建筑钢结构设计之空间网架结构网壳结构

筒壳结构

第一节概述

网壳结构即为网状的壳体结构，或者说是曲面状的网架结构，其外形为壳，其构成为网格状，是格构化的壳体，也是壳形的网架。

一、网壳结构的特点

(1)网壳结构的杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因此可以充分发挥材料强度作用。

(2)由于它可以采用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型，无论是建筑平面或建筑形体，网壳结构能给设计人员以充分的设计自由和想象空间，通过使结构动静对比、明暗对比、虚实对比，把建筑美与结构美有机地结合起来，使建筑更易于与环境相协调。

(3)由于杆件尺寸与一整个网壳结构相比很小，可把网壳结构近似地看成各向同性或各向异性连续体，利用钢筋混凝土薄壳结构分析结果进行定性的分析。

(4)网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，即以折面代替曲面，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的良好的受力性能。同时，又便于工厂制造和现场安装，在构造和施工方法上具有与平板网架结构相同的优越性。

网壳结构按杆件的布置方式分类有：单层网壳和双层网壳两种形式，一般来说，中小跨度(一般为40m以下)时可采用单层网壳，跨度大时采用双层网壳。单层网壳由于杆件少、重量轻、节点简单、施工方便，因而具有更好的技术经济指标，但单层网壳曲面外刚度差、稳定性差，各种因素都会对结构的内力和变形产生明显的影响，因此在结构杆件的布置、屋面材料的选用、计算模式的确定、构造措施的落实及结构的施工安装中，都必须加以注意，双层网壳可以承受一定的弯矩，具有较高的稳定性和承载力。当屋顶上需要安装照明、音响、宇调等各种设备及管道时，选用双层网架能有效地利用空间，方便天花或吊顶构造、经济合理，双层网壳根据厚度的不同，有等厚度与变厚度之分。

二、网壳结构的材料

网壳结构按材料分类有木网壳，钢网壳、铝合金网壳、塑料网壳、玻璃钢网壳等，木网壳结构仅在早期的少数建筑中采用，近年来在一些木材丰富的国家也有采用胶合木建造网壳，有的跨度已超过100m。但总的来说，木结构网壳用得并不多。钢筋混凝土网壳结构常常是单层且常采用预制钢筋混凝土杆件装配整体式结构，但由于自重大，节点构造复杂，一般川于跨度在60m以下的建筑中。钢网壳结构目前在我国应用最广泛，其钢材可以采用钢管、工字钢、角钢、薄壁型钢等。钢网壳具有重量轻、强度高、构造简单、施工方便等优点。铝合金网壳结构由于重量轻、强度高、耐腐蚀、易加I：、制造和安装方便，在欧美国家已被大量应用于大跨度建筑，其杆件可为圆形、椭圆形、方形或矩形截面的管材，我国由于铝材规格和产量较少，价格较高，目前尚未川于网壳结构。塑料网壳和玻璃网壳结构U前较少采用。

网壳结构事故原因分析与防治

网壳结构属于曲面形空间网格结构，兼有杆系结构制造、安装简便和薄壳结构受力合理、自然的特点。其跨越能力大、刚度好、材料省、杆件单一、制造安装方便，具有广阔的应用和发展前景的大跨度和特大跨度的空间结构，是近半个世纪以来发展最快的一种空间结构。

标签：网壳结构；结构稳定；倒塌事故

1 发展概括

在最初的解放初期有所应用，如天津体育馆屋盖。在八十年代时，网壳结构出现小高潮时期，如北京奥林匹克体育中心综合馆、中原化肥厂仓库、郑州体育馆。今年来的发展及趋势，目前跨度较大的网壳结构是天津新体育馆，哈尔滨速滑馆。

2 网壳的分类

网壳结构按照层数可分为单层、双层、三层网壳。对于单层网壳受结构稳定性的决定使之不能运用于较大跨度结构。按曲面曲率分为正高斯、零高斯、副高斯。按曲面外形分球面网壳、双曲扁网壳、柱面网壳、扭网壳。按网壳网格分球面网壳、圆柱壳面。

