大跨度空间结构工程实例分析-上海科技馆资料
大跨度建筑案例分析
2013年12月2日，国家大剧院壳体钢结构安装完成
·网壳结构
网壳是一种与平板网架类似的空间 杆件结构，系以杆件为基础，按照一 定规律组成网格，按壳体结构布置的 空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。 其传力特点是通过壳内两个方向的拉 力，压力或剪力逐点传力。此结构是 一种有广阔发展空间的空间构件。
建筑师利用金属网的通透性，使简单厚 重的建筑结构在视觉上形成为多维空间，轻 盈简捷又不失空间的纵深感站在壳体的公共 空间内，人们可以看到弧形的金属网从高处 垂下，将歌剧院与壳体公共空间分隔开来隐 隐透出淡黄色人们可以透过金属网看到歌剧 院环廊内人们活动的场景，若隐若现，朦胧 而神秘，激发人们的好奇、想象和思索。建 筑师充分利用了金属网的特点来提升室内的 装饰效果。
大剧院建筑屋面呈半椭圆型,由钛金属板覆盖,前后两侧有 两个类 似三角形的渐开式玻璃幕墙切面,整个建筑漂浮于人造 水面之上。
国家大剧院壳体结构呈半椭球型。 由顶环梁，梁架，斜撑和环向连系 杆件组成。其中顶环梁呈椭圆形，长轴 长约60米，短轴长约38米，由环形钢架， 箱形梁，以及H型钢焊接而成。梁架呈 中心对称辐射状布置。 连杆沿水平环向布置，上下里外共 82道，并采用铸钢连接件或套筒连接件 连接。
·结语
国家大剧院是世界上最大的剧院拥有世界上最大的穹顶，是世界上最深的建筑，拥有亚洲最大的管 风琴。整体简洁而富有美感，但又不乏活力，仿佛里面有股生命力向外爆发。堪称建筑奇观，同时又彰 显出北京这个古老的城市的现代风貌与活力。城市建筑不再关乎审美或情感，而是对社会秩序的解释， 建筑也总是超越功能的，是建筑的形式给人们以经验，赋予城市以结构。
大跨度建筑分析
Analysis of Long Span Construction
大跨度建筑的混合空间结构案例分析
大跨度建筑的混合空间结构案例分析作者：张玥明来源：《砖瓦世界·下半月》2019年第04期摘; ;要：以大跨度建筑的混合空间结构为研究对象，从工程概况、结构体系两个方面分析当代国内案例，重点对大跨度建筑的混合空间结构的特点和组成要素进行分析。
为以后大跨度建筑设计理念和设计手法提供启发与参考，关键词：大跨度建筑;混合空间结构;拱-壳结构;悬索-拱结构一、概述混合空间结构，指的是将刚架结构、桁架结构、拱式结构、薄壁结构、网架结构、悬索结构和薄膜结构等不同形式的结构经过合理组合而形成的空间结构形式。
它充分发挥了各种结构及各种材料的特长，弥补了单一大跨结构受力、材料上的不足，使结构更广泛的适应于多种建筑功能并增大了建筑造型的灵活性。
一般来说，建筑形体轮廓由巨大的刚架、拱、悬索或斜拉结构作为巨型骨架而形成;屋盖造型则由骨架上布置的平板网架、网壳、桁架、悬索或薄膜结构形成。
通常，混合空间结构由刚架、桁架、拱、薄壁、网架、网壳、悬索、薄膜结构的两种或者三种结构单元组成。
在选择不同的组合方式时应满足建筑功能的需要、保持结构受力的均匀合理，充分发挥材料的特性、尽量采用预应力等先进的技术手段，改善结构受力性能、使整体结构刚柔并济，具有良好的整体稳定性、并保证施工简洁，造价合理的原则。
二、案例分析（一）武汉火车站1、工程概况武汉火车站是全国四大铁路网客运中心之一，也是第一个上部大型建筑与下部桥梁共同作用的新型结构火车站，实现了高速铁路，地铁，公路三者的无缝对接。
它的建筑面积为33.2万㎡，建筑高度为59.3m，建筑主体采用了拱-网壳结构。
2、结构体系武汉火车站由中央站房、南侧雨棚、北侧雨棚三部分组成。
武汉火车站中央站房的屋面支承结构由五榀主拱、半拱和斜立柱共同支撑，五榀主拱的基本间距为64.5m，最大主拱跨度甚至可达到116m。
主拱、半拱共同承担着楼面梁的支承任务，由于共用支撑结构，楼面结构与屋面结构有间接的联系;中央站房的屋盖采用网壳覆盖，其中上下弦采用圆管、腹杆两种形式。
