结构成就建筑之美
2012/9/26
本课程的目的
• 结构是技术到艺术的桥梁 • 告诉你们结构是解决什么问题并如何解决 的 • 有很多经验的传承，绝大部分建筑的空间 无法创新，把成熟的建筑结构模式（规范） 介绍给建筑师 • 给建筑师提供另外一种思路去思考
建筑学专业结构设计原理
2012年9月
建筑和结构的关系
• 建筑和结构都是工匠出身 • 复杂的建筑派生出结构的问题 • 建筑和结构的统一才是一个好的建筑， 赵 州桥，中国古塔 • 结构工程师要解读建筑，建筑师要了解结 构
结构成就建筑之美
• 现代主义建筑：追求功能性和合理性，以“力 学”和“美学”、“技术”和“艺术”统一为 目标，强调表里如一。 • 结构设计是把结构应有的状态原原本本的表现 在建筑上，实现结构所创造出的美丽的空间调 和、跳跃感、紧张感，以及出色的居住性能。 • 建筑结构也是建筑物的重要设计范畴和表现手 段，需要建筑师和结构工程师的密切配合，从 结构布局到细部构造，结构可以丰富建筑之美
Pier Luigi Nervi
• • • Palazzetto dello Sporto, Small Gymnasium 1957 Annibale Vitellozzi, Architect Pier Luigi Nervi, Engineer Italian Olympic Committee, Client Reinforced concrete ribbed dome with membrane roof Diameter: 194' Capacity: 5,000 seats Cost: 265 million lire
1981.6.21-1979.1.9
•
Norfolk Scope (1971) is a cultural, entertainment, convention and sports complex at the northern perimeter of downtown Norfolk, Virginia, comprising an approximately 11,000 person arena, a 2500‐person theater known as Chrysler Hall, a 10,000 square foot exhibition hall and a 600 car parking garage. The arena was designed by Italian architect/engineer Pier Luigi Nervi in conjunction with the (now defunct) local firm of Williams and Tazewell, which designed the entire complex. Nervi‘s design for the arena’s reinforced concrete dome evolved from his much smaller Palazzetto dello Sport, which was built in the 1950s for the 1960 Summer Olympics in Rome.
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Eduardo Torroja
•
1899-1961
Eduardo Torroja y Miret, (1899–1961) was a Spanish structural engineer, pioneer in the design of concrete‐shell structures. His first large project was the Tempul cable‐ stayed aqueduct in 1926, Guadalete, Jerez de la Frontera, in which he used prestressed girders, and he made his name with the concrete shell‐roof at the Algeciras Market Hall (1933). Eduardo Torroja designed thin‐shell water tower in Fedala and the roof of hippodrome 958).