圆柱面网壳：外形呈圆柱形曲面的网状结构，兼有杆系和壳体结构的受力特点，只在单方向上有曲率，常覆盖矩形平面的建筑。单层网壳按排列有四种：单向斜杆正交正放网格、交叉斜杆正交正放网格、联方网格、三向网格。双层网格可参照平板网架的型式布置不同的网格。壳体高度与波长之比一般在1/6～1/8之间。双层网壳的厚度宜取波长的1/20～1/30。圆球网壳：用于覆盖较大跨度的屋盖，常见网格形式有：肋型、施威德肋型、联方网格、短程线型、三向网格。通过对壳面的切割，圆球网壳可以用于多边形、矩形和三角形平面建筑的屋盖。双曲抛物面网壳：将一直线的两端沿两根在空间倾斜的固定导线上平行移动而构成。单层网壳常用直梁作杆件，双层网壳采用直线衍架，两向正交而成双曲抛物面网壳。这种网壳大都用于不对称建筑平面，建筑新颖轻巧。而单层网壳与双层网壳有独自的受力特点。单层网壳是全截面受压，双层网壳通常是上弦层受压，下弦层受拉，也就是说要有一定的厚度才是合理的受力来抵抗外弯矩。另外，单层网壳的节点小跨度可以用螺栓球节点，跨度稍大要用焊接球节点。因为单层网壳的节点理论上必须是刚性节点，而螺栓球更接近于铰接。实际上，双层网壳与单层网壳相比，单层网壳只是需要截面很大的杆件和刚性节点。

网壳和桁架的优缺点

网壳结构的优点：

1．网壳结构是典型的三维结构，合理的曲面可使结构力流均匀，节约钢材，具有较大的刚度，结构变形小。稳定性高。

2．具有优美的建筑造型，不论是建筑平面、立面或型体都能给设计师以充分的创作自由，既能表现静态美，又可通过平面和立面的切割以及网格、支承与杆件等变化表现动态美。

3．可以用细小的杆件组成很大的空间，网壳结构中的杆件和球可以在工厂预制，实现工业化生产，综合经济指标较好。重量较轻。

4．施工简单，速度快，适应采用各种条件下的施工工艺。此工程可采用不需要大型起重设备的高空散装法。

网壳结构的缺点

1. 杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的改变，对网壳结构的内力、整体稳定和施工影响较大；为减少初始缺陷，对于杆件和节点的加工精度要求比较高。

2. 焊接球网壳结构采用现场空间定位安装，安装过程中测量工作量大，对于焊接工人的技术要求较高。

桁架结构的优点：

1. 桁架结构造型简洁、美观，主次结构分明。跨度大

2. 主拱桁架在工程进行下料、切口、预拼装。现场焊接量较少

桁架结构的缺点：

1. 钢结构的加工制作包括钢桁架弦杆构件的下料切割、弯弧成型，钢桁架桁架腹杆相贯面切割,需要拥有大直径相贯面切割机和大直径弯管机及大直径卷管机等新型设备才能满足加工精度要求和工期进度要求。

2. 桁架弦杆较多采用大直径钢管构件，这类构件市场采购比较困难。

3. 桁架结构自重较大，造价高。

空间网壳钢结构发展应用

空间网壳钢结构的发展与应用

【摘要】简述了从穹顶结构到空间网壳结构的演变过程，又叙述了国内外空间网壳发展历程及应用情况。综合阐述了空间网壳钢结构的七种施工方法，提出了网壳结构的优势及发展趋势。

【关键词】空间壳结构发展应用

中图分类号：tv332.5 文献标识码：a 文章编号：

空间网壳钢结构从字面上可以分为空间网壳结构和钢结构两部分。而探究空间网壳钢结构的起源我们应从穹顶结构着手。

1穹顶结构与钢结构的发展

穹顶结构是欧洲古代建筑的重要标识之一，是一种最具代表性也最被欣赏的欧洲古代的建筑形式。由于至诞生起穹隆结构具有以最小的材料表面封闭最大的空间的优势，倍受宗教势力及其信徒的追捧。它的出现、发展、壮大反应了欧洲古代建筑发展史中波澜壮阔的一幕。

随着科技的发展，材料强度的不断增强。原有穹顶结构的壁厚越来越薄，跨度越来越大形成了薄壳体结构。这时由于钢材大量应用于建筑材料中，钢结构诞生了。

钢结构是指用钢材经过加工、连接、拼装而成，能够承受各种自然力及人为破坏，并具有足够可靠性、良好的经济效益和社会效应的构筑物或建筑物。

最早使用钢（金属）结构的建筑可以追溯到18 世纪末的英国。当时，由于使用木框架建造的产房经常发生火灾，再加上木材由于

供应量减少价格上涨，所以人们开始考虑强度更高、却不燃烧的钢材，替代了木材作为厂房建筑结构的主要材料。一个世纪之后，诞生了大批的钢结构摩天大楼。其中1889 年，法国工程师埃菲尔在巴黎世博会上建造了著名的埃菲尔铁塔，成为了钢结构划时代的标志之一。从此之后钢结构建筑进入了一个光辉的时代。

