索结构、膜结构、框架结构的比较

索结构、膜结构、框架结构的比较

摘要：随着科学技术与施工技术的发展，在建筑结构方面出现了越来越多的新型结构代替了传统的框架结构。在新型结构中比较突出的有索结构，膜结构，它们造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。

关键词：索结构、膜结构、框架结构、材料用量、受力、区别、工程实例

正文：

框架结构：

框架结构住宅是指以钢筋混凝土浇捣成承重梁柱，再用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、浮石、蛭石、陶烂等轻质板材隔墙分户装配成而的住宅。适合大规模工业化施工，效率较高，工程质量较好。框架结构由梁柱构成，构件截面较小，因此框架结构的承载力和刚度都较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，这时，现浇楼面也作为梁共同工作的，装配整体式楼面的作用则不考虑，框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用，框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间，但抗震性能差。

水平方向仍然是楼板，然后楼板应该搭在这个梁上，梁支撑在两边的柱子上，这就把重量递给了柱子，沿着高度方向传到基础的部分，即梁、板、柱构成的承重体系。框架结构的特点非常突出：所有的墙都不承重跟厂房的承重没有关系，那个承重，是板搭在梁上，梁传给了柱子，墙都是后坐上去的用于其他的轻质材料，墙都不会承重，应用的时候都很灵活，如想要大房间不要墙，就要大房间，不想要大房间，想要小的，就可以在其中用其它的轻质材料来进行房间的划分，房间划分成若干个小房间，因此它的墙不承重，及起着一个划分空间的作用，仅起着一个保温，隔热，隔声的部分。注意：框架结构：指梁、板、柱的承重体系。框架建筑的主要优点是空间分隔灵活，自重轻，有利于抗震，节省材料；同时具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；同时框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期。框架结构体系的缺点为：①框架节点应力集中显著；

②框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破性；③对于钢筋混凝土框架，当高度大、层数相当多时，结构底部各层不但柱的轴力很大，而且梁和柱由水平荷载所产生的弯矩亦显著增加，从而导致截面尺寸和配筋增大，对建筑平面布置和空间处理，就可能带来困难，影响建筑空间的合理使用，在材料消耗和造价方面，也趋于不合理。④钢材和水泥用量较大，构件的总数量多，吊装次数多，接头工作量大，工序多，浪费人力，施工受季节、环境影响较大。

索结构：

索结构为近年来发展起来的新型幕墙结构，索结构幕墙最大限度的降低了幕墙所占装饰空间的比重，且由于结构形式简单、通透性强而倍受设计师及用户青睐。单层平面索网支承式玻璃幕墙结构，是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构，具有建筑造型美观、构件轻巧纤细、视觉通透性好等优点，因而特别适用于大型公共建筑中。这类

结构的一个显著特点是，结构在外

荷载的作用下变形较大(目前国内

外常用变形标准为跨度的1／50或

更大)，结构刚度和振动频率与变

形相关．具有较明显的几何非线性

特征。同时其作为一种新型预张力

结构形式，具有柔性大、质量轻、

阻尼小的特点．属风敏感结构。而

现行荷载规范中提出的等效静风

荷载法仅适用于高层、高耸等悬臂

型结构，幕墙规范提出的阵风系数

也仅适用于单块玻璃的抗风设计，不适用于支承结构设计。由于结构的刚度和振动频率与结构位移相关，因此较难根据结构响应来定义结构的等效静风荷载，等效静风荷载的概念对于单层索网玻璃幕墙结构可能是不适用的。

北京工人体育场的改建更能说明了索结构的一系列的优越性。北京工人体育馆建成于１９６１年，是为举办第２６届世界乒乓球锦标赛而建造的。体育馆建筑平面为圆形，地下一层，地上四层，屋盖采用轮辐式双层悬索结构，跨度达到９４米，是我国悬索结构大跨度建筑的经典之作。世乒赛后，工人体育馆成为北京地区举行大型活动的重要场所。北京工人体育场位于北京市朝阳区工体北路三里屯，作为国家体育场，举行过多项国家大型活动，在全国人民心中有着崇高的地位。本次改建后将作为北京2008奥运会足球比赛场馆，容纳观众六万人。北京工人体育场建成于1958年，为当时北京十大建筑之一，受当时建筑科学技术水平和历史条件的限制，原结构设计未考虑抗震设防。虽然之前曾对原结构进行过加固，但限于条件，并未进行抗震加固。此次改造本着最大限度地保持原建筑外貌和风格的原则进行，结构加固应用了许多新技术、新工艺、新材料。

本工程总变配电室位于工人体育场西南侧，高低压柜在同一室内，下有电缆夹层，原有7间油浸式变压器室，本次改造全部更换为干式变压器。总变配电室高低压柜、变压器、直流屏等需增容及更新设备，外线为奥运会提供电源的电缆更换新缆，足球比赛场地照明改造，热水交换间及消防泵房因移位进行重新设计，⑩至⑩轴看台下用房按奥运会用房标准进行改造。