• Richard Buckminster 结构 大跨空间结构
材料的自重和强度
• 材料的密度和容重：混凝土25kPa(2.5m高 的水），钢材78kPa（7.8m高的水） • 建筑首先要解决的问题就是自重，万有引 力。从单层到多层，高层到超高层 • 好的建筑材料：轻质高强耐腐蚀 • 什么都可以用来造房子，推广绿色建材
材料科学的发展是 现代建筑发展的基石
• 土和石头：窑洞和洞穴 • 木材：中国营造法式、宫殿、寺庙、居屋 • 钢筋混凝土：现代建筑的开始，梁、板、柱、 墙 • 钢材：可以用更小的截面解决同样的问题，或 者同同样的截面跨越更大空间 • 纤维材料：可以用更轻的自重解决同样的问题， 成本原因 • 结合体：张拉膜，水力方
如何克服地心引力
• 抬：梁(或变异的梁)抬板、柱(或变异的柱) 抬梁；跨越的距离有一定的限制，可叠加 建造多高层建筑 • 拉或吊：悬索结构、斜拉结构，可跨越较 大跨度，但不易叠加 • 自承式结构：充气膜结构，太空建筑 • 空间的发掘，来源于自然和一切：家具、 器皿、法器、生物，开放的思维
建筑内人的活动
• 住宅、办公、商场2.0kPa～3.5kPa • 档案、机房等5.0kPa～12.0kPa • 消防通道等20kPa
• • • • • • • • •
风荷载作用
风速的概念：分级1～12 8：折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚力（17.2～20.7） 10：树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏（24.5～28.4） 11：大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏（28.5～32.6） 12：热带气旋、台风、飓风 零级烟柱直冲天，一级轻烟随风偏，二级轻风吹脸面 三级叶动红旗展，四级枝摇飞纸片，五级带叶小树摇 六级举伞步行难，七级迎风走不便，八级风吹树枝断 九级屋顶飞瓦片，十级拔树又倒屋，十一十二级陆上很少见
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风速和风压
• 基本风速：离地10米十分钟年平均最大风 速（统计区间50/100） • 基本风压：根据风速数据，经统计分析确 定重现期为50年的最大风速，再按贝努利 公式确定基本风压。 • 南京0.40/0.45kPa，深圳0.80/0.90kPa
风速和高度的关系
风和建筑体型的关系
• 风荷载的作用方向回因建筑体型而变化， 并非都是水平向作用 • 复杂建筑体型需要进行风洞试验 • 风是变化的动荷载，有可能和建筑发生谐 振（荡秋千），增大风的作用 • 100m高层比10m地面附近可能增加2‐3倍
建筑物的抗风策略
• 对一般高层是水平荷载，对大跨空间结构 可能是竖向荷载，采用不同的策略 • 对风敏感的建筑类型：高层建筑、大跨建 筑 • 常遇荷载（强对流天气、台风），需要重 视舒适度 • 风荷载是超高层建筑设计的控制荷载，建 筑体型有很大关系
632m的上海中心
• • • • •
地震
的基本概念
火山地震：火山爆发引起的地震 陷落地震：由于地表或者地下岩层塌陷引起的地震 构造地震：地壳运动引起的地震 诱发地震：水库积水等改变地壳应力状态引起的地震 地震一般是指地壳中因岩体断裂而释放能量引起的震 动，同台风、暴雨、洪水、雷电等一样，是一种自然 现象。全球每年约发生地震 500 万次，其中人们能感 觉到的地震约有 5 万次，能够造成破坏性的 5 级以上 的地震约 1000 次，可能造成 巨大灾害的 7 级以上的 地震约 10 次左右。
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世界地震带
• 环太平洋地震带：沿着南、北美洲西海岸，经阿拉斯加、千岛群岛、 日本列岛，至我国台湾省和菲律宾群岛一直到新西兰。集中了全世界 80%以上的地震，释放的地震能量占全球的75% • 欧亚地震带：大致从印尼西部，缅甸经我国横断山脉，喜玛拉雅山地 区，经中亚细亚到地中海，又称喜玛拉雅—地中海地震带。
中国的地震带
• 达到
中国的地震带
我国的大地震
