大跨度空间结构选型.docx

建筑设计原理Ⅲ 课程论文

--------大跨度空间结构选型

班 级：09城市规划（2）班
学 号：09202020211
姓 名：刘赛
指导教师：段伟

建筑与规划学院建筑系
2011-12

目录
前言
1、大跨度空间结构选型的概念
2、大跨度空间结构的发展及现状
3、大跨度空间结构的形式及特点
3—1、点连接玻璃幕墙支承结构
3—2、膜结构
3—3、薄壳结构
3—4、悬索结构
3—5、网壳结构
3—6、网架结构
4、大跨度空间结构选型的原则
4—1、满足功能
4—2、造型美观
4—3、实用耐久
4—4、受力合理
4—5、安装简便
4—6、经济合理
5、结语

大跨度空间结构选型
前言
在人类社会的发展历程中，能够提供更大跨度和空间的结构常常是人们追求的梦想和目标，空间结构的发展很大程度上反映了人类建筑史的发展。大跨度空间结构的发展使其结构选型的复杂性和重要性日益明显。各种大跨度空间结构形式的产生和发展，一方面为土木工程师能力的发挥提供了更大的余地，另一方面，由于大跨度结构设计问题的复杂性，选择余地的增大意味着选择的结构体系和类型不恰当的可能性大大增加。结构选型是建筑结构设计是最大的问题。结构的好坏直接关系到建筑物是否安全、适用、经济、美观。建筑结构也关系着建筑的整体强度、刚度、抗震能力、经济性能等等。大跨度结构的选型具有十分重要的意义。
摘要：大跨度结构发展迅速，应用广泛。大跨度空间结构设计应正确合理地运用不同的计算理论和程序方法进行精确的分析，同时在空间结构的形体设计中不能只注重美观，还必须注重结构受力的合理性和工程成本的等因素。本文简单概述了大跨度空间结构的发展现状，着重就大跨度空间结构主要形式的特点进行详细的介绍，然后以汽车站设计为例说明了大跨度空间结构选型的原则。
关键词：大跨度空间结构 发展 形式 特点 原则
1、大跨度空间结构选型的概念
跨度超过30米的空间结构就是大跨度空间结构。大跨度空间结构不仅可以使建筑实现较大的跨度，满足建筑大空间的使要求，而且结构轻巧，造型优美，受力合理，实用耐久，用钢量低。大跨度空间结构不仅使空间的水平分隔的灵活性增大，而且也增大了垂直方向的自由调整的可能性。大跨度空间结构的选型即大跨度空间结构体系方案的优化选择，实际上就是对适合建筑设计的多种结构体系方案进行分析、比较、判断、假设、择优的过程。
2、大跨度空间结构的发展及现状
建筑物的跨度和规模越来越大，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别；大跨度空间结构形式丰富多彩，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”，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。1988年东京建成的“后乐园”棒球馆，采用膜结构技术，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”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。许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。
日本福冈体育馆 “后乐园”棒球馆 “佐治亚穹顶”
3、大跨度空间结构的形式及特点
3—1、点连接玻璃幕墙支承结构
由点支撑装置和支撑结构构成玻璃幕墙的结构为点连接玻璃幕墙支承结构。点式玻璃幕墙的玻璃是用不锈钢爪件穿过玻璃上预钻的孔固定的。
点连接玻璃幕墙支撑结构的建筑具有很多优点。（1）通透性好：玻璃面板仅通过几个点连接到支撑结构上，几乎无遮挡，透过玻璃视线达到最佳，视野达到最大，将玻璃的透明性应用到极限。（2)灵活性好：在金属紧固件和金属连接件的设计中，为减少、消除玻璃板孔边的应力集中，使玻璃板与连接件处于铰接状态，使得玻璃板上的每个连接点都可自由地转动，并且还允许有少许的平动，用于弥补安装施工中的误差。采用点支式玻璃幕墙技术可以最大限度地满足建筑造型的需求。(3)安全性好：由于点支式玻璃幕墙所用玻璃全都是钢化玻璃的，属安全玻璃，并且 点连接玻璃幕墙