2空间网壳钢结构的发展

早在20 世纪初，德国工程师威德勒就发明了一种肋环斜杆型的网壳，这种以他的名字命名的网状穹顶仍然是当今球面网壳的一种主要形式

建筑结构通常按维度可分为二维的平面结构和三维的空间结构两大类。其中由众多钢制杆件按照一定规律拼接而成的壳体，并具有三维受力特征的结构形式称为空间网壳钢结构。

大跨度空间结构的主要形式及特点

大跨度建筑通常是指跨度在30米以上的建筑，我国现行钢结构规范则规定跨度在60米以上结构为大跨度结构。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拱结构、刚架结构、桁架结构、网架结构、折板结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等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。

结构是房屋的骨架，是形成建筑内部空间和外部形式的物质基础，结构是在特定的材料和施工技术条件下运用力学原理创造出来的。某种新的结构一丹产生并在工程实践中反复出现时，便会逐渐形成一种崭新的建筑形式。上面所提到的空间结构也可以分成：一实体结构类——薄壳结构、折板结构；二网格结构——网架结构、网壳结构；三张力结构——悬架结构、薄膜结构；四其他新型大跨度空间结构——可展开折叠式结构、开合屋顶、张拉整体结构、张弦结构、整体张拉预应拱架结构。下面我就各空间结构作分析。

1拱结构

1.1定义与特点

拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线形构件。拱结构由拱圈及其支座组成。拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。由于拱呈曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩可以降低到最小限度，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，比同样的梁结构断面小，能承受较大空间。但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了维持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。常见的方式是在拱的两侧作两道后墙来支承拱，墙厚随拱跨增大而加厚。这样就会使建筑的平面空间组合受到约束。

1.2拱结构形式

拱结构应用广泛，形式多种多样。按建造的材料分类，有砖石砌体拱结构、钢筋混凝土拱结构、钢拱结构、胶合木拱结构等；按结构组成与支承方式分类，有无铰拱、两铰拱和三铰拱，无拉力杆拱和有拉杆拱；按拱轴的形式分类，常见的有半圆拱和抛物线拱；按拱身截面分类，有实腹式和格构式、等截面和变截面等。

大跨度建筑结构体系简述各种大跨度结构类型

大跨度建筑结构体系是指横跨较大距离的建筑结构系统，以其独特的设计和建造方式，为人们提供了更广阔的室内空间和更舒适的居住环境。大跨度结构通常用于体育馆、展览中心、机场终端、会议中心等大型场所。本文将简要介绍几种常见的大跨度结构类型。

1.钢结构

钢结构是应用最广泛的大跨度结构类型之一，其特点是轻巧、强度高、施工方便，适用于跨度较大的建筑。钢结构使用钢材作为主要构件，通过焊接、螺栓连接等方式进行安装。钢结构的优点包括重量轻、可塑性好、耐腐蚀等，缺点则包括易受火灾影响、维护成本高等。常见的钢结构类型包括钢桁架、钢索悬挂结构等。

2.混凝土结构

混凝土结构是另一种常见的大跨度结构类型，其特点是稳定性好、防火性能优异。混凝土结构使用混凝土作为主要构件，通过浇筑成型，或者采用预制件的方式进行安装。混凝土结构的优点包括耐久性好、抗震性好、隔热性能好等，缺点则包括重量重、施工周期长等。常见的混凝土结构类型包括空间壳体结构、空中梁板结构等。

3.张拉结构

张拉结构是一种通过张拉钢索或者预应力混凝土来形成稳定结构的建筑。张拉结构的特点是跨度大、自重轻、构件适应性强。张拉结构通过预应力钢索或者混凝土进行张拉，使结构产生压应力，从而提高结构的稳定性和承载能力。张拉结构的优点包括大跨度、轴向力分布均匀、形式多样，缺点则包括施工复杂、工期长等。常见的张拉结构类型包括张拉拱结构、张拉平板结构等。

4.空间网壳结构

空间网壳是一种由柱、梁、网架等构成的三维网格结构，其特点是刚性好、稳定性好。空间网壳结构通过三维网格结构的组合，使得结构能够均匀分布荷载，提高承载能力。空间网壳的优点包括大跨度、稳定性好、形式美观等，缺点则包括施工复杂、构件连接困难等。常见的空间网壳结构类型包括球面网壳结构、大跨度格构结构等。

总之，大跨度建筑结构体系是一种为了满足大型场所空间需求的特殊结构设计和建造方式。钢结构、混凝土结构、张拉结构和空间网壳结构都是常见的大跨度结构类型，每种类型都具有独特的优点和缺点，设计师在选择结构类型时需要根据具体情况进行考虑。