• 1556年1月23日陕西华县发生8级大地震， 死亡人数达83万；1920年宁夏海原发生8级 地震死亡20万人；本世纪死亡人数最多的 地震也发生在我国，即1976年7月28日唐山 7.8级大地震，死亡24.2万人，伤16万人， 经济损失数百亿元。2008年 5月12日汶川8 级大地震，死亡近8万人，经济损失约8000 亿元。
地震的几个概念
• 汶川地震起因
• 震源：地下发生地震的地方 • 震中：震源正对着的地面 • 震源深度：震中到震源的垂直距离，浅源地震 ( 300 公里 )，5‐20公里占95% • 震级：震级是按一定的微观标准，表示地震能量大小 的一种量度。它是根据地震仪器的记录推算得到的， 只与地震能量有关。 • 烈度：地面运动的强度或地面破坏的程度
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地震烈度
• • • • • 3 度：少数人有感，仪器能记录到 4‐5 度：睡觉的人会惊醒，吊灯摆动 6 度：器皿倾倒，房屋轻微损坏。 7‐8 度：房屋破坏，地面裂缝。 9‐10 度：桥梁、水坝损坏、房屋倒塌，地 面破坏严重。 • 11‐12 度：毁灭性的破坏。
汶川地震烈度图
设防烈度
• 加速度翻番，地震力（F=Ma）翻番 • 地面运动还和地质条件密切相关 • • • • • •
建筑物的抗震策略
地震时常发生，只是感觉不到 设计使用寿命和统计学意义‐设防烈度 我国（国际上）抗震设计的策略， 小震‐概率63%‐设防烈度‐1.5‐不坏 中震‐概率10%‐设防烈度（2.85倍）‐可修 大震‐2‐3%‐设防烈度+1.0（5.70倍）‐不倒
建筑师的思考
• 建筑是被晃坏的，牛顿第二定律，惯性力 • 建筑体型和抗震能力相关，规则建
筑的抗 震能力强。平面规则，竖向规则 • 不要过份恐慌
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空间的需求和创造 建筑学专业结构设计原理 梁、柱及其组合
2012年9月 • • • • 从遮风挡雨的屋面，到层层叠叠的楼面 从小尺度的一间屋，到超大型的飞机库 从蹦蹦跳跳的舞台，到轻盈飘逸的拉膜 功能（建筑）、材料（建筑、结构）、尺 度（结构工程师）、形式（建筑师）
• 参考文献：戴航《梁构‐建筑》
楼板的形式
• 楼面板更多地是服从功能 的需要，需要平坦（可接 受的倾斜）、刚度、尺度 • 材料的发展：从木质楼面 到钢筋混凝土楼面、组合 钢板楼面、玻璃楼面 • 楼板的受力是单向或双向 弯曲，如何提高效率？ • 基本的钢筋混凝土楼板厚 度的确定？ • 从模型到建造，未来的发 展？
梁的受力
• 梁的受力形式：简支梁、连续梁、悬臂梁、 曲梁、折梁、交叉梁 • 梁的建筑形式： • 梁的效率？ • 梁的尺度？
梁的力学模型
• 连续梁的受力特征
梁的形式（一）
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梁的形式（二）
梁的效率
• 直线梁的效率最高 • 等面积的情况下，梁高是决定效率的最主 要因素 • 薄腹梁、桁架 • 跨度越大 • 效率越重要
悬臂梁的效率
• 支承情况对梁受力的影响 • 从简支到连续、从连续到悬臂
梁的尺度
• 有柱支承为的框架梁，除承担竖向力外，还 和框架柱一起承担水平荷载 • 有框架主梁支承的梁为次梁，只传递竖向荷 载 • 次梁的跨度一般为1/12～1/15，8m跨600高 • 框架梁的跨度一般为1/8～1/12，经济跨度为 4.5～9m，8.4m跨700高 • 如何降低梁高：加宽，加预应力，用钢梁 • 宽扁梁高跨比可达1/12～1/26 、预应力梁高跨 比可达1/15～1/20
板的尺度
• • • • • • • • 板分单向（支承）板和双向（支承）板 钢筋混凝土楼板的经济跨度：2～5m 压型钢板组合楼板2‐3m(单向) 钢筋混凝土楼板的厚度约为1/30～1/40，即80‐ 160mm 钢筋混凝土楼板最大跨越的跨度在9～12m， 相应的厚度约为300～400mm 密肋组合楼板 无梁楼盖一般为双向规则，1/25～1/30 楼板新材料，待发掘
典型的楼板布置形式（一）
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典型的楼板布置形式（二）
梁、板结合楼面的布置形式
梁和板的组合
如何跨越更大的跨度
