大跨度空间结构体系
大跨度空间结构
摘要：随着技术的发展，大跨度空间结构越来越多的在各领域运用，本文先对大跨度空间结构的起源与历史进行介绍，再对空间结构委员会成立三十年来在空间结构领域作了介绍,重点系统论述了三十年来各时期大跨度空间结构发展与应用情况。
全面阐述了我国大跨度空间结构近期发展的特点,包括在各类公共建筑中的应用情况、空间结构体系的发展与技术进步。
关键词：发展历程，我国进展1.简介：横向跨越60米以上空间的各类结构可称为大跨度空间结构。
常用的大跨度空间结构形式包括折板结构、壳体结构、网架结构、悬索结构、充气结构、篷帐张力结构等。
大跨度空间结构是国家建筑科学技术发展水平的重要标志之一。
世界各国对空间结构的研究和发展都极为重视，例如国际性的博览会、奥运会、亚运会等，各国都以新型的空间结构来展示本国的建筑科学技术水平，空间结构已经成为衡量一个国家建筑技术水平高低的标志之一。
2.大跨度发展历程：实际上，人类很早以前就认识到穹隆具有用最小的表面封闭最大的空间的优点。
效仿洞穴穹顶，人们建造了许多砖石穹顶，如我国东汉时期河南洛阳的地下砖砌墓穴，公元前1185年古希腊迈西尼国王墓等。
古罗马最著名的穹顶是万神殿，也是建筑史上最早、最大跨度的拱建筑。
被誉为展现穹力的杰作。
然而，在尚无力学与结构理论以前，凭借已有的经验与大胆探索来建造房屋，难免发生事故。
公元537年东罗马帝国建造的圣索亚教堂，还有公元1612年建造的罗马圣彼得教堂都出现多较严重问题。
1742年罗马教皇下令检查圣彼得教堂问题原因，三位科学家经过认真调研和计算分析后，作出了解决方案。
这工程实例表明工程结构经验时代的结束和科学时期的到来。
工程结构的发展推动了理论研究的进步，理论成果的指导完善了工程实践，这是建筑结构科学得以不断进步的历史规律。
19世纪的工业革命促使科学技术飞快进步。
生铁材料出现以后引起了建筑结构革命性的变化。
1787年英国出现机扎熟铁条，1831年英国有出现机扎出角铁，1845年法国人碾压出熟铁工字梁。
大跨度空间结构
结构类型
1
折板屋顶结构
2
壳体屋顶结构
3
架屋顶结构
4
悬索屋顶结构
5
充气屋顶结构
一种由许多块钢筋混凝土板连接成波折形的整体薄壁折板屋顶结构。这种折板也可作为垂直构件的墙体或其 他承重构件使用。折板屋顶结构组合形式有单坡和多坡，单跨和多跨，平行折板和复式折板等,能适应不同建筑平 面的需要。常用的截面形状有V形和梯形，板厚一般为5～10厘米,最薄的预制预应力板的厚度为3厘米。跨度为 6～40米，波折宽度一般不大于12米,现浇折板波折的倾角不大于30°；坡度大时须采用双面模板或喷射法施工。 折板可分为有边梁和无边梁两种。无边梁折板由若干等厚度的平板和横隔板组成,V形折板是无边梁折板的一种常 见形式。有边梁折板由板、边梁、横隔板等组成，一般为现浇，如1958年建成的巴黎联合国教科文组织总部大厦 会 议 厅 的 屋 顶 ， 是 意 大 利 P . L . 奈 尔 维 设 计 施 工 的 。 •他 按 照 应 力 变 化 的 规 律 , 将 折 板 截 面 由 两 端 向 跨 中 逐 渐 增 大 结构。这种结构整体性强，稳定性好，空间刚度大，防震性能好。构架高度 较小，能利用较小杆形构件拼装成大跨度的建筑，有效地利用建筑空间。适合工业化生产的大跨度架结构，外形 可分为平板型架和壳形架两类，能适应圆形、方形、多边形等多种平面形状。平板型架多为双层，壳形架有单层 和双层之分，并有单曲线、双曲线等屋顶形式。
大跨度空间结构
建筑名词
01 定义
03 结构类型
目录
02 简介 04 发展
大跨度空间结构是国家建筑科学技术发展水平的重要标志之一。世界各国对空间结构的研究和发展都极为重 视，例如国际性的博览会、奥运会、亚运会等，各国都以新型的空间结构来展示本国的建筑科学技术水平，空间 结构已经成为衡量一个国家建筑技术水平高低的标志之一。
简述大跨度空间结构的主要形式及特点
简述大跨度空间结构的主要形式及特点摘要：大跨度空间结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志。
其结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。
形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。
关键词：大跨度空间结构形式特点1网架结构由多根杆件按照某种规律的儿何图形通过节点连接起来的空间结构称之为网格结构，其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。