使用金属紧固件和金属连接件与支撑结构相连接，耐候密封胶只起密封作用，不承受荷载，即使玻璃意外破坏，钢化玻璃破裂成碎片，形成所谓的“玻璃雨”，不会出现整块玻璃坠落的严重伤人事故。(4)工艺感好：点支式玻璃幕墙的支撑结构有多种形式支撑构件加工精细、表面光滑，具有良好的工艺感和艺术感。(5)环保节能性好：点支式玻璃幕墙的特点之一是通透性好，因此在玻璃的使用上多选择无光污染的白玻、超白玻等，尤其是中空玻璃的使用，节能效果更加明显。
3—2、膜结构
膜结构是以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性骨架将膜面绷紧，从而形成具有一定刚度并能覆盖大跨度结构体系。
膜结构既能承重又能起围护作用，与传统结构相比，其重量却大大减轻。膜结构跨度大；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。但是耐久性较差。
3—3、薄壳结构
薄壳结构就是曲面的薄壁结构按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。
悬索结构建筑
薄壳结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载。薄壳结构的刚度，取决于它的合理形状，而不像其他结构形式需要加大结构断面，所以材料消耗量低；其静载也不像其他结构形式那样随跨度增大而加大，所以其厚度可以做得很薄；该结构的承重和无盖合而为一，使其更加经济有效，且在建筑空间利用上越加充分。因此薄壳结构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的结构形式。在实际应用中，薄壳结构的形式更是丰富多彩的。例如悉尼歌剧院，其外观为三组巨大的壳片，耸立在一南北长186米、东西最宽处为 97米的现浇钢筋混凝土结构的基座上。
膜结构建筑 薄壳结构
3—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。
悬索结构除跨度大、自重轻、用料省外还具有平面形式多样，使用的灵活性大、范围广；由多变的曲面所形成的内部空间既宽大宏伟又富有运动感；主剖面呈下凹的曲面形式，曲率平缓，如处理得当既能顺应功能要求又可以大大节省空间和空调费用；形式变化多样，可以为建筑形体和立面处理提供新的可能性。悬索结构没有繁琐支撑体系的屋盖结构。
3—5、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。
网壳结构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厂预制；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，不论是建筑平面还是空间曲面外形，都可根据创作要求任意选取。
3—6、网架结构
网壳结构建筑
由多根杆件按照某种规律的几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。
网架结构刚度大、变形小、应力分布均匀、传力途径简捷、抗震性能好、施工安装简便、能大幅度地减轻结构自重和节省材料、网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率。网架结构可以用木材、钢筋混凝土或钢材来做。网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。
4、大跨度空间结构选型的原则
网架结构建筑
大跨度建筑迅速发展的原因一方面是由于社会发展使建筑功能愈来愈复杂；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。所以大跨度空间结构的发展是在结构受力合理，造型美观等诸多因素的限制下发展起来的。各种结构不同的优势与劣势，只有将它们合理的运用起来，才能达到技术与艺术都最合适的结构选择，甚至创造出完美的建筑。下面以汽车站设计为例阐述一下大跨度空间结构选型的原则。