• 方法一：加宽，加预应力，用钢梁，同样 高度可跨越更大跨度 • 钢筋混凝土梁最大跨度一般
柱的定义
• • • • 柱支撑（框架）梁传来的竖向荷载 柱是框架结构中重要的抗侧力构件 柱的形式和效率 柱的几何尺度
柱的形式（
一）
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柱的形式（二）
柱的尺度
• 混凝土抗压强度为1500～3000吨/平米 • 每个框架柱负责70平米（8.4×8.4）×1.5吨 =100吨/每层 • 5层楼混凝土柱截面约为500X500 • 10层楼混凝土柱截面约为1000X1000， 1000X1000的柱最高可建？层 • 钢柱由于为薄壁构件原因，由稳定控制
梁与柱的结合
• 框架结构 • 拱结构 • 刚架结构
梁与柱的结合形式（一）
• 蓬皮杜中心（1977，巴黎）
梁与柱的结合形式（二）
梁与柱的结合形式‐框架结构
• 由普通梁、板、柱形式组成的结构形式 • 按材料：钢筋混凝土框架、钢框架、木框 架 • 按形式分：普通框架、异形柱框架、板柱 结构
• 福斯铁道桥（1890，英 国）
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框架受力机理（竖向力）
框架受力机理（水平力）
框架抵抗水平力的效率
框架结构的传力路径
• 竖向荷载由板‐梁‐柱，空间的跨越能力和材 料的属性及杆件的截面有关 • 水平荷载由刚接的梁和柱共同抵抗，抵抗 水平荷载的能力不强，因此无法使用于高 度很高的建筑结构
框架形式的房屋适用高度
• 适用高度和地震烈度有关，和风荷载取值 等有关 • 钢框架：110m（6、7度区）90m（8度区） 70m （9度区） • 钢筋混凝土框架：60‐55‐45‐25（6‐9度区） • 钢筋混凝土板柱结构：30m（江苏省）
梁与柱的结合形式‐空腹桁架 结构里的空间
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克服竖向力的其它办法
• 悬臂 • 斜拉 • 悬索
悬挑结构（一）
悬挂结构（一）
悬挂结构（二）
悬索结构
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拱 建筑学专业结构设计原理 桁架、网架、拱
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• 拱是欧洲人最早开始使用的结构。拱结构 可用砖和比较小的石块砌筑而成，是在木 材不富裕的地域建造结构物时采用的具有 代表性手法。这种砌筑拱的技术方法是古 罗马人发明的
拱的实例
• 万神庙
砌筑拱的原理和应用
• • • • • 悬链线拱 压力线 拱厚度 集中荷载 不均匀荷载
拱的组合
• 连续拱 • 平移阵列拱顶 • 交叉拱
推力的解决
• 较重的拱璧 • 拉杆 • 传递（拱扶垛）
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巴黎1889博览会机器展览馆
• 采用钢制三铰拱，跨度达到115米
拱的造型
• 效率？
拱式著名建筑
• 洛杉矶机场 • 梅里达罗马艺术博物馆
体育建筑
景观建筑
桥梁中的应用
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桁架
• 将棒状构件组合连接成含有三角形的骨架， 就得到了非常稳定的、具有很强刚度的结 构
三角桁架的构思
• 源于自然
三角形桁架的种类与力流
• 经典
屋架力的分析
三角形屋架形式及说明
梁桁架
• • • • 豪式 普拉特 沃伦 K
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变异和发展
变异和发展
福斯铁路桥（1890英国）
• 1890建成
，苏格兰爱丁堡附近，横跨福斯 河口，主跨520米，桥塔高110米
巴黎蓬皮杜中心
•
的
现代桁架结构(结构的表现力)
• • • • 钢结构及焊接技术 沃伦桁架 80米的简支 普拉特式桁架
Less is more
• 的
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拱（桁架）现代的发展
• 钢管杆件直接汇交的管桁结构 • 形态更加丰富、结构轻巧，传力简捷、制 作安装方便、经济效果好 • 大跨空间结构的首选 • 跨高比1/10‐1/30