案例分析-上海科技馆
球幕影院：具有球幕电影和天象演示双重 功能的、集教育与娱乐为一体的、新颖的 影视场所。银幕直径23米，倾斜度为30 度，倾斜式银幕能使观众具有飘浮在空中 之感觉。可容纳观众280位。
球幕影院 巨幕影院
Case Study
上海科技馆—展区分布
“生物万象”：表现生物多样性的展区 展区分为两大部分：热带雨林区和石林区 展示面积3,000平方米 “动物世界特展”：表现五大洲野生动物 原生态展示 展示面积2000平方米 “智慧之光”：表现多学科基本原理和典 型现象的展区 分设序厅、中央活动区和互动展品区 展示面积约1800平方米（包括夹层） 1F “彩虹儿童乐园”：儿童体验科学乐趣可 分成“一园三区”：供小朋友休息娱乐的 街心花园；1-4岁感知外部世界的梦幻森 林；5-8岁认知外部世界的游玩场所；912岁参与科技活动的实践区域 展示面积为1200平方米 “设计师摇篮”：强调“好主意”是创意 之源的展区 展区分为设计制造区、游客设计区、设计 杰作区 展示面积800平方米
彩虹儿童乐园
1F平面图
Case Study
上海科技馆—展区分布
“蜘蛛特展”：突现蜘蛛奇特生活方式 分为走近蜘蛛、体验蜘蛛的生活、交配和 繁殖、编织蛛网及蜘蛛的毒液五个部分 2F平面图
“信息时代”：表现信息技术引领社会巨 大变革的展区
“地球家园”：倡导人与自然和谐统一、 同生共荣的展区 2F 分为生态灾难、苏州河的变迁以及环境知 识三部分
“机器人世界”：体验人工智能应用技术 飞速发展的展区 “院士长廊”：展现两院院士的光辉形象 采用简单明快的现代艺术手法和材料工艺 来表现，人物形象均为真人全身1：1比 例，姿态各异，写实逼
信息时代
大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析
建筑构造作业——大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑，我国现行钢结构规范则规定跨度60m以上结构为大跨度结构。
主要用于民用建筑的影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑。
在工业建筑中则主要用于飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房。
大跨度建筑在古代罗马已经出现，如公元120到124年建成的罗马万神庙，成圆形平面，穹顶直径达43.5m，用天然混凝土浇筑而成，是罗马穹顶技术的光辉典范。
罗马万神庙虽然大跨度建筑在古代罗马已经出现，但是大跨度建筑真正得到迅速发展还是在19世纪后半叶以后，特别是第二次世界大战后的最近几十年中。
大跨建筑迅速发展的原因一方面是由于社会发展使建筑功能越来越复杂，需要建造高大的建筑空间来满足群众集会、举办大型的文艺体育表演、举办盛大的各种博览会等；另一方面则是新材料、新结构、新技术的出现，促进了大跨度建筑的进步。
一是需要，二是可能，两者相辅相成，相互促进，缺一不可。
19世纪后半叶以来，钢结构和钢筋混凝土结构在建筑上的广泛应用，使大跨建筑有了很快的发展，特别是近几十年来新品种的钢材和水泥在强度方面有了很大的提高，各种轻质高强材料、新型化学材料、高效能防水材料、高效能绝热材料的出现为建造各种新型的大跨度结构和各种造型新颖的大跨度建筑创造了更有利的物质技术条件。
大跨度建筑常用结构形式；大跨度常用建筑结构根据结构形式，受力构件排列组合不同可分平面平面机构体系和空间结构体系两大类，共有八种。
它们是：平面结构体系有拱、刚架以及桁（héng）架。
空间结构体系有网架、折板（薄壳）、悬索、膜结构以及混合结构。
拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。
由于拱成曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩可以降到最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间。
