大跨建筑结构构思与结构选型

大跨建筑结构构思与结构选型>>读书笔记大空间公共建筑结构与建筑有着密切的关系，建筑的形象及构筑，以及建筑的空间，都与结构形式息息相关。结构本身制约着建筑的外观造型，影响着建筑的构筑方式以及建设成本，在一定程度上影响或限制了设计师的构思。但是，如果掌握各种结构形式的特点并很好地利用，就可以由被动变主动，创作出别具特色的建筑作品。总之，建筑与结构在大空间公共建筑设计中有着很强的依存、制约和促进的关系。

在我国，自从实施改革开放政策以来，大空间建筑发展迅速，并出现了很多闻名世界的建筑。其中，体育建筑是重要的一份子。例如深圳体育馆和吉林冰球馆，都以其特殊的造型和结构形式被人们所熟知。博览建筑也因其重要的作用迅速发展，其中由于功能要求，大空间博览建筑如雨后春笋般出现。还有交通建筑，特别是航空港建筑发展迅速，规模巨大。几乎我国各省市中心城市都建设起现代化机场候机楼。这些机场采用了各种结构形式，造型多种多样，成为现代空间结构的一个重要展示场。国外经济发达国家的大空间公共建筑有着更长的历史和卓越的成就，罗马小体育馆和利雅得体育场、墨西哥城咖啡厅都以其独特的造型、结构形式和新材料新技术的应用得到世界各国的关注。现实表明，大空间建筑的构筑都与结构形式关系密切，不同的结构形式有着各自的特点，我们只有掌握了它们的优点和缺点，才能更好的利用它们，创作出更好的作品。

1、大空间建筑的构筑与结构形式

一、网架结构优点：用钢量比桁架等平面结构少得多，重量轻，施工简便（螺栓球节点），工期短，造价低，抗震性能好，刚度大等等。适用范围：广泛，小至一二十米的雨篷，大至上百米的屋盖。网架结构对建筑平面空间布局的制约相对较小，外观轻快平直，对建筑体型影响也较小，给建筑创作留有较大的构思余地。发展现状：在我国，经过多年的研究和大量实践的检验修正，网架结构设计理论已比较成熟，并培育了比较强大的设计和理论研究队伍，足以胜任各种网架结构设计任务。施工技术较成熟，经验丰富，并形成了专业化生产和施工的厂家。

二、网壳优点：靠空间体形受力，工厂生产构件现场组装的施工方便、快速，受力合理，刚度大，自重轻，体形美观多变，技术经济指标好。形式：球面网壳、双曲面扁网壳、柱面网壳、扭网壳（双曲抛物线面网壳），并有多种组合形式。缺点：因为网壳结构只有保持合理的空间体形才具备受力合理的特点，所以，对建筑的平面空间形状有很强的制约作用，对建筑体形有决定性的影响。

三、悬索结构受力特点：将结构内力的拉压分开，分别由长于受拉的钢索和长于受压的钢筋混凝土或木结构承受拉力和压力，发挥各自专长。优点：受力合理，耗材省。建筑轮廓流畅，形体优美。我国发展现状：轮辐式双层索系、双曲抛物面索系、索桁架平面索系、索桁架空间索系、单层平面索系、伞形单层辐射索系、悬挂索网、斜拉屋盖，以及组合式索网屋盖。

四、薄膜结构优点：材质轻薄透光、表面光洁亮丽、形状飘逸

多变。缺点：膜材造价较高，使用寿命相对较短。

大跨结构发展的动因和条件

1、经济发展和社会需求2.材料3.计算理论4.计算工具5.施工技术

2、建筑与结构大空间公共建筑与结构的依存和制约关系十分显著，其强度远大于一般中小跨度建筑，其关系更应深入探讨。

（一）结构对建筑的制约其主要表现： 1、空间和形体 2、界面和形象 3、形式美的表达

（二）建筑与结构的相互促进大空间公共建筑对结构的最主要要求就是形式多样化，为建筑创作提供得心应手的手段，这是建筑对结构的最大促进。反之，当结构技术取得突破，就为建筑设计创造了更大的创作余地，促进建筑的发展。

