大跨度建筑結構體系研究論文

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論文關鍵詞：大跨度空間結構拱券結構及穹隆結構椼架結構與網架結構殼體結構懸索結構膜結構

論文摘要：大跨度空間結構是目前發展最快的結構類型。大跨度建筑及作為其核心的空間結構技術的發展戰況是代表一個國家建筑科技水平的重要標志之一。而大跨度結構的表現形式是多種多樣的，具體如下文所示：

一、拱券結構及穹隆結構

從迄今還保存著的古希臘宏大的露天劇場遺跡來看，人類大約在兩千多年前，就有擴大室內空間的要求。古代建筑室內空間的擴大是和拱結構的演變發展緊密聯系著的，從建筑歷史發展的觀點來看，一切拱結構-----包括各種形式的券、筒形拱、交叉拱、穹隆------的變化和發展，都可以說是人類為了謀求更大室內空間的產物。券拱技術是羅馬建筑最大的特色及成就，它對歐洲建筑做出了巨大的貢獻，影響之大無與倫比。羅馬建筑典型的布局方法、空間組合、藝術形式和風格以及某些建筑的功能和規模等等都是同券拱結構有密切聯系。

拱形結構在承受荷重后除產生重力外還要產生橫向的推力，為保持穩定，這種結構必須要有堅實、寬厚的支座。例如以筒形拱來形成空間，反映在平面上必須有兩條互相平行的厚實的側墻，拱的跨度越大，支承它的墻則越厚。很明顯，這必然會影響空間組合的靈活性。為了克服這種局限，在長期的實踐中人們又在單向筒形拱的基礎上，創造出一種雙向交叉的筒形拱。而之后為了建筑的發展熱門又創造出了穹隆結構穹隆結構也是一種古老的大跨度結構形式，早在公元前14世紀建造的阿托雷斯寶庫所運用的就是一個直徑為14.5米的疊澀穹隆。到了羅馬時代，半球形的穹隆結構已被廣泛地運用于各種類型的建筑，其中最著名的要算潘泰翁神廟。神殿的直徑為43.3米，其上部覆蓋的是一個由混凝土做成的穹隆結構。

在大跨度結構中，結構的支點越分散，對于平面布局和空間組合的約束性就越強；反之，結構的支承點越集中，其靈活性就越大。從羅馬時代的筒形拱衍變成高直式的尖拱拱肋結構；從半球形的穹隆結構發展成帶有帆拱的穹隆結構，都表明由于支承點的相對集中而給空間組合帶來極大的靈活性。

二、椼架結構與網架結構

椼架也是一種大跨度結構。在古代，雖然也有用木材做成各種形式的構架作為屋頂結構的，但是符合力學原理的新型椼架的出現卻是現代的事。椼架結構雖然可以跨越較大的空間，但是由于它自身具有一定的高度，而且上弦一般又呈兩坡后曲線的形式，所以只適合擔當作屋頂結構。

網架結構也是一種新型大跨度空間結構。它具有剛度大、變形小、應力分布均勻、能大幅度地減輕結構自重和節省材料等優點。網架結構可以用木材、鋼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，可適應于多種形式的建筑平面的要求。近來國內外許多大跨度公共建筑或工業建筑均普遍地采用這種新型的大跨度空間結構來覆蓋巨大的空間。

網架結構可分為單層平面網架、單層曲面網架、單層平板網架和雙層穹隆網架等多種形式。但層平面網架多由兩組互相正交的正方形網格組成，可以正方，也可以斜放。這種網架比較適合于正方形或接近于正方形的巨型平面建筑。如果把單層平面網架改變為曲面-------拱或穹隆網架，或可以進一步提高結構的剛度并減小構件所承受的彎曲力。從而增大結構的跨度。

網架結構象框架結構一樣，承重系統與非承重系統有明確的分工，即支承建筑空間的骨架是承重系統，而分割室內外空間的圍護結構和輕質隔斷，是不承受荷載的。在網架結構體系下，室內空間常依照功能要求進行分隔，可以使封閉的，也可以是半封閉或開敞的。

當今，空間平板網架結構在我國已有較大發展，而由于網架結構多采用金屬管材制造，能承受較大的縱向彎曲力，與一般鋼結構相比，可節約大量鋼材和降低施工費用（根據有關資料統計，節約鋼材約35%，降低施工費用約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量）。因此，空間網架的結構形式，用于大跨度建筑具有很大的經濟意義。另外，由于空間平板網架具有很大的剛度，所以結構高度不大，這對于大跨度空間造型的創作，具有無比的優越性。

三、殼體結構

一般而言，用輕質高強材料做成的結構，若按強度計算，其剖面尺寸可以大大地減小，但是這種結構在荷載的作用下，卻容易因變形而失去穩定并最后導致破壞。而殼體結構正是由于合理的外形，不僅內部應力分配既合理又均勻，同時又可以保持極好的穩定性，所以殼體結構盡管厚度極小卻可以覆蓋很大的空間。

殼體結構的剛度，取決于它的合理形狀，而不像其他結構形式需要加大結構斷面，所以材料消耗量低；其靜載也不像其他結構形式那樣隨跨度增大而加大，所以其厚度可以做得很薄；該結構的承重和無蓋合而為一，使其更加經濟有效，且在建筑空間利用上越加充分。