我国桁架空间结构的发展
• 深圳机场航站楼二期工程（135m×174m） （柱网18m×54m） • 广州新白云机场航站楼主楼 （325m×235m）跨度76.9m的弧形管桁结 构其截面从Φ508×(16～25)(弦杆)～ Φ244.5×7.1(腹杆) • 咸阳机场二期工程(52m+45m)×234m • 南京国际展览中心(94m×273m) • 温州会展中心等也都采用了这类结构
广州新白云机场航站楼主楼
空间桁架的形态（一）
美国明尼阿波利斯联邦储备银行
拱（桁架拱）和索的组合
• 创新和发展
• 著名的悬挂结构，加建成索+拱结构
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拱+拉索+撑杆=张弦梁
• • • • • 张弦梁 49.9+ 82.6+ 44.4+ 54.3
浦东国际机场
• • • •
张满的弓： 把梁变成拱，提高承载力 弦的拉力和拱的推力平衡 索上的撑杆提供另外的弹性支撑
张弦梁形式的变化
广州新会展中心
• 拱形式的变化，张弦立体桁架：由单独 杆件变成平面或立体桁架式样，广州会 展中心（126.5m@15m） • 索的变化：内凹或者下凹 • 撑杆形式的变化：
高铁广州新站
新型内凹式索拱
网架结构
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面作用结构体系 建筑学专业结构基本知识 板、壳和网格结构
2012年9月
• 面作用结构体系是可挠曲的、但却具有对抗拉力、 压力及剪力能力的结构体系。其力的改向是通过面 抗力与特殊的面设计来实现的。 • 平板、墙板、折板以及旋转对称壳体是面作用的特 殊形式。 • 薄壳结构是一种薄得不致于产生明显的弯曲应力， 但厚度是可以承受压力、拉力和剪力的形抵抗结构。 所谓“形抵抗结构”就是将材料造成一定的形式从 而获得强度去承受荷载的结构。薄壳结构赖以获得 这种能力的“形”就是曲面，薄壳的结构效能就是 归功于曲面的曲率和几何特征。
墙板的艺术
折板体系
• 平面的板，只承受垂直于其平 面的力和转轴在其平面内的力 矩 • 铅垂的墙，只承受其平面内的 力 • 以上两中作用的组合即为壳体
平面折板的变化 折板的变化
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折板的变化
折板结构实例
• Las Vegas Church • 大运会体育场
壳和穹顶
• 穹顶和拱一样，发 祥地在中东；发展 在古罗马帝国；进 步在全世界 • 穹顶在经度方向与 拱类似，在纬度方 向也有抵抗力，形 状相对拱
更自由
壳的形状与力流
壳的形状与力流
壳的组合
• 截取和部分 • 部分和组合
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关于壳的问题和思考
• 是否是符合曲面特征的都 是壳体结构呢？ • 效率和外形是什么关系？ • 符合真正壳体的条件，它 的翼缘和厚度可以到达什 么样的程度呢？ • 拱肋和边框？ • 有无推力，如何解决？ • 创新？
著名的古穹顶
文艺复兴的先驱-佛罗伦萨大教堂
改建和科学手法运用的开始圣彼得大教堂
壳结构的发展
壳结构的发展
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纽约肯尼迪机场 TWA 大楼
• • • • • •
罗马小体育馆（Palazzetto dello Sport）
Site：Rome， Italy Architect：Pier Luigi Nervi Structural Engineer: Annibale Vitellozzi Structural System: Concrete shell Built Time: 1958 Material: Ferrocement, Concrete
美国航空博物馆（American Air Museum）
• • • • • • Site：Duxford，CambridgeShire, UK Architect: Norman Foster Structure: Ove Arup & Partners Structural System: Concrete Shell Built Time: 1995‐1997 Material: Conctete, Glass, Steel
