大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析

大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析

1. 大跨度建筑的发展

大跨度建筑在人类的发展中一直在发展，这象征着人类对结构的探索欲和对于技术的不断先进追求。大跨度空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展战况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。而大跨度结构的表现形式是多种多样的，近年来，由于现代技术的支撑和新型材料的加盟，网架、网壳、管桁结构等大跨空间钢结构获得了广泛应用。然而，要保证大跨空间钢结构得以健康发展，还必须加快一系列空间结构行业标准的制定，加强钢结构企业资质认证与管理，提升大跨空间钢结构的设计、制作、安装水平。

结构新材料的应用进一步推动了大跨空间钢结构的发展。在普通碳素钢获得大量应用的同时，不锈钢、铝合金、膜材也在许多大跨度建筑中获得了应用。国际上已有许多专业生产公司建成了较多的铝合金结构。我国天津大学、同济大学、上海现代设计集团、中国建筑科学研究院等已开始进行基础性研究和工程实践，积极进行产品研制、开发。不锈钢材料(含铬量>12%的铁基耐蚀合金) 是随着对装饰与防腐要求的提高而在空间结构中获得应用的，它集装饰、受力、防腐于一体的特点倍受青睐。鉴于目前不锈钢材料的价格远高于普通钢材，近年来一些单位已研制成功在普通碳素钢管基础上外包不锈钢皮而形成的复合技术，开发出不锈钢复合钢管网架，并进行了一些工程实践。既保持了不锈钢与普通碳素钢的优点，又大幅度降低造价，取得了较好的技术经济效果。

计算技术的进步为大跨空间钢结构的发展也创造了有利条件。近年来计算技术有了长足的进步，许多单位研制开发了商品化专用设计程序，它们都是建立在理论研究与大量工程实践的基础上而推向市场的。它们一般都具有完善的前后处理功能，可在微机上进行复杂的空间网格结构设计。有的软件除用于空间网格结构外，也可用于索、杆、梁体系的设计分析。这些程序的推出为大跨空间钢结构设计提供了有效手段，也为大跨空间钢结构的推广应用创造了有利条件。其中不少软件曾在国内许多大型空间钢结构工程的设计中发挥重要作用。

在大跨空间钢结构获得迅猛发展之际，强化质量管理，加快制定行业标准，提升企业管理水平提到了重要议事日程。目前与大跨空间钢结构相关的规程、规范已逐步趋于完善。如钢结构设计规范，经过修改后将进一步完善，使管桁等大跨空间钢结构的设计更有依据。网壳结构技术规程的编制将使网壳结构的设计与施工建立在更为可靠的基础上。其他各类规程、规范和标准等正在制定或逐步完善之中。

目前我国从事大跨钢结构制作的企业技术装备、技术水平和人员技术素质良莠不齐，有些不具备设计、施工资质的企业，以不正当的手段、低廉的价格活跃在建筑市场，扰乱了正常的市场竞争秩序。由他们承建的工程往往留下质量隐患，一遇突发情况常易酿成重大工程事故。为此有关主管部门必须加强审查、审核，从事大跨钢结构设计、制作安装的企业必须具有国家技术监督部门资质论证机构发放的资质证书，建立健全企业的质量保证体系，对产品形成的每一道环节都能有效地进行质量控制；有关人员则必须进行相关考核并具有上岗证书。

2. 大跨度结构的结构形式

平面结构

由一些强度不大的纵向构件将平面结构连接起来构成纵向构件层层重复传递荷载，并不分担荷载梁式，框架式和拱式结构

空间结构

加强连接平面结构的纵向构件以形成一个整体结构，共同承载克服荷载层层重复传递，经济性好，整体刚度大，抗震性能好主要包括悬索结构，网架和网壳结构等

空间作用(diaphragm，蒙皮效应)

1 梁式结构的特点和应用

特点

不产生水平推力(可支承于墙壁，砖石或混凝土柱上)

制造和安装较简单

应用

可用于40m ～60m 左右的工业和民用建筑物中

条檩屋主

2 框架结构的特点和应用

特点

与梁式相比，框架结构可降低建筑物高度

结构上比梁式结构经济

结构布置

横向框架布置(跨度大于60m 时，应增大框架间距，常导致复杂布置) 纵向框架布置(跨度较小时，特别有利，可向外悬伸，用于机库等) 结构型式

跨度在50 60m 时，常用双铰实腹式框架(常用工字形截面) 减轻基础负担；结构可外露；横梁高度可取跨度的1/20 1/12 设置预应力拉杆减少跨中弯矩，横梁高度可取跨度的1/40 1/30

3 拱式结构的特点和应用

特点

拱式屋盖受力合理

比梁式和框架式屋盖结构经济指标好(跨度超过80m 时尤为显著) 结构布置

跨度为40 60m 时，拱间距可取6 10m ，无檩或型钢檩条

结构型式

双铰拱(最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低) 无铰拱(最经济，须设强支座，温度应力高)

三铰拱(应用不广，拱顶铰使结构复杂化)