钢结构设计原理

1.1 钢结构的特点

钢结构主要是指由钢板、热轧型钢、薄壁型钢或焊接型材等构件通过连接件连接组合而成的结构，它是土木工程的主要结构形式之一。目前，钢结构在工业厂房、大跨结构、房屋建筑、桥梁、塔桅和特种结构中都得到广泛采用，这是由于钢结构与其他材料的结构相比有如下特点：

(1) 建筑钢材强度高，塑性和韧性好

强度高，钢与混凝土、木材相比，虽密度较大，但其强度较混凝土和木材要高得多，其密度与强度的比值一般比混凝土和木材小，因此在同样受力的情况下，钢结构与钢筋混凝土结构和木结构相比，构件较小，质量较轻。适用于建造跨度大、高度高和承载重的结构。

塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂，只会增大变形，因此容易被发现。此外，还能将局部高峰应力重分配，使应力变化趋于平缓。

韧性好，适宜在动力荷载下工作，因此在地震区采用钢结构较为有利。

(2) 钢结构的重量轻

钢材容重大，强度高，但做成的结构却比较轻。结构的轻质性可用材料的质量密度和强度的比值来衡量，值越小，结构相对越轻。建筑钢材的值在之间；木材的值为；钢筋混凝土的值约

为。以同样的跨度承受同样的荷载，钢屋架的质量最多不过为钢筋混凝土屋架的1/4～1/3，冷弯薄壁型钢钢屋架甚至接近1/10。

重量轻，可减小基础的负荷，降低地基、基础部分的造价，同时还方便运输和安装。

(3) 材质均匀，和力学计算的假定比较符合

钢材由于冶炼和轧制过程的严格控制，材质波动范围小，其内部组织比较均匀，接近各向同性，可视为理想的弹—塑性体，因此，钢结构的实际受力情况和工程力学的计算结果比较符合，在计算中采用的经验公式不多，从而，计算的不确定性较小，计算结果比较可靠。

(4) 钢结构制造简便，施工工期短

钢结构构件一般采用由专业化的金属结构厂轧制成型的各种型材，制作简便，准确度和精密度都较高。制成的构件可直接运到现场拼装，采用焊接或螺栓连接。钢构件重量较轻、连接简单、安装方便、施工机械化程度高、施工工期短、降低造价，综合经济效益较好。

网壳结构案例简单分析

网壳结构是一种由连续曲面构成的结构形式，具有稳定性好、强度高、质量轻等优点，广泛应用于建筑、桥梁、体育场馆等工程领域。下面以建筑领域的网壳结构案例为例进行简单分析。

案例一：深圳大运中心体育馆

深圳大运中心体育馆是一座综合性体育馆，采用大跨度、大空间的网壳结构设计。该体育馆的外形呈现出流线型的造型，整个建筑结构由一个由流线型钢结构和玻璃幕墙组成的半流线型壳体组成。该体育馆采用了双壳结构设计，内外两层网壳之间通过钢柱连接，形成了稳定的整体结构。内层网壳主要承担荷载，外层则起到防水、保温和装饰等作用。

该体育馆的网壳结构设计突破了传统结构的限制，实现了大跨度、大空间的结构需求。网壳结构的采用使得整个建筑结构极为轻盈，给人以开放、流畅的感觉。同时，网壳结构的外观造型独特，成为该体育馆的标志性建筑，增加了城市的地标性与艺术性。

案例二：中国花卉博览会花卉大厅

中国花卉博览会花卉大厅是一座专门展示各种花卉的建筑，采用了网壳结构设计。该建筑呈现出一个半球形的外形，内部采用由钢桁架支撑的网壳结构。网壳结构的内侧覆盖着透明的玻璃幕墙，使得室内充满了自然光线，为花卉的生长提供了良好的环境。网壳结构的外侧则由彩虹色的层叠板构成，形成了美观的外观。

该花卉大厅的网壳结构设计实现了自由曲面的建筑形式，使得内部空间显得开放、明亮。网壳结构的采用使得整个建筑更加美观、轻盈。室内外环境的统一，使得花卉展示更加生动。同时，该建筑的网壳结构还具有良好的承载能力，可以抵御自然灾害。

网壳结构能够通过合理的网格分布来均匀承受荷载，增强结构的稳定性和抗震性能。此外，网壳结构还具有易于施工、周期短、成本低等优点。因此，在很多需要大跨度、大空间的建筑领域，网壳结构都得到了广泛应用。

