形、拱形、無腹桿式和三鉸拱式等各種形式。三角形桁架可用鋼、木或鋼筋混凝土制作。當(dāng)跨度不超過18米時，構(gòu)件內(nèi)利較小，比較經(jīng)濟，僅適用于跨度不大于18米的建筑。梯形桁架可用鋼或鋼筋混凝土制作。常用跨度為18到36米，桁架矢高與跨度之比一般為1/8到1/6。梯形桁架的端部增大，降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加了材料用量。拱形桁架的外形呈拋物線，與上弦的壓力線重合，桿件內(nèi)力均勻，比梯形桁架材料耗量少。無腹桿桁架的上弦為拋物線形，猶如拱，主要承受軸向壓力，豎桿和下弦受拉力，結(jié)構(gòu)用料經(jīng)濟，由于無腹桿，結(jié)構(gòu)造型簡潔，便于制作，在桁架之間鋪管道和進行檢修工作均很方便，特別用于在桁架下弦有較多吊重的建筑。桁架選型考慮的因素是：綜合考慮建筑的功能要求、跨度和何在大小、材料供應(yīng)和施工條件等因素。當(dāng)跨度在36米以上時，為了減輕結(jié)構(gòu)自重，宜選擇鋼桁架；跨度在36米以下時，一般可選用鋼筋混凝土桁架，有條件時最好選用預(yù)應(yīng)力混凝土桁架；當(dāng)桁架所處的環(huán)境相對濕度大于75%或有腐蝕性介質(zhì)時，不宜選用木桁架和鋼桁架，而應(yīng)選用預(yù)應(yīng)力混凝土桁架。桁架結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中多用做屋頂?shù)某兄亟Y(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑的功能要求、材料供應(yīng)和經(jīng)濟的合理性，可設(shè)計成單坡、雙坡、單跨、多跨等不同的外觀和形狀。網(wǎng)格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：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、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)點上時，桿件主要承受軸向力，故能充分發(fā)揮材料的強度，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)格結(jié)構(gòu),網(wǎng)格結(jié)構(gòu)按其外形分為平板網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)兩類，前者稱為網(wǎng)架，后者稱為網(wǎng)殼，通常采用金屬材料制作。網(wǎng)架一般都是雙層的，也可做成多層的；網(wǎng)殼可以是單層的，也可以是雙層的。網(wǎng)架自身不產(chǎn)生推力，支座為簡支，構(gòu)造比較簡單，可以適用于各種形狀的建筑平面，所以應(yīng)用廣泛。網(wǎng)殼多數(shù)是有推力的結(jié)構(gòu)，支座條件較復(fù)雜，但外形豐富，建筑造型多變。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的建筑造型：網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的建筑造型主要受兩個因素的影響：一是結(jié)構(gòu)的形式，二是結(jié)構(gòu)的支撐方式。平面網(wǎng)架的屋頂一般是平屋頂，但是建筑的平面形式可以多樣化。網(wǎng)殼的外形多變，如拱形網(wǎng)架的建筑外形呈拱曲面，但平面形式往往比較單一，多為矩形平面，穹形網(wǎng)殼的外形呈半球形或拋物面形等，平面則為圓形或其它形狀。網(wǎng)架及網(wǎng)殼的支承方式對建筑造型是一個很重要的影響因素。網(wǎng)架和網(wǎng)殼的下部支承或為墻、或為柱、或懸挑、或封閉、或開敞。應(yīng)根據(jù)建筑的功能要求、跨度大小、受力情況、藝術(shù)構(gòu)思等因素確定。當(dāng)跨度不大時，網(wǎng)架可支承在四周圈梁上，圈梁則由墻或柱支承。這種支承方式對網(wǎng)架尺寸的劃分比較自由，網(wǎng)架手里均勻，門窗開設(shè)位置不受限制，建筑立面不受限制，建筑立面處理靈活。當(dāng)跨度大時，網(wǎng)架宜直接支承與四周的立柱上。這種支承方式傳力直接，受力均勻，但柱網(wǎng)柱網(wǎng)尺寸要與網(wǎng)架的網(wǎng)格尺寸相一致，使網(wǎng)架節(jié)點正好處于柱頂位置。穹形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)——國家大劇院折板結(jié)構(gòu)由折板和橫隔構(gòu)件組成，在波長方向，折板猶如一塊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，折板會坍塌而破壞。橫隔構(gòu)件可根據(jù)建筑造型需要來設(shè)計，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，一般不應(yīng)大于12M。折板結(jié)構(gòu)按波長數(shù)目的多少分為單波和多波折板；按結(jié)構(gòu)跨度的數(shù)目有單跨和多跨之分；若按結(jié)構(gòu)斷面形式分為三角形折板和梯形折板；若依折板的構(gòu)成情況，又可分為平行折板和扇形折板。