4. 网架结构

特点

空间结构体系，高次超静定

能承受来自各个方向的荷载

整体性好，空间刚度大，体系稳定

抗震性能好

可利用小规格的杆件建成大跨度的结构

自重较轻，节约材料

杆件规格划一，适于工业化生产

适应性好

应用

广泛应用于公共建筑及工业厂房中

选择网架型式考虑的因素：

建筑物的平面形状和尺寸、支承情况、荷载大小、屋

面构造、建筑要求、制造和安装的方法及材料供应情况等

从平面形状和大小来看，当周边简支时：

平面为方形或接近方形，且为中小跨度时，宜采用两

向正交斜放交叉梁系网架，或正放和斜放四角锥网架。

平面为矩形时，宜采用两向正交斜放交叉梁系网架，

或斜放四角锥网架。

平面为圆形、八角形、六角形、扇形，且平面尺寸较

大时，可选用三向交叉梁系网架，或三角锥网架。

从屋面构造来看：

正放网架的屋面板规格常一种，而斜放网架却有两三

种。倒锥体网架的上弦网格较小，因而屋面板规格也较小

网架类别(以网架构成方式分类)

１． 交叉平面桁架体系（两组桁架交叉梁系、三组桁架交叉梁系） ２．交叉空间桁架体系（四角锥体、三角锥体、六角锥体）

4. 网壳结构

网壳结构是一种曲面形网格结构 。有单层和双层网壳之分。 特点

网壳结构兼有杆系结构和薄壳结构的主要特征，杆件比

较单一，受力比较合理。

网壳结构的刚度大，跨越能力大。

网壳结构可以用小型构件组装成大型空间，综合技术经

济指标较好。

网壳结构的分析计算已成熟。

网壳结构的造型丰富多彩。

网壳结构分类

1：按曲面的曲率半径：正高斯曲率（K > 0）网壳

零高斯曲率（K = 0）网壳 负高斯曲率（K

层）网壳。

3：按网壳的用材：钢网壳，木网壳，钢筋混凝土网壳，

组合网壳。

4：按曲面外形：柱面网壳，球面网壳，椭圆抛物面网壳

，双曲抛物面网壳。

5. 悬索结构

特点

轴向拉伸抵抗外荷作用，充分利用钢材强度

施工方便，费用低

便于建筑造型

单层悬索结构

平行布置形式(跨度可达80m)

双层悬索结构

一般形式

由下凹的承重索，上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成 承重索垂跨比一般取1/20 1/15 ，稳定索拱跨比一般取1/20

1/25

幅射式及网状布置形式

鞍形索网布置形式 鞍形索网布置形式

建筑案例实际分析

1. 黑龙江滑冰馆,L=86m

双层悬索结构

主体结构采用由中央圆柱面与两端半圆球面组成的双层网壳，其轮廓尺寸为86.2m ×191.2m ，支承在下部三角形框架上，覆盖了200m 速滑跑道。

2. 悉尼超级穹顶体育馆

是被作为2000年奥林匹克运动会的多功能体育馆进行设计的。

菲利普·考克斯与其合作者们把大穹顶体育馆想象成一座庞大、水平且半透明的建筑。建筑外形呈鼓状，由24根钢柱支撑着的放射状网架结构形成了遮盖赛场的轻型屋盖体系。为使其尺度不至于过大，他们在两侧设置了环抱体育场的轻质廊道，这就给这个大尺度的表皮添上了一些人性化的细部。但是要欣赏大穹顶还是需要一定的角度和高度，所以他们在设计时运用了一种类似桅杆的结构，就像是一个花冠围绕在体育馆的周围。他们以其纤细但不失强度的悬索和自由排列的柱廊强调大穹顶的整体外观。支撑柱廊的是树状的柱子，屋顶采用了有拉索支撑的桁架结构，大尺度出挑的屋檐为场馆提供了阴凉的空间。

3. 日本东京代代木体育馆 鞍形索网

悬挂在两个塔柱上的两条中央悬索及分列两侧的两片鞍形索网是屋盖结构的主要组成部分。高耸的塔柱、下垂的主悬索和流畅的两片鞍形曲面组成了雄伟别致的建筑物

4. 老山自行车馆采用双层球面网壳结构

2008 奥运会老山自行车赛馆位于北京石景山区老山街，结构跨度149.536m ，净高14.69m ，矢跨比约为1/10．网壳支承于倾斜人字形钢柱及柱顶环形桁架之上，柱顶支承跨度为133.06m ．网格尺寸约4m ，网壳厚度2.8m ，为跨度的1/47.5，屋盖以金属屋面板为主，中部设玻璃采光带．该网壳为目前我国跨度最大的双层球面网壳结构。

5. 威海体育中心

造型独特新颖，象一只待飞的飞行器。体育场看台主体结构采用钢筋混凝土斜向框架。看台上空设一大型轻质罩蓬，采用膜结构设计。其外缘水平投影呈近似椭圆形，轮廓尺寸236m ×209m ，内环尺寸205m ×143m ，罩蓬覆盖面积约25000m2。罩蓬由44座伞型膜结构单元连接而成，各伞形膜结构单元由膜、桅杆、前脊索、后脊索及谷索组成。膜面采用聚氯乙烯涂层的聚酯纤维膜材，外加PVDF 面层，其特点为白色、自重轻、经济性好、自洁性好、耐久性好、有一定透明度。

6. 日本名古屋 单层网壳

圆形建筑的直径为229.6m ，支承在看台框架柱顶的屋盖直径则有187.2m, 采用边长约10m 的钢管构成的三向网格，每个节点上都有六根杆件相交，采用直径为1.45m 的加肋圆环，钢管杆件与圆环焊接, 成为能承受轴向力与弯矩的刚性节点