（三）结构与建筑的相对关系建筑创作的核心在于创造人工空间，满足人们的物质和精神需要，结构创作的核心是实体，是构筑空间的有形物质。空间与实体相互依存，但空间是主角，是建筑的目的，实体是服务于空间的物质手段。可见其主从地位分明。

（四）结构与建筑的矛盾建筑创作贵在创新，个性化则是其重要的体现。个性化要求不仅在于它与周围其他建筑应有明显的区别，更在于它与同类建筑相比有自己的鲜明个性，不落雷同，这可能是大空间公共建筑创作的最大难点。建筑个性化创作直接涉及到结构，要求结构形式灵活多样，为建筑创作提供较广泛的自由选择和加工改造的余地。然而，现实情况是流行的结构形式同需要相比很有限，

同多样化的需求差距较大，矛盾比较突出。这或许就是大空间公共建筑与结构的最本质的矛盾

3、建筑师与工程师

建筑工程是多学科知识的凝聚和多种专业技术的综合，它既需要专业分工和细化，做精深的技术工作，更需要专业间的密切合作，创作出融合协调的作品。

一、建筑师职责（一）建筑构思必须牵涉到结构构思，其建筑构思需要与结构构思同步进行。这两种构思只能都由建筑师来完成。（二）建筑造型应该正确反映结构形态，构筑的建筑形体既应经济合理，也应正确表达力的传递，形式与技术紧密结合。（三）建筑师肩负主持工程设计重任，应积极协调各专业技术的交叉和矛盾，使之成为相互合作的综合产品。总之，建筑师在结构构思和结构选型方面负有主导作用，既要有一定的概念性结构知识和掌握构思方法的共同语言，也要有同结构工程师密切合作，互相理解、支持、礼让等精神。

二、结构工程师的任务（一）工程师应及早参与结构构思（二）完成结构计算及落实技术细节

三、专业合作 (一) 扩展知识，建立合作基础 (二) 研究结构形态，发展边缘学科

4、大跨结构的基本知识及其运用

（一）结构的要素及其相互关系 1、结构离不开力的作用 2、结构在力的作用下会产生一定的反应，这主要体现在结构的变形上。

3、结构系统本身是作用-系统-反应这一关系链中的关键环节。

（二）结构的基本概念结构的形态，一方面取决于建筑的功能与造型要求，另一反面取决于结构的受力情况。 1、结构的受力（1）直接作用直接以力的形式对结构产生作用（2）间接作用是由于地面运动、结构变形、温度变化、材料性能改变（材料老化、变性）等因素引起结构内部发生力的作用。 2、荷载的分类（1）按作用时间分为恒荷载、活荷载、偶然荷载。（2）按分布情况分为集中荷载、分布荷载。（3）按作用性质分为静力荷载、动力荷载。 3、结构的效应内力指结构在直接或间接作用下，其内部各组成部分之间产生的力的相互作用，包括轴力、剪力、弯矩、扭矩。可通过内力对于面积的集度-应力来反映。变形指结构相对于自身的形状改变，包括长度、挠度和角度的变化。可用变形对于长度的集度-应变来表达。位移指结构的整体性位置变化，还可用来描述结构上某一点的位置变化，包括倾斜、滑移、整体沉陷和局部沉陷等。

4、结构的约束体现在两方面：支座条件位于结构的支撑部位，须通过外力提供平衡条件。有铰支、固定、滑动和弹性支座等形式。构造条件位于结构内部，以构造手段控制结构变形。另外，用于降低结构动力效应的主动控制或被动控制手段，也可看作是一种约束。

5、结构的性能结构的强度指结构的承载能力，即结构能够抵御某种作用而不至于破坏的能力。取决于材料强度、构件形式、结构构成方式、结构的受力状态。结构的刚度结构抵抗变形的能力。对大跨度建筑结构，刚度的好坏直接反映在挠度、支座滑动、风作用

下屋面的颤动幅度等方面。结构的稳定结构维持自身稳定状态的能力。主要体现在承载力的稳定和结构形态的稳定。

二、结构的分类

（一）按结构材料分类（最常用） 1、砌体结构由砖石混凝土等各种砌块组成。多用于拱、穹顶和支撑、围护结构。 2、木结构以木材为主要结构材料，可用于刚架、拱以及大量网格结构。 3、混凝土结构通常配置钢筋。多用于以承受压力为主的结构。有现浇和装配形式。 4、钢结构钢材的抗拉、抗压强度都很高，适用范围较广。此外，还有铝合金结构、复合材料结构、纸结构、索结构、膜结构。