殼體結構按其受力情況不同可以分為折板、單曲面殼和雙曲面殼等多種類型。在實際應用中，殼體結構的形式更是豐富多彩的。例如悉尼歌劇院，其外觀為三組巨大的殼片，聳立在一南北長186米、東西最寬處為97米的現澆鋼筋混凝土結構的基座上。而殼體結構既可以單獨使用又可以組合起來使用；既可以用來覆蓋大面積空間，又可以用來覆蓋中等面積的空間；既適合方形、矩形平面要求，又可以適應圓形平面、三角形平面，及至其他特殊形狀平面的要求。

因為殼體結構屬于高效能空間薄壁結構范疇，可以適應于力學要求的各種曲線形狀，所以其承受彎曲及扭轉的能力遠比平面結構系統大。另外，因結構受力均勻，因而可充分發揮材料的材耗，所以殼體結構體系非常適用于大跨度的各類建筑。

四、懸索結構

由于鋼的強度很高，很小的截面就能夠承受很大的拉力，因而在本世紀初就開始用鋼索來懸吊屋頂結構。懸索在均勻荷載作用下必然下垂而呈懸鏈曲線的形式，索的兩端不僅會產生垂直向下的壓力，而且還會產生向內的水平拉力。單向懸索結構為了支承懸索并保持平衡，必須在索的兩端設置立柱和斜向拉索，以分別承受懸索所給予的垂直壓力和水平拉力。單向懸索的穩定性很差，特別是在風力的作用下，容易產生振動和失穩。

為了提高結構的穩定性和抗風能力，還可以采用雙層懸索或雙向懸索。雙層懸索結構平面呈圓形，索分上下兩層，下層索承受屋頂全部荷載，為承重索；上層索起穩定作用，為穩定索，上下兩層索均張拉于內外兩個圓環上而形成整體。這種形式的懸索結構承重索與穩定索具有相反的彎曲方向，這兩種索交織成索網，經過預張拉后形成整體，具有良好的穩定性和抗風能力。

懸索結構除跨度大、自重輕、用料省外還具有平面形式多樣（除可覆蓋一般矩形平面外還可以覆蓋圓形、橢圓、正方形、菱形乃至其他不規則平面的空間），使用的靈活性大、范圍廣；由多變的曲面所形成的內部空間既寬大宏偉又富有運動感；主剖面呈下凹的曲面形式，曲率平緩，如處理得當既能順應功能要求又可以大大節省空間和空調費用；形式變化多樣，可以為建筑形體和立面處理提供新的可能性。

在大跨度結構建筑選型時，懸索結構由于沒有繁瑣支撐體系的屋蓋結構選型，所以該種結構是較為理想的形式。在荷載作用下，懸索結構體系能承受巨大的拉力，因此要求設置能承受較大壓力的構件與之相平衡。

五、膜結構

膜結構是空間結構中最新發展起來的一種類型，它以性能優良的織物為材料，或是向膜內充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性骨架將膜面繃緊，從而形成具有一定剛度并能覆蓋大跨度結構體系。膜結構既能承重又能起圍護作用，與傳統結構相比，其重量卻大大減輕，僅為一般屋蓋重量的1/10---1/30。

膜結構按其支承方式的不同，一般包括(1)空氣膜結構----跨度大時可用氣承式，就是在建筑物內部空間注以空氣，屋面的拱度一般都較低，以減小欺壓，大跨度時往往在建筑物的對角線方向布置交叉的鋼索，對膜面起加勁作用。而氣脹式空氣膜結構則是將膜材做成周圍密封的圓形雙層，充氣后形成飛碟狀；或將膜材作成半圓形圓筒，充氣后如同半個輪胎，以此為單元組合成各種屋蓋。該膜結構主要用在跨度較小的臨時性建筑上。(2)懸掛膜結構-----一般采用獨立的桅桿或拱作為支承結構將鋼索與膜材懸掛起來，然后利用鋼索向膜面施加張力將其繃緊，這樣就形成了具有一定剛度的屋蓋。（3）骨架支撐膜結構------這是以鋼骨架代替了空氣膜結構中的空氣作為膜的支撐結構，骨架可按建筑要求選用拱、網殼之類的結構，然后在骨架上敷設膜材并繃緊，適用于平面為方形、圓形或矩形的建筑物。（4）復合膜結構----這是膜結構中新的結構體系，由鋼索、膜材及少量受壓的桿件組成，由于主要用于圓形平面，稱“索穹頂”。這個體系包括連續的拉索和單獨的壓桿，在荷載作用下，力從中心受拉環或椼架通過放射狀的徑向脊索、谷索、環向拉索、斜拉索傳向周圍的受壓環梁。扇形的膜面從中心環向外環方向展開。通過對鋼索施加拉力而繃緊，固定在壓桿與接合處的節點上。該結構適用于大跨度的圓形或橢圓形建筑。

以上是現代大跨度建筑的常用結構形式，概括地說，無論是從建筑歷史抑或是從今后發展來看，在建筑設計創作中，結構因素的影響是舉足輕重的，古今中外優秀的建筑作品，總是與良好的結構形式相輔相成渾然一體的。因此建筑結構是每個建筑者必須掌握的。

參考書目：

《公共建筑設計原理》張文忠主編中國建筑工業出版社

《中國建筑史》潘古西主編中國建筑工業出版社

《外國建筑史》陳志華著中國建筑工業出版社

《建筑空間組合論》彭一剛著中國建筑工業出版社

《大跨度屋蓋結構抗震設計》藍天張毅剛著中國建筑工業出版社