总的来说，网壳结构的优点包括稳定性好、强度高、质量轻、施工周期短等。通过以上两个案例的分析可以看出，网壳结构在建筑领域中具有很高的适用性，并且能够创造出独特的建筑形式和美观的外观。然而，在网壳结构的设计与施工过程中，也需要考虑到承载能力、材料的选择与加工、施工工艺等方面的因素，以确保结构的稳定与可靠。

大跨度钢结构常见的结构形式

引言概述：

大跨度钢结构是指跨度较大的钢结构，通常用于搭建室内体育馆、展览馆、舞台、桥梁等建筑和设施。大跨度钢结构具有自重轻、抗震性能好、施工周期短、灵活性高等优点，因此在现代建筑中得到了广泛应用。本文将重点介绍大跨度钢结构常见的结构形式，包括桁架结构、刚架结构、空间网壳结构、索网结构以及综合结构。

正文内容：

一、桁架结构：

1.三角形桁架结构：采用三角形为基本单元构成的桁架结构，具有结构简单、刚度优良的特点。

2.斜撑桁架结构：在三角形桁架结构的基础上增加了斜撑杆件，提高了桁架的刚度和稳定性。

3.曲线桁架结构：将直线桁架结构改造成曲线形式，在满足结构强度要求的同时增加了建筑的美观性。

二、刚架结构：

1.空间刚架结构：将单层或多层刚架平面展开到三维空间中，形成空间刚架结构，能够充分利用空间，提高建筑的使用效率。 2.梁柱刚架结构：将水平梁与竖直柱连接组成的刚架结构，常用于大型室内体育馆等场馆。

三、空间网壳结构：

1.单层空间网壳结构：由面板、边缘梁和中央支撑的结构形式，适用于跨度较大的建筑，如体育馆、展览馆等。

2.多层空间网壳结构：在单层空间网壳结构的基础上增加了多层空间结构，提高了结构的稳定性和承载能力。

四、索网结构：

1.索杆式索网结构：采用索杆和梁构成的结构形式，常用于建筑的顶棚结构，例如机场候机厅等。

2.索缆式索网结构：采用高强度钢缆构成主要承载结构，适用于大跨度桥梁等工程。

五、综合结构：

1.桁架加刚架结构：将桁架和刚架相结合，形成强度和刚度兼备的综合结构形式。

2.桁架加空间网壳结构：在桁架结构上增加空间网壳结构，提高了结构的稳定性和承载能力。

总结：大跨度钢结构具有较大的跨度，适用于建造室内体育馆、展览馆、舞台、桥梁等建筑和设施。常见的结构形式包括桁架结构、刚架结构、空间网壳结构、索网结构以及综合结构。不同的结构形式在强度、刚度和稳定性等方面各具优势，根据建筑的具体要求和设计条件选择合适的结构形式可以保证工程的质量和安全。

网壳结构

一、简介

1.1 何为网壳结构

网壳结构是曲面型的网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性，受力合理，覆盖跨度大，其外形为壳，是格构化的壳体，也是壳形的网架。它是以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体坐标进行布置的空间构架，其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。它既有靠空间体形受力的优点，又有工厂生产构件现场安装的施工简便、快速的长处，而且他以结构受力合理，刚度大，自重轻，体形美观多变，技术经济指标好,而成为大跨结构中备受关注的一种结构形式。

1.2 网壳的形式与分类

（1）按网壳的层数来分，有单层网壳和双层网壳，其中双层网壳通过腹杆把内外两层网壳杆件连接起来，因而可把双层网壳看作由共面与不共面的拱桁架系或大小相同与不同的角锥系（包括四角锥系、三角锥系和六角推系）组成。（一般来说，中小跨度（一般为40m以下）时，可采用单层网完，跨度大时，则采用双层网壳。）如图1

图1 单层网壳与双层网壳

（2）按网壳的用材分，主要有木网壳、钢网壳、钢筋混凝土网壳以及钢网壳与钢筋混凝土屋面板共同工作的组合网壳等四类。

（3）按曲面的曲率半径分，有正高斯曲率网壳、零高斯曲率网壳和负高斯曲率网壳等三类。

（4）按曲面的外形分，主要有球面网壳、圆柱面网壳、扭网壳（包括双曲抛物面鞍型网壳、单块扭网壳、四块组合型扭网壳）等。

（5）按网壳网格的划分来分，有以下两类。

对于圆柱面网壳主要有单向斜杆型、交叉斜杆型、联方网格型、三向型，如图2所示。

对于球面网壳主要有肋环型、Schwedler型、联方网格型、三向网格型，如图3所示。

（a）（b）（c）（d）

图2 圆柱面单层网壳网格

（a）单向斜杆型（b）交叉斜杆型（c）联方型（d）三向网格型