汽车站是大型公共建筑，各个功能的组成需要选用合理的空间结构，而大面积、大跨度的候车厅决定了汽车站的设计更适合大跨度空间结构。汽车站的大跨度空间结构选型可以遵循以下几点原则：
4—1、满足功能
汽车站的功能要求是建筑物设计中应考虑的首要因素，功能要求包括使用空间要求、使用要求以及美观要求，考虑结构选型时应满足这些功能要求。所选择的结构形式的剖面形式应与建筑物使用空间的要求相适应，尽可能减小结构体系本身所占的空间高度，处理好建筑功能和建筑空间的关系，并选择合理的结构体系，自然形成建筑的外形。在满足了基本的建筑功能，经过单纯建筑功能的选型是不够精准的，可以进一步将结构更完美化理想化。
4—2、造型美观
汽车站是城市的门户，代表着城市的形象。在进行汽车站设计时造型美观很重要。大跨度结构的汽车站在造型上呈现出多种形式，直面，曲面，不规则面应有尽有。人类对大尺度的事物有着本能的敬畏，在大跨度建筑的巨大体量面前，人感受到自己的渺小，同时感动于人类力量的伟大。大跨度空间结构的汽车站具有摄人心魄的力量，它带有崇高感的审美价值。虽然结构体系和结构构件的设计都是建立在严格的受力计算基础之上的，但是这并不意味着造型也要严格复杂而拘谨，美观的大跨度汽车站设计作品也充分体现了结构形态的理性美的简洁大方。
4—3、实用耐久
汽车站是城市的交通枢纽，实用性能要求很高。同时，汽车站的使用年限很长，长期的运行需要结构的耐久性能强。这就要求进行结构选型时注重以下两个方面：(1)、空间结构与建筑造型结合紧密有序合理，没有不必要的花俏结构。（2）、对自然因素要有良好的抵御能力，例如地震、火灾等。这点要求了大跨度结构的稳定性与各种抗性。钢结构的刚度强度都很好，但是防火是个比较严重的问题，所以为了追求大跨度建筑的耐久，要从结构和材料两方面入手。
4—4、受力合理
汽车站是人流的聚集地。它的安全性能尤其重要。建筑的安全主要受建筑空间结构的影响。在进行汽车站设计前要选择安全的大跨度空间结构。这种结构形式必须做到受力合理、传力明确，力求用简单的结构形式实现复杂的建筑外形。梁式结构体系是受力最差的体系。张拉整体体系—— “连续拉、间断压”和索一膜体系是目前最先进、最经济的体系。
4—5、安装简便
安装简便是保证汽车站建造速度快，可以尽早投入使用的首要条件。在结构选型时要注意对比各种形式的结构安装时的便捷度。例如：薄壳结构是一种薄壁空间结构，主要承受面内的薄膜内力作用，所以材料强度能得到充分的利用，同时由于它的空间作用，多以具有很高的轻度和很大的刚度。因此可以采用很薄的结构厚度来建造大跨度结构，自重轻、材料省。但在施工方面，如采用现浇的施工方法来实现薄壳结构有很大的局限性，最大的困难在于曲面模板耗费的工料多，施工速度慢。
4—6、经济合理
汽车站的建造需要大笔的资金。它在安全的前提下，经济合理是应该得到特别强调与注意的。而且对大跨度空间结构来说，材料用量多，不仅是一个浪费，而且对结构的抗震，特别是竖向抗震极为不利。我们可以从节省材料消耗和节约劳动力等各项指标来衡量。此外，从可持续发展的角度来考虑，还要特别考虑资源的节约。
总结
无论是从建筑历史抑或是从今后发展来看，在建筑设计创作中，结构因素的影响是举足轻重的，古今中外优秀的建筑作品，总是与良好的结构形式相辅相成浑然一体的。大跨空间结构近年来在全球发展迅速，结构形式丰富多样，技术水平也在不断提高。大跨度空间结构的选型是每个建筑者必须掌握的。大跨度结构选型的不仅仅是要了解各种结构的分类及特点，仔细把握相关结构选型的关键因素，并且能使各因素协调统一，达成最佳方案才最重要。

参考文献
[1]、张文忠《公共建筑设计原理》 中国建筑工业出版社 ，2008
[2]、王仕统《大跨度空间结构的进展》 华南理工大学学报，1996
[3]、常健，邓中美《大跨度建筑的外观形式与结构体系》 建筑科技，2002，12
[4]、谢兆鉴，陈眼云《建筑结构选型》 华南理工大学出版社，1990