但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了保持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。
上海科技城结构设计
上海科技城结构设计∙简介：上海科技城是1999 年由上海市政府投资兴建的社会文化项目，曾为APEC 会议主会场，主要用于向社会展示科技成果，普及科技知识，为当年上海市政府重点项目。
现已成为上海市标志性建筑之一。
建筑物由主楼、附楼及下沉广场组成。
本文介绍了其上部结构设计，超长地下室外墙控制裂缝设计，基础设计等内容。
∙关键字：上海科技城，结构设计上海科技城结构设计一、工程概况上海科技城是 1999 年由上海市政府投资兴建的社会文化项目，曾为 APEC 会议主会场，主要用于向社会展示科技成果，普及科技知识，为当年上海市政府重点项目。
现已成为上海市标志性建筑之一。
上海科技馆位于浦东花木行政文化中心区，毗邻世纪公园，与浦东新区行政管理中心遥遥相对。
建筑物有主楼、附楼及下沉广场组成。
主楼建筑面积 88000 平方米，基地面积 68726 平方米，主楼最高四层，由低（ 11 米）向高（ 49 米）呈螺旋上升。
建筑物平面呈半圆环形，最大半径 160 米，最小半径 80 米，外圆弧长 490 米。
二、结构设计由于上海科技馆平面尺寸大、层数及高度变化多、建筑型体复杂。
为满足建筑型体和建筑功能，在结构设计中分别采用了钢筋混凝土框架结构、预应力混凝土结构、钢结构和铝合金结构。
（一）上部结构设计科技馆主楼为半圆环形平面，外圆弧长 490m ，宽近 90m 。
无论长度、宽度均超出我国现行设计规范的限值。
综合建筑设计和建筑物使用功能，结构设计通过设置二条结构缝，将建筑物分成 3 个独立的结构体 --A 区、 B 区、 C 区见（图六、结构分区平面）。
A 区结构体：本分区地上 4 层，地下 1 层，层高 10 m 。
结构体系为现浇钢筋混凝土框架结构，框架梁为有粘结预应力梁，梁跨度为 18m 。
楼板采用井字梁，井字梁为无粘结预应力梁。
屋面为四角锥平板式钢网架结构。
B 区结构：本分区结构布置为大跨度不规则柱网，有一层及两层楼面处采用钢筋混凝土预应力梁框架结构，中间大空间椭球体为铝合金单层网壳结构，屋面采用大跨度空间钢桁架结构。
大跨度空间结构设计实例探析
大跨度空间结构设计实例探析摘要：本文通过结合某大跨度空间设计实例，对其结构设计进行深入探讨，提出可行的结构设计思路以及可采取的结构设计技巧，为同类工程提供有价值参考。
关键词：结构设计；大跨度结构；空间结构；设计措施Abstract: this paper through the combination of a long-span space design examples, the structure design are discussed, the feasible structure design ideas and can take the structure design of the skills of the similar project to provide valuable reference.Keywords: structure design; Big span structure; Space structure; Measures designed工程概况本项目为剧院的大跨度空间结构，总高23.10m。
建筑结构的安全等级为二级，地基基础等级为乙级，设计使用年限50年，抗震设防类别为丙类。
地上建筑设抗震缝分为两部分，大跨度结构单元抗震等级二级，其余单元抗震等级三级。
地下室（地上建筑投影范围以外）抗震等级三级，地下室（地上建筑投影范围以内）抗震等级同地上建筑。
拟建场地土类型为软弱土，工程的地下室部分没有分开，基础采用钻孔灌注桩。