为合理利用资源、科学组织施工，保工期、

保质量，本工程拆除及结构加固改造施工分为

3个平行的施工段，如图2所示

（1）施工区A：◎轴一⑩轴，地下一层、一

层、二层主要为奥运功能用房。

(2)施工区B：◎轴一⑩轴，主要为非奥运用房。

(3)施工区C：⑩轴一⑩轴，主要为非奥运用房。

照明灯梭形钢管桁架预应力拉索结构施工原北京工人体育场场地照明灯具安装在钢结构挑棚的前端，照度及眩光不满足奥运会足球比赛的要求，根据奥组委及国际足联对场地照明的要求，需将原灯具的位置提高12m，因此增设了梭形柱灯架结构，该结构为柔性结构体系，每榀梭形桁架由3根拉索张拉就位，后索与三肢梭形钢管格构柱在平面内连接，梭形柱平面外由前索以及钢桁架连接，钢桁架作为马道使用，同时用来放置灯具，因此拉索安装顺序将直接决定施工的安全可靠性。具体安装顺序：吊车将整榀桁架吊起后，先就位梭形桁架的柱脚，再安装后拉索，最后安装前拉索。该结构为有索单元的悬索结构，在未施加预应力之前，结构还不具有稳定的刚度。为了使得每榀梭形桁架柱都能够施加上设计要求的预应力值，因此必须在张拉过程中进行施工监测。对预应力张拉过程中进行监测的目的主要有以下两点

(1)由于在未施加预应力之前，结构不能自成体系，因此在张拉过程中一定要进行施工监测，以保证预应力施加的大小以及施加过程的安全。

(2)为保证梭形桁架的顶端竖向位移能够在规范允许的范围内，并且保证灯具在同一个标高处，不至于出现梭形桁架应力过大或整体结构变形过大的情况，必须对梭形桁架柱的应力和竖向位移分别进行应力监测和位移监测。

本工程改建的高空灯架为柔性结构体系，每榀梭形桁架由3根拉索张拉就位，采用改变刚性杆件和柔性索长度方法，针对工艺原理对梭形钢管桁架和预应力拉索预加预应力，施工难度和施工前期准备工作量大，因此，拉索安装顺序将

直接决定钢结构施工的安全可靠性。另外．本工程为含有索单元的悬索结构，在未施加预应力之前，结构还不具有稳定的刚度。为使每榀梭形桁架柱都能够施加上设计要求的预应力值，预应力张拉过程中施工监测非常重要。

施工要点：受当时施工水平的制约，原框架斜梁施工偏差较大，现场转向块及锚固端安装施工时应根据原结构偏差现场放实样，保证钢绞线同原有结构顺平，防止向原结构产生侧向力，并且在张拉过程中注意观察结构变化，张拉时先预施~H20％的张拉控制力，记录钢绞线位置，再施加100％的张拉控制力，记录伸长值。控制原则应以索力控制为主，钢绞线伸长值为辅，保证施工质量。

膜结构：

真正意义上的现代膜结构是在20世纪50年代出现的。美国的沃尔特-伯德(Wader．Bird)在1946年为美国军方设计制作的球形充气雷达罩，1957年为自己家游泳池罩上的充气膜，德国建筑师佛赖-奥托(Frei Otto)在1955年、1957年分别为两届德国联邦园艺博览会设计的临时音乐台和场馆入口挑篷及音乐台均是这一时期里程碑式的膜结构建筑。但谈及现代膜结构大量展现在世人面前并风靡于世，则不得不叙述一下1970年在日本大阪举行的万国博览会。本次博览会上的美国馆是一个空气支承膜结构。这个建筑物的蒙皮采用了先进的复合材料——建筑织物。大阪博览会之后，作为临时性建筑的美国馆虽已拆除，但膜结构的建筑技术却逐渐推广应用到永久性的建筑上。膜结构建筑是指利用膜材特性而建起来的建筑。支承膜结构的可以是框架，也可以是索。如果用膜本身作为结构材料，则该材料有限的强度决定了该结构只能是小尺寸的。在大型结构中膜必须用某种方法加强一下，或与其他构件组合。但是膜材与别的屋面材料不同，一般来说，膜形成曲面，且膜材能抗拉，但不能抗压或抗弯。膜结构要用合理和正确的方法来张拉。在持续均匀的张拉下，整个结构的刚度增加了。膜材的徐变特性使在任意的张拉状态下也会随时间的推移渐渐地趋向等张力状态。因此从开始就设计一个等张力形态会有更大的稳定性。