它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。
1.1网架结构的形式(1)平而桁架系组成的网架结构。
主要有：两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式。
(2)四角锥体组成的网架结构。
主要有：正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式。
(3)三角锥组成的网架结构。
主要有：三角锥网架、抽空三角锥网架（分1型和11型）、蜂窝形三角锥网架等型式。
(4)六角锥体组成的网架结构。
主要形式有：正六角锥网架。
1.2网架结构的主要特点空间工作，传力途径简捷；重量轻、刚度大、抗震性能好；施工安装简便；网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工丨中成批生产，有利于提高生产效率；网架的平而布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备；网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。
2网壳结构曲而形网格结构称为网壳结构，有单层网壳和双层网壳之分。
网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。
2.1网壳结构的形式主要有球而网壳、双曲而网壳、圆柱而网壳、双曲抛物而网壳等。
2.2网壳结构主要特点兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理；结构的刚度大、跨越能力大；可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工）预制;安装简便，不需大型机具设备，综合经济指标较好；造型丰富多彩，不论是建筑平而还是空间曲而外形，都可根据创作要求任意选取。
最新大跨建筑 结构——空间结构体系
大跨建筑结构——空间结构体系大跨建筑屋架结构体系——高跨比：1:6屋架形式及适用跨度平行弦屋架拱形屋架折线形屋架梯形屋架杆件受力不均匀，用料较多力情况虽然合理，但由于上弦各节点都落在抛物线上，尺寸很零件，施工不方便三角形屋架适用于较小跨度的屋盖(跨度宜在15m以内)弦支点座落在抛曲线附近，所以，受力比较合理，折线形屋架采用较多上弦扦出两个坡度较小的斜直线组成，半边屋架的外轮廓线为梯形，斜杆呈人字形。
这种屋架的刚度、构造比较简单，自重较大，一般用于跨度为24m一36m的工业建筑物二、空间结构体系(一)网架结构体系网架的优点•结构组成灵活多样但又有高度的规律性，适应各种支承条件和各种建筑造型，可适应各种建筑方面的要求•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•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网架结构受力特点•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，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，充分发挥材料强度，节省钢材网架的分类1、几何形态上分：平板网架、柱面网架、球面网架2、平面桁架系、四角锥体系、三角锥体系3、螺栓球节点、焊接球节点4、双层网架、多层网架网架材料——钢材：钢管、型钢、钢球双向正交正放、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。
大跨度结构其结构体系有很多种
大跨度结构其结构体系有很多种，如网架结构、索结构、薄壳结构、充气结构、应力膜皮结构、混凝土拱形桁架等，常用于展览馆、体育馆、飞机机库等。
一.网架结构网架结构为大跨度结构最常见的结构形式，因其为空间结构，故一般称为空间网架。
其杆件多采用钢管或型钢，现场安装。
常见的为平面桁架、四角锥体和三角形锥体组成，其节点形式可分为焊接钢板节点和焊接空心球节点两种。
二.索结构索结构是将桥梁中的悬索“移植”到房屋建筑中，可以说是土木工程中结构形式互通互用的典型范例。
三.薄壳结构薄壳结构常用的形状为圆顶、筒壳、折板、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。
圆形圆顶结构是轴对称结构，在轴对称荷载作用下，将只产生两种力：径向力和环向力。
径向力为沿经线方向的力，因其要平衡垂直向下荷载，所以必定为压力。
环向力为沿纬线方向的力。