结构方案本工程上部结构由防震缝分为西侧结构和东侧结构两部分，从地下室整体刚度经过计算分析，地下室的剪切刚度应当大于地上一层剪切刚度的2倍，故将地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。
主体结构地下室顶板-0.050m标高与室外地下室顶板-1.800m标高相差1.75m，采用在相交边缘设加腋支挡的措施保证水平力连续传递，使地下室顶板成为有效嵌固端。
根据规范要求，本工程的结构类型采用现浇钢筋混凝土框架结构体系。
大跨建筑
大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析一、概述人类活动对建筑空间提出了新的要求。
人类在满足基本功能需要的同时，也在展示自己聪明才智和改造自然的伟大力量。
在空间上对大跨的追求一直是人类的梦想。
建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别；结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。
例如 1975年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”（Superdome），直径207m，长期被认为是世界上最大的球面网壳；现在这一地位已被1993年建成直径为222m的日本福冈体育馆所取代，但后者更著名的特点是它的可开合性：它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成，扇形沿圆周导轨移动，体育馆即可呈全封闭、开启1／3或开启2／3等不同状态。
1983年建成的加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖，其圆形平面直径135m，它是为1988年冬季奥运会修建的，外形极为美观，迄今仍是世界上最大的索网结构。
70年代以来，由于结构使用织物材料的改进，膜结构或索-膜结构（用索加强的膜结构）获得了发展，美国建造了许多规模很大的气承式索-膜结构；1988年东京建成的“后乐园”棒球馆，也采用这种结构技术尤为先进，其近似圆形平面的直径为204m；美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶”（Geogia Dome，1992年建成）采用新颖的整体张拉式索一膜结构，其准椭圆形平面的轮廓尺寸达192mX241m。
下面我们来分析大跨度结构形式与造型分析二、结构形式与造型分析大跨度建筑通常是指跨度在30米以上的建筑，主要用于民用建筑的影剧院、体育场、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑。
在工业建筑中则主要用于飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房。
1.拱结构及其建筑造型拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。
由于拱成曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩可以降到最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间。
大跨度空间结构工程实例分析-上海科技馆
人们对于椭球体空间结构设计，首先想到国内相当普及和成熟的大跨 度双层网架或双层网壳结构体系。但是，这种结构体系由于体积庞大， 自重大，防锈维护费用高，空透性差。经计算其空透率达不到40%，显 然不能满足科技城的高科技设计理念，也不能满足椭球体建筑的节能 技术要求。本工程采用高科技含量大的单层铝钛合金薄壳结构体系。