膜结构所用膜材料由基布和涂层两部分组成.基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料;涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纤维覆聚聚四氟乙烯（Teflon）。PVC材料的主要特点是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，但价格便宜，容易加工制作，色彩丰富，

抗折叠性能好。为改善其性能，可在其表面涂一层聚四氟乙烯涂层，提高其抗老化和自洁能力，其寿命可达到15年左右。Teflon材料强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好，但它价格较贵，不易折叠，对裁剪制作精度要求较高，寿命一般在30年以上，适用于永久建筑。

膜结构在其发展过程中出现了如下3种结构形式：张拉膜结构(Tension Suspension Structure)，充气膜结构(Pneumatic Structure)和骨架膜结构(Frame Supported Structm'e)。

人们曾害怕膜结构形态仅由力学来确定，而缺乏美学的考虑。但即使是由力学确定的曲面，其边界条件也不是无限制的，而必须由设计确定，其形态必须用索或钢构来赋予。具有框架的膜结构，膜被拉到钢、木或钢筋混凝土上，这个方法使习惯于传统建筑设计的建筑师在实现膜建筑上相对容易些。

充气膜结构的想法最初是由气球而来。第一个构思用于该结构的人可能是英国的https://www.360docs.net/doc/549802483.html,nchester。1917年他用充气膜建成一个战地医院而获得专利。但该结构用于实际中的是1946年建于美国的Radar穹顶。W.WBird建造了许多充气膜结构并对膜结构的发展做出了卓越的贡献。1967年在Stuttgart召开了IASS全球讨论会，使充气膜结构在全世界范围广泛流传。对充气膜结构提出了许多建议，这些都有助于制定这类结构的规范。

国家游泳中心又被称为“水立方”（Water Cube），位于北京奥林匹克公园内，是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆，也是2008年北京奥运会标志性建筑物之一。它的设计方

案，是经全球设计竞赛产生

的“水的立方”（[H2O]3）

方案。2003年12月24日

开工，在2008年1月28日

竣工。其与国家体育场(俗

称鸟巢)分列于北京城市中

轴线北端的两侧，共同形成

相对完整的北京历史文化

名城形象。国家游泳中心规

划建设用地62950平方米，总建筑面积65000-80000平方米，其中地下部分的建筑面积不少于15000平方米，长宽高分别为177m × 177m × 30m。膜结构是用高强度柔性薄膜材料经受其它材料的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。说到世界最高的膜结构建筑，值得一提的是全世界最豪华的酒店当数阿联酋迪拜的泊瓷（BurjAl-Arab）酒店，翻译成汉语又称“阿拉伯塔”，它是世界为数不多的七星级酒店之一。位于中东地区阿拉伯联合酋长国迪拜市。主体高度321米酒店建在

海滨的一个人工岛上，是

一个帆船形的塔状建筑，

一共有56层，321米高，

由著名的英国设计师设

计。酒店采用双层膜结构

建筑形式，造型轻盈、飘

逸，具有很强的膜结构特

点及现代风格。它拥有202

套复式客房、200米高的可

以俯瞰迪拜全城的餐厅。

到过阿拉伯塔酒店之后，

你才能体会到真正意义的

“金碧辉煌”。它的中庭

是金灿灿的，它的最豪华

的780平方米的总统套房

更是华丽非凡，在第25层，家具是镀金的，设有一个电影院、两间卧室、两间起居室、一个餐厅，出入有专用电梯。客房面积从170平方米到780平方米不等。矗立在海滨的人工小岛上，酷似帆船状，通体呈塔形，从头到脚56层，高达321米，拥有202套复式客房，在中间靠上的位置搭建了俯瞰全城的豪华餐厅，还修成一座全球最高的花园中庭。

英格斯冰场（David S. Ingalls Rink），也唤作鲸鱼（The Whale），是耶鲁大学的冰球馆。耶鲁校友，建筑师埃罗·沙里宁别出心裁的设计使这座建筑在业界有一定的影响。该场馆建于1950年代，耗资150万美元，远超出了最初的预算。它拥有3486个席位，顶部高度达23米。英格斯冰场以戴维·英格斯（David S. Ingalls）和他的儿子小英格斯的名字命名，两位都曾任耶鲁大学冰球队队长，英格斯家族也为场馆建设提供了大部分的资金赞助。这座建筑独特的造型富有创造性，整体外型像鲸鱼，兼有东方传统建筑的风格。中间一条90多米长的弓形钢筋混凝土结构作为脊梁，向两边拉起钢索来支撑屋顶，构成了复杂的空间曲线曲面结构。复杂的曲线增加了结构设计计算以及施工的难度，张拉索膜结构体现了较高水平的现代科学技术。

膜结构一改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑上实现时所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。另外值得一提的是，在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体型显现出梦幻般的效果。这种结构形式特别适用于大型体育场馆、入口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。

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