（二）按结构受力分类结构的受力状态分为：拉、压、弯、剪、扭五大类。从整体作用来看，结构按受力方向分为：抗水平力体系、抗竖向力体系、抗倾覆力体系等。大跨结构主要是要抵御竖向作用。

（三）按结构的空间布置分类结构布置可按平面结构与空间结构两类方法布置。 1、平面结构假定结构的作用力及其位移和变形都在结构所处的平面内。优点：结构传力路线明确，构件的合理型式易于判断和确定，也易于同建筑的形态要求和吻合。 2、空间结构将结构定义为三维空间受力结构体系。与结构实际工作情况更加接近，设计结果也更为经济。此外，结构还可按形态分为体、线、面等结构。

三、结构的力学规律与造型相关的主要的结构原则：（一）力的分布与描述力是物体间的一种作用。包含外力与内力。内力

是用于描述构件内部力的分布情况的一种物理量。（二）力与变形的关系结构的变形曲线与荷载、支座条件、结构布置等都有直接关系。（三）受压构件的确定（四）结构的整体性几何不变的结构是稳定体系，有静定与超静定之分。四、结构的构成结构单体：能够维持结构形态稳定的最小单位。对结构可进行分级划分：（框架结构）一级结构：支撑柱与主梁或屋架构成的结构骨架。二级结构：梁、柱、屋架等。三级结构：屋架或大梁内部的腹杆、弦杆或受拉、受压部件。

结构的可靠性包括：承载力方面的安全储备，正常使用方面的可用性保证、结构的设计保证年限。

5、大跨建筑的结构特点

一、大跨建筑结构的受力特点（一）竖向作用主宰结构大跨结构的竖向作用首先是来自结构自重、屋面覆盖材料和建筑附属固定设施的重量等不变荷载的作用，其次来自作用于屋面结构的人员、施工荷载、风、积雪、积灰等可变荷载的直接作用，还有因地震导致的竖向地震力和脉动风压引起的结构竖向振动等间接作用。（二）间接作用效应明显（三）动态作用不可忽视

二、大跨建筑结构的组成 1、屋盖结构覆盖大空间且直接承担屋面荷载的结构 2、支承结构支承屋盖结构并将力传给基础的结构。 3、基础与地基直接接触并承接上部结构作用的结构或构件。（一）屋盖结构减小结构自重、提高结构刚度是结构选型和优化设计的目的所在。屋盖结构是大跨建筑土建投资的重点，对经济指标的

影响比重也最大。屋面的覆盖方式包括全覆盖和半覆盖。（二）支承结构支承体系的设置与屋盖结构的选型设计直接相关。主要是为了提供竖向支承，还通过被动约束方式来限制其整体性水平位移。（三）基础基础采用何种形式、提供何种反力，与上部结构有着密切关系。

三、大跨建筑结构的几何形式（一）曲面的几何形式及其构成方法 1、简单曲面的几何描述主曲率：曲率中数学上最大和最小的两个极值。两个主曲率方向是彼此正交的。高斯曲率K：曲面上任一点的两个主曲率的乘积。 K=0 单曲面或零高斯曲面； K≠0 双曲面 K>0 正高斯曲面；K<0 负高斯曲面可展曲面：如果一个曲面能够被展开，且没有出现面内伸缩或开裂。 2、曲面的形成方法（1）旋转曲面的形成（2）平移曲面的形成（3）直纹曲面的形成（二）屋盖结构的几何形态分类 1、屋面的形态分类（1）平面体系水平屋面、单坡屋面、双坡屋面、四坡屋面、锯齿形屋面、折板屋面等。（2）曲面体系穹顶、筒形拱、扭面等。 2、屋盖结构的构件组成分类面结构体系通过板、壳体或膜材料直接构成的屋盖结构。

线结构体系通过梁、刚架、悬索和网格结构构成屋盖结构骨架。面——线组合体系

网架结构施工