这种薄壳结构体系选用250mm至300mm高的6061-T6铝钛合金工字形梁， 节点形式为板式节点，板平面为圆盘形，用高强度不锈钢锁紧螺栓作固接， 形成一个个三角，拼成椭球体薄壳结构。设计软件对52种不利工况荷载作 用计算，离椭球体原点的最大绝对位移不超过75mm，相邻节点之间垂直 于球体表面最大的位移不超过25mm。与实际变形测量基本相符。按比例 测算，椭球体薄壳结构层比同体积的鸡蛋壳还要薄。使得结构轻巧，空透 性好，艺术观赏性强，具有显著的社会效益和经济效益。
竖向荷载作用下分析
因洞口对结构整体刚度有较大 削弱，选取大门框附近的区域 作为结构强度分析的研究对象 具有代表性，故选取右图示结 构平面图中部位A的部分构件 作为研究对象。
竖向荷载作用下分析
根据所选取的研究对象， 对其节点编号、杆件编号 如图所示。
竖向荷载作用下分析
在竖向荷载作用下，网壳结构的变 形图如右图所示，网壳的相应节点 位移如下表所示。 为研究结构的传力机制，利用有限 元软件进行了三种支承条件下的肋 向、环向杆件的应力分析，并统计 了最大拉(压)应力，这些杆件均在 门洞附近。 表 网壳节点z向位移(cm)
设计中的技术创新和成就 施工过程中采用的新技术
设计中的技术创新和成就有：
(1)科技馆智能化系统(BAS、CAS、OAS等)设臵齐全，设备选型 先进实用。使得科技馆称得上真正名副其实的科技建筑； (2)单层网壳椭圆球体,球体空间巨大，球体结构杆件为铝型材， 设计对网壳进行强度、稳定、抗震等方面的科研分析，在取得成果 的同时用于设计，效果显著； (3)设计和施工采用预应力技术，在混凝土构件中预先建立一定 值的压应力，以抵抗裂缝过多出现和开展，达到大跨度，薄楼板， 高强度，满足了展馆的使用要求； (4)虹吸排水系统，为保证屋面雨水排水系统安全、可靠，同时 不影响建筑的整体造型和美观，设计选用了虹吸排水系统，不但可 迅速排除屋面雨水，而且解决了雨水管与建筑装修的矛盾，节省了 上百根重力流排水管； (5) 空调冰蓄冷技术。
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投 资 方：上海市人民政府 开工时间：1998年12月18日 竣工时间：2001年6月 占地面积：68728m2 建筑面积：9.8万m2 总 投 资：17.55亿元人民币 方案设计： RTKL International 图纸设计：上海建筑设计研究院有限公司、TEMCOR 施工单位：上海市第四建筑有限公司 上海科技馆主体建筑平面为半圆环形，以混凝土框架为主，屋顶由空间网架、
钢桁架组成,建筑中部大堂由一巨型椭球体网壳结构覆盖。该工程获2002年度 中国建筑工程鲁班奖、国家科学技术进步奖二等奖、2001年度上海市建筑工 程“白玉兰”奖和上海市科学技术进步奖一等奖。
设计中的技术创新和成就 施工过程中采用的新技术
设计中的技术创新和成就有：
(1)科技馆智能化系统(BAS、CAS、OAS等)设置齐全，设备选型 先进实用。使得科技馆称得上真正名副其实的科技建筑；
(2)单层网壳椭圆球体,球体空间巨大，球体结构杆件为铝型材， 设计对网壳进行强度、稳定、抗震等方面的科研分析，在取得成果 的同时用于设计，效果显著；
(3)设计和施工采用预应力技术，在混凝土构件中预先建立一定 值的压应力，以抵抗裂缝过多出现和开展，达到大跨度，薄楼板， 高强度，满足了展馆的使用要求；
(4)虹吸排水系统，为保证屋面雨水排水系统安全、可靠，同时 不影响建筑的整体造型和美观，设计选用了虹吸排水系统，不但可 迅速排除屋面雨水，而且解决了雨水管与建筑装修的矛盾，节省了 上百根重力流排水管；
支承条件
科技馆网壳结构支座条 件见图。安全分析对三 种支承形式下的网壳结 构在不同荷载作用下进 行。根据支承结构的实 际构造，推算弹性支座 的三向刚度。三种支承 形式分别为铰支、固支 和弹性支座。
荷载和作用的确定