圆形屋顶在垂直荷载作用下，上部的圆顶部分将受压收缩，其直径将变小，而下部近支承部分直径将增大，即上部将产生环向压力，而下部将产生环向拉力，中间将有一截面，为环向压力向环向拉力转变的交界线，该处的环向力为0，该截面称为“过渡缝”。
悉尼歌剧院格拉加尼亚修道院教堂上页下页四.混凝土拱形桁架混凝土拱形桁架在以前的工程中应用较多，但因其自重较大，施工复杂，现已很少采用。
目前最大跨度的拱形桁架为贝尔格莱德的机库，为预应力混凝土桁架结构，跨度为135.8m。
日本姬路市中心体育馆五.充气结构充气结构又称充气薄膜结构，是在玻璃丝增强塑料薄膜或尼龙布罩内部充气形成一定的形状，作为建筑空间的覆盖物。
对角跨长200m,由室内地面至顶高6.07m的东京穹顶，是不用柱子，只依靠室内外气压差来制成的膜屋盖结构，也是在日本最初用于多功能全天候的体育场，约30,000平方米超大椭圆形屋顶，采用悬索加强的充气膜结构。
其双向各配置14根共28根钢索，在其上张拉着涂有特富龙的玻璃纤维布。
请看充气膜的充气过程：六.应力膜皮结构应力膜皮结构一般是用钢质薄板做成很多块各种板片单元焊接而成的空间结构。
最新大跨与空间结构(网架及网壳结构)
两向正交正放网架的受力状况取决于平面尺寸 及支承情况。对于周边支承、正方形平面的网架，其 受力类似于双向板。
两向正交正放网架沿两个方向的杆件内力差别 不大，受力比较均匀。但随着边长比的变化，单向传 力作用渐趋明显，两方向杆件内力差别也随之加大。 对于点支承网架，支承附近的杆件及主桁架跨中弦杆 的内力最大，其它部位杆件的内力很小。
b）。对中、小型网架亦可选择增加网架高度或局
部加大杆件截面等方法。
按网格组成分类
1 交叉桁架体系 这类网架由若干平
面桁架相互交叉组成。 竖向平面桁架的形式与 一般平面桁架相似，根 据平面桁架布置方式及 交角的不同，可分为几 种形式。
（1）两向正交正放网架
两向正交正放网架的构成特点是：两个方向的平 面桁架垂直交叉，且分别与边界方向平行。这种网架 的上、下弦平面呈正方形，基本单元为六面体，属几 何可变。为保证结构的几何不变性以及增加空间刚度， 应适当设置水平支撑，以有效 传递水平力。对周边支承网架， 水平支撑宜在上弦或下弦网格 内沿周边设置；对点支承网架， 水平支撑则应在通过支承点的 主桁架附近设置。
（a）
（b）
点支承网架主要用于大柱距工业厂房、仓库以 及展览厅等大型公共建筑。由于支承点较少，支点 反力较大。为了使通过支点的主桁架及支点附近的 杆件内力不致过大，宜在支承点处设置柱帽以扩散 反力。点支承网架周边应有适当悬挑以减少网架跨 中挠度与杆件的内力。
(3) 周边支承与点支承混合网架 在点支承网架中， 当周边设有维护结构 和抗风柱时，可采用 周边支承与点支承混 合的形式。这种支承 方式适用于工业厂房 和展览厅等公共建筑。
正放四角锥网架的杆件受力比较均匀，空间刚度 较其它类型四角锥网架及两向网架为好。当采用钢筋 混凝土板作屋面板时，板的规格单一，便于起拱，屋 面排水相对容易处理。但因杆件数目较多其用钢量可 能略高些。
大跨度空间结构(城规专业)
大跨度空间结构空间结构与高耸结构空间结构与平面结构梁、拱等，所承受的壳、网架等，荷载、空间结构与航天结构•太阳帆板可展结构•雷达天线结构生活中的空间结构蜘蛛网强度相当于钢材的50倍直径几微米1:120“形态学”（Morphology）起源于古希腊，Morphology一词由希腊语Morphe（形态）和Ology （科学）构成。
形态学最初是一门研究人体、动物、植物的形式和结构的科学。
结构形态学作为形态学的一个分支是一门从整体上研究建筑形状与结构受力之间关系的学科，目的在于寻求二者的协同统一。
“形”关注的是结构的外形，即结构的几何形状；“态”关注的是结构的受力，可以延伸为“力流”、连接方式或是一种变化。
蜂窝Eden Project(British)Polyhedron (Platonic and Archimedean)Frei Otto’s greenhouseP. Drew, Frei Otto Form und Konstruktion, Verlag Gerd Hatje, Stuttgart, 1976The fly’s eye dome (Buckminster Fuller)1895-1983American architect,systemstheorist, author,designer, inventor,and futuristSPUNT’S MODULAR DOMECSU at Northridge, CA, USA. Design by Leonard Spunt in the 1970’s.Geodesic dome (Paris)2002年美国盐湖城冬奥会颁奖广场舞台Hoberman拱门Basket with fabric空间结构的主要形式空间结构发展简史皮革、木材智能结构2008鸟巢结构1856智能材料1986索穹顶膜结构19751970网格结构1957混凝土薄壳悬索结构1953A. D123拱壳B.C3000帐篷钢筋混凝土1864B.C2000largest span masonry domesSt Peter’s Basilica in Rome (1588–93)圣母百花大教堂Santa Maria del Fiore in Florence (1420–34)，approximately 42 m diameter世界上跨度最大的薄壳（边长218m,矢高48m）法国巴黎国家工业与技术中心陈列大厅（1959）深圳国际机场广东省人民体育场Xian Gymnasium(1999)96mX96m,4 supports上海美罗城D=48mCoal storage(Beijing,2004, span:120m)天津新体育馆（直径135m ）1994首都机场T3航站楼北京首都国际机场新航站楼T3A(180,000m2）属铝板。
大跨度空间结构的主要形式及特点
膜结构的主要形式
膜结构形式上主要有气 压式膜结构、气承式膜 结构、混合式膜结构和 悬挂薄膜结构。
膜结构主要特点
膜结构主要有自重轻、跨度 大，建筑造型自由、丰富，施工 方便，具有良好的经济性和较高 的安全性，透光性和自结性好， 耐久性较差等特点。
团结 信赖 创造 挑战
4、悬索结构
悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件并将索 按照一定规律布置所构成的一类结构体系。悬索屋 盖结构通常由悬索系统、屋面系统和支撑系统三部 分构成。用于悬索结构的钢索大多采用由高强钢丝 组成的平行钢丝束、钢绞线或钢缆绳等，也可采用 圆钢、型钢、带钢或钢板等材料。
团结 信赖 创造 挑战
国家大剧院
团结 信赖 创造 挑战
悉尼歌剧院
团结 信赖 创造 挑战
本次结构分析总结
相对而言，网架结构和网壳结构在施工、结构
上比较简单，方便，稳定。但在造型上相对单
一，变化不大。而膜结构，悬索结构在造型上
较多变，灵活，适合多种形式，但对于结构受
力等要求更高。
在本次设计上，我们认为这几种结构对于我们
团结 信赖 创造 挑战
2、网壳结构
曲面形网格结构称为网壳结构。有单层网 壳和双层网壳之分，网壳的用材主要有钢网 壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。
团结 信赖 创造 挑战
球面网壳
双曲面网壳
圆柱面网壳
双曲抛物面鞍型网壳
单块扭网壳ຫໍສະໝຸດ 四块组合型扭网壳团结 信赖 创造 挑战
网壳结构主要特点
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大跨空间建筑结构
大跨度空间结构的特点
1、按空间结构的受力特点来划分 （1）刚性空间结构 刚性空间结构体系是指刚性构件构成的具有很好刚度的空 间结构体系。包括薄壳结构、空间网格结构以及立体桁架结构。 钢筋混凝土薄壳在施工中耗用模板及脚手架较多，所பைடு நூலகம்劳 动量较大，费用高，高空浇筑或吊装费工费时。因此，薄壳结 构的应用近年来有所减少。 空间网格结构根据外形分为两大类，一类称为网架，其外 形呈平板状（图1.2a）；另一类称为网壳，其外形呈曲面状 （图1.2b） 。 立体桁架结构是以钢管通过焊接有机连接而成的一种空间 结构（图1.3）。立体桁架结构是在网架、网壳结构的基础上 发展起来的，与网架、网壳结构相比具有独特的优越性和实用 性。该结构省去一些纵向弦杆和球节点，并具有简明的结构传 力方式，可满足各种不同的建筑形式的要求，尤其是构筑圆拱 和任意曲线形状更有优势。
（a）南京会展中心
（b）沈阳奥体中心 图1.3 立体桁架结构
（2）柔性空间结构 柔性空间结构体系是指由柔性构件构成，如钢索、薄 膜等，通过施加预应力而形成的具有一定刚度的空间结构 体系。结构的形体由体系内部的预应力来决定。包括悬索 结构、膜结构和张拉整体结构等。 （3）杂交结构体系 将几种不同类型的结构体系组合成为一种新的结构体 系。 杂交体系按照其组合方式的不同可分为以下三类： 第一类为刚性结构体系之间的组合，如组合网架、组 合网壳、拱支网壳等； 第二类为柔性结构体系与刚性结构体系的组合，属于 半刚性结构，这种又可分为斜拉结构、拉索预应力结构、 张弦结构、支承膜结构等。 第三类为柔性体系之间的组合，如柔性拉索与索网的 杂交，柔性拉索与膜材之间的组合形成的索-膜结构。