离散的网格结构
联方型穹顶 施威德勒
凯威特穹顶
三向网格穹顶
分离
• 钢筋混凝土壳体不可分离 • 网壳结构，围护与结构的 再度分离 • 计算机技术，形态更加自 由 • 效率？
分层
• 从单层网壳到多层网壳 • 从网壳到网架
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钢网壳实例
钢网壳实例二
伊甸园工程网壳
• Site：Cornwall, UK • Architect: Nicholas Grimshaw & Partners Ltd • Strutural Engineer: Anthony Hunt Associates • Strutural System: Dome with double layers • Built Time: 2000 • Material: Steel, ETFE, Concrete
网架结构的优点
• 结构组成灵活多样但又有高度的规律性，便于 采用，并可适应各种建筑方面的要求 • 网架结构的组成虽有一二十种之多，但每一种 都十分规则，方便设计 • 网架高度内的空间可以用以设置管道等设施， 网架结构外露或部分外露，因其几何图形的规 则，可以丰富建筑效果 • 适应各种支承条件和各种建筑造型，满足公共 建筑要求
网架结构的受力特点
• 具有各向受力的性能，它改变了一般平面桁架的受力状 态，是高次超静定空间结构 • 网架结构的各杆件之间互相起支撑作用，因此，它的整 体性强、稳定性好，空间刚度大，是一种良好的抗震结 构型式，尤其对大跨度建筑其优越性更为显著 • 在结点荷裁作用下，网架的杆件主要承受轴力，能够充 分发挥材料的强度，因此比较节省钢材 • 网架的结构高度较小，不仅可以有效地利用建筑空间， 而且能够利用较小规格的杆件建造大跨度的结构 • 杆件类型划一，适合于工厂化生产、地面拼装和整体吊 装等优点
网架的分类
• 几何形态上分：平板网架、柱面网架、球 面
网架 • 平面桁架系、四角锥体系、三角锥体系 • 螺栓球节点、焊接球节点 • 双层网架、多层网架
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网架的材料
• 钢材：钢管、型钢、钢球 • 组合形式
双向正交正放、斜放？
三向交叉
正放四角锥体系
• 四角锥体网架的上弦和下弦平面均为方形 网格，上下弦错开半格，用斜腹杆连接上 下弦的网格交点，形成一个个相连的四角 锥体。四角锥体网架上弦不易再分杆，因 此网格尺寸受限制，不宜太大。它用于中 小跨度
斜放四角锥
• 所谓斜放，是指四角锥单元的底边与建筑平面 周边夹角为45。它比正放四角锥体网架受力更 为合理。因为四角锥体斜放以后，上弦杆短对 受压有利，下弦杆虽长但为受拉件，这样可以 充分发挥材料强度。 • 斜放四角锥体网架形式新颖，经济指标较好， 结点汇集的杆件数目少，构造简单因此近年来 用得较多。它适用于中小跨度建筑。 • 它的支承方式可以是周边支承或边支承与点支 承相结合当为点支承要注意在周边布置封闭的 边衍架以保证网架的稳定性。
三角锥
• 三角锥网架一般适用于大中跨度及重屋盖 的建筑，当建筑平面为三角形、六边形或 圆形时最为适宜 • 蜂窝形三角锥
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网架的选型
• 对于矩形平面、周边支承情况，当其边长比小于或 等于1．5时，宜选用斜放四角锥网架，棋盘形四角 锥网架，正放抽空四角锥网架，也可考虑两向正交 斜放网架，两向正交正放网架。 • 正放四角锥网架耗钢量较其他网架高，但杆件标准 化程度比其他网架好，目前采用较多。 • 对于中小跨度，也可选用星形四角锥网架和蜂窝形 三角锥网架。当边长比大于1．5时，宜先用两向正 交正放网架，正放四角锥网架和正放抽空四角锥网 架。当平面狭长时，可采用单向折线形网架。
网架的结构高度
• 网处的高度（即厚度）直接影响网架的刚 度和杆件内力。增加网架的高度可以提高 网架的刚座，减少弦杆内力，但相应的腹 杆长度增加，围护结构加高。网架的高度 主要取决于网架的跨度。 • 网架的高度与短向跨度之比一般为： • 跨度=60m，约为1/14~1/18
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