本分析计算荷载及作用为：竖向荷载包括lkN·m-2恒荷载，0.3kN·m -2 活荷载；温度作用范围为±30℃；地震作用考虑7度设防烈度，Ⅳ类场 地；在南京航天航空大学的NH2低速风洞进行风洞试验，分别模拟均匀 流和大气边界层流两种不同的流场，为设计提供全面依据。
为研究结构的传力机制，利用有限
元软件进行了三种支承条件下的肋
向、环向杆件的应力分析，并统计
了最大拉(压)应力，这些杆件均在
门洞附近。
表 网壳节点z向位移(cm)
结构变形图
结论：固支支承时的节点位移最小，弹性支承时最大。在 正常工作状态下，网壳结构以薄膜应力为主。
温度作用下分析
当升(降)温幅度为30。C时， 节点三向位移如表所示。
注：最大位移为所有节点中三向位移各自的最大值
温度作用下分析
温度作用分析结论：不同支承方式下，弹性支承的结构变位最大；水 平向的变位大于竖向变位；温度变化引起的结构内力，仍然具有薄膜 内力特征，具体反映在轴力产生的轴应力与轴力、弯矩产生的合轴应 力的比值大于0.6；三种支承方式下，采用弹性支承的结构，应力小于 其他两种支承方式的结构；最大拉、压应力均出现在三个门框附近， 且数值较大，但考虑到不同荷载组合效应不一定大，而且可通过调整 构件截面，或设置支座边桁架等方法加以解决，故温度应力对结构的 绝对影响并不大。结合竖向荷载作用下的分析来说，竖向荷载是其主 要控制设计荷载。
(5) 空调冰蓄冷技术。
施工过程中采用的新技术有：
(1)计算机三维CAD定位技术,在主体结构和屋面、幕墙施工中， 有效控制了施工精度，保证了施工进度和质量。在机电安装综合布 线中，应用计算机三维排布技术，优化绘制布线图，做到机电安装 管线“三统一”，大大提高了安装规范化;
(2)新颖网架施工工艺，采用专用小吊具吊装空间网架，不搭设 施工脚手架而完成网架施工，既保证了施工进度和质量，又节约了 成本;
(3)在基坑围护中采用深层水泥土搅拌桩重力坝部分结合的支撑 体系，确保了深基坑施工的顺利进行和穿越基地的原水渠的安全;
(4)地下室外墙板采用预应力技术的同时外刷柔性防水涂料。在 长达300多米的弧形板墙上，仅发现3条微小的表面裂缝，确保了地 下室无渗漏。
人们对于椭球体空间结构设计，首先想到国内相当普及和成熟的大跨 度双层网架或双层网壳结构体系。但是，这种结构体系由于体积庞大， 自重大，防锈维护费用高，空透性差。经计算其空透率达不到40%，显 然不能满足科技城的高科技设计理念，也不能满足椭球体建筑的节能 技术要求。本工程采用高科技含量大的单层铝钛合金薄壳结构体系。
竖向荷载作用下分析
因洞口对结构整体刚度有较大 削弱，选取大门框附近的区域 作为结构强度分析的研究对象 具有代表性，故选取右图示结 构平面图中部位A的部分构件 作为研究对象。
竖向荷载作用下分析
根据所选取的研究对象， 对其节点编号、件编号 如图所示。竖向荷载作用下分析
在竖向荷载作用下，网壳结构的变 形图如右图所示，网壳的相应节点 位移如下表所示。
这种薄壳结构体系选用250mm至300mm高的6061-T6铝钛合金工字形梁， 节点形式为板式节点，板平面为圆盘形，用高强度不锈钢锁紧螺栓作固接， 形成一个个三角，拼成椭球体薄壳结构。设计软件对52种不利工况荷载作 用计算，离椭球体原点的最大绝对位移不超过75mm，相邻节点之间垂直 于球体表面最大的位移不超过25mm。与实际变形测量基本相符。按比例 测算，椭球体薄壳结构层比同体积的鸡蛋壳还要薄。使得结构轻巧，空透 性好，艺术观赏性强，具有显著的社会效益和经济效益。
上海科技馆中庭剖面图
网壳平面图 网壳三维图
该网壳结构长轴尺寸67m，短轴尺寸51m，高42.2m，椭球体为沿椭圆平面 长轴旋转体，削去下半部分而成。 球体两侧各开有9m宽、16m高的大门 洞，端部有个9m宽、5m高的小门洞。球体下端支座分成两个标高，分别 在首层及地下一层平面，无论在结构形式、跨度尺寸及支承情况都属罕见， 其设计、施工技术要求高、难度大。因此，科技公关小组对大球体设计、 施工中的关键技术问题进行研究。主要研究内容共分三个部分，分别为风 洞试验研究、设计承载力及稳定性分析、节点受力分析。