平行折板構(gòu)造簡單，最常用。扇形折板一端的波長較小，另一端的波長較大，成放射狀，多用于梯形平面的建筑。由于折板結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，又可預(yù)制裝配施工，故被廣泛用于工業(yè)與民用建筑，可用于矩形、方形、梯形、多邊形，圓形等平面。由折板結(jié)構(gòu)建造的房屋，造型新穎，具有獨特的外觀。巴黎聯(lián)合國教科文組織會議大廳薄殼結(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)構(gòu)，呈空間受力狀態(tài)，主要承受曲面內(nèi)的軸內(nèi)力，而彎矩和扭矩很小，所以混凝土強度能得到充分利用。由于是空間結(jié)構(gòu)，強度和剛度都非常好。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，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，費工、費時、費模板，且結(jié)構(gòu)計算較復(fù)雜，不宜承受集中荷載，這些缺點在一定程度上影響了它的推廣作用。薄殼結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有筒殼、圓頂殼、雙曲扁殼，鞍形殼等四種。每種形式的受力特點和產(chǎn)生的空間各有特點，應(yīng)根據(jù)實際來設(shè)計。薄殼結(jié)構(gòu)的建筑造型以各種幾何曲面圖形為基本特征，基本形式為圓筒形、圓球形、雙曲拋物面形。它與梁、板、架一類結(jié)構(gòu)相比，在造型上獨具特色，容易給人以新奇感，突出建筑的個性。懸索用高強鋼絲做拉索，加上高強的邊緣構(gòu)件以及下部的支承構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)自重極大地減小，而跨度大大增加。除穩(wěn)定性相對較差外，是比較理想的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)形式。拉索顯示出柔韌的狀態(tài)，使得結(jié)構(gòu)形式輕巧且具有動感。柔性的懸索在自然狀態(tài)下不僅沒有剛度，其形狀也是不確定的。必須采用敷設(shè)重屋面或施加預(yù)應(yīng)力等措施，才能賦予一定的形狀，成為在外荷作用下具有必要剛度和形狀穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。因此也稱其為張力結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)按其外形和索網(wǎng)的布置方式分為單曲面曲面懸索和雙曲面懸索，單層懸索和雙層懸索等形式。懸索結(jié)構(gòu)的造型與薄殼結(jié)構(gòu)一樣是以幾何曲面圖形為特征，但也有其自身的特點。主要表現(xiàn)在兩個方面：一是懸索只能受拉不能受壓，外形大多呈凹曲面；二是懸索結(jié)構(gòu)由兩種不同材料的構(gòu)件組成，即鋼索網(wǎng)和鋼筋混凝土邊緣構(gòu)件，索網(wǎng)的曲面形式多樣，邊緣構(gòu)件形式各異，只要改變其中一種，就能創(chuàng)造出與基本形式截然不同的造型。膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來的一種形式，它以性能優(yōu)良的織物為材料，或是向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將面繃緊，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。自從上世紀70年代以來，膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。膜結(jié)構(gòu)已成為大跨度建筑造型的一個重要手段。膜結(jié)構(gòu)按其支撐方式通?？梢苑譃閺埨侥そY(jié)構(gòu)、骨架式膜結(jié)構(gòu)，空氣支承式膜結(jié)構(gòu)三類。膜結(jié)構(gòu)重量輕、跨度大、施工方便，透光性和自潔性好，建筑造型豐富。但其隔聲效果較差，耐久性不好。膜結(jié)構(gòu)的空間研究大樓除了上述常用的結(jié)構(gòu)外，大跨度結(jié)構(gòu)還有組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、管桁結(jié)構(gòu)，張弦梁結(jié)構(gòu)等。實例分析：日本代代木體育館代代木體育館是日本建筑大師丹下健三的作品。它是60年代的技術(shù)進步的象征，它脫離了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和造型，被譽為劃時代的作品。代代木國立室內(nèi)綜合體育館的整體構(gòu)成、內(nèi)部空間以及結(jié)構(gòu)形式，展示出丹下健三杰出的創(chuàng)造力、想象力和對日本文化的獨到理解。它采用了高張力纜索為主體的懸索屋頂結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出帶