大跨度空间结构选型与设计-pdf.pdf

筑龙网大跨度空间结构选型与设计综 述概述体系分类分析与设计全面认识大跨度钢结构设 计体育场大悬挑力流转化手段体育馆大跨度分析与设计方法建筑效果图结构图纸施 工施工配合吊装结构图纸实物筑龙网大跨度空间结构选型与设计时间课程内容授课目的授课角度8月7日第一讲（2小时）包括发展历程、应用领域、结构体系分类与选型、结构分析方法与设计手段等。了解大跨度屋盖钢结构的特点；掌握结构体系的分类与选型要点；了解设计流程和分析方法。对全面的了解，更多从结构形式和分类的角度进行讲授。中场休息10分钟第二讲（1小时）体育场挑蓬钢结构概念设计与工程实践了解力流转化的途径和方法；掌握结构形式与力流传递的关系。大量工程案例的归纳总结，并提炼力学原型，更多从结构概念和感性认识的角度进行讲授。问答环节20分钟8月14日第三讲（2小时）典型大跨度屋盖结构的分析与设计（主题馆、绍兴、常熟）掌握典型大跨度结构的设计流程和各阶段的分析设计要求；了解这类特殊结构的设计思维和工种配合特点。从建筑效果图到结构图纸的实现过程，更多从设计流程和分析方法的理性角度进行讲授。中场休息10分钟第四讲（1小时）施工配合系列了解出图之后的后续配合工作，如深化设计配合、施工吊装、施工张拉、焊接质量控制等。从结构图纸到结构实物的实现过程，更多从设计对施工的配合的实践角度进行讲授。问答环节20分钟筑龙网大跨度空间结构选型与设计大空间建筑概述1结构体系与结构构思2分析方法与分析手段3筑龙网大跨度空间结构选型与设计大空间建筑概述1结构体系与结构构思分析方法与分析手段23筑龙网1.大空间建筑概述大空间建筑发展历程1.1大空间建筑应用领域1.2筑龙网近代空间结构古代空间结构砖石现代空间结构混凝土、钢材膜材高强材料1.1 大空间建筑发展历程建筑材料经历了从砖石，到混凝土、钢材和膜材，最终推进到拉索、碳纤维等高强材料的演变过程。砖石混凝土拉索膜材钢材碳纤维1.大空间建筑概述材料革新筑龙网1.1 大空间建筑发展历程1.大空间建筑概述技术革命施工技术分析手段CADSAPCADBIMANSYS张拉膜材吊装屋盖滑移现场索穹顶施工张拉筑龙网材料革新技术创新11 大空间建筑发展历程1.大空间建筑概述建筑结构的历史，也是材料革新和技术创新发展进步的历史。空间结构体系的发展筑龙网现代空间结构19251975近代空间结构古代空间结构1.1 大空间建筑发展历程1.大空间建筑概述空间结构年代划分图筑龙网古代空间结构近代空间结构现代空间结构拱券式穹顶薄壳结构网架结构网壳结构悬索结构拱架结构桁架结构充气膜结构索膜结构张弦梁结构索穹顶结构弦支网壳结构斜拉网格结构树状结构多面体空间刚架结构罗马万神庙罗马奥运会小体育馆上海万人体育馆瑞雷比赛馆塞金纳伯特拱桥水晶大教堂大阪世博会美国馆法赫德国王国际体育场上海浦东国际机场T1、T2航站楼佐治亚穹顶光丘穹顶杭州黄龙体育中心体育场水立方1.1 大空间建筑发展历程1.大空间建筑概述筑龙网罗马竞技场意大利公元78年以厚实的砖石墙、半圆形拱券、逐层挑出的门框装饰和交叉拱顶结构为主要特点。平面近似呈椭圆形，长轴长约188m，短轴长约156m。罗马万神庙意大利公元128年穹顶直径43.2m。设计中，将作为模板的砖砌成环状，在其空隙中浇筑混凝土。采用宽达9m的梯状扶壁抵抗穹顶水平推力。古代空间结构1.1 大空间建筑发展历程筑龙网圣索菲亚教堂土耳其公元537年由石材与砖砌筑而成，石拱直径31m。两对巨大的扶壁和连续的半圆形穹隆在空间上成功解决了中央大穹顶的水平推力问题。圣母百花大教堂意大利1436年八角形尖顶穹顶直径42m，其外侧主要对抗严酷的气候条件，内侧起到展示庄严内部空间的作用。建造过程中，地面不设脚手架，采用砖模工艺。古代空间结构1.1 大空间建筑发展历程筑龙网圣彼得大教堂意大利1589年穹顶直径42m，离地120m。由砖石砌成的砌体结构，利用平面圆形的优势，减小了内壳的厚度，取消了环拱，减小了纵肋。无梁殿南京1381年整座建筑采用砖砌拱券结构，由于不设木梁，不用寸钉片木，故又称“无梁殿”。无梁殿东西向并列3个拱券，中间的拱券跨度11.5m，净高14m。古代空间结构1.1 大空间建筑发展历程筑龙网罗马奥运会小体育馆意大利1957年屋顶最高处21m，穹顶直径52m，采用钢筋混凝土薄壳结构。薄壳由沿圆周布置的36根Y形混凝土斜柱支承，斜柱的侧推力由地下的预应力基础受拉环梁平衡。阿特兰教堂乌拉圭1960年曲面墙和壳体屋顶在同一个水平面交接，墙壁和屋顶都呈波浪起伏状，最大跨度60m。整个建筑依靠其几何形状而不是材料的构造厚度来获得足够刚度。近代空间结构1.1 大空间建筑发展历程筑龙网曼海姆联邦园艺展览会主场馆德国1975年开创了方形网格薄壳的先河。建筑内部没有柱和梁，而是将木条“编织”成的连续网壳罩在基底上，最大跨度60m。采用双层构造的方法增加结构稳定性。上海万人体育馆上海1975年圆形平面的三向网架，屋顶网架跨度直径110m，厚6m，采用圆钢管构件和焊接空心球节点。近代空间结构1.1 大空间建筑发展历程筑龙网瑞雷比赛馆美国1952年落地交叉拱支撑双曲预应力索网结构。建筑周边为间距2.4m的钢柱，由钢筋混凝土曲梁将支柱联系起来。建筑平面近似呈椭圆形，长轴97m，短轴92m。慕尼黑奥林匹克体育场德国1972年屋面采用索网结构，8根主桅杆悬吊的索网屋面只覆盖体育场的一侧。屋面每个局部都呈马鞍形曲面，上覆亚克力板，内部光线充足且柔和。近代空间结构1.1 大空间建筑发展历程筑龙网东京体育场日本1988年日本第一个依靠空气压力支撑的穹顶，建筑平面为方形带圆抹角，边长180.6m。采用室内超压膜结构，屋顶（包括钢索）在内，平均重量0.142kN/m2。佛山世纪莲体育场佛山2007年佛山世纪莲采用交错式索桁架结构，外环直径310m，内环直径125m。其索桁架系统由脊索、谷索、中间径向索、内环索、悬挂索、膜面支撑索与分叉索构成，体育场外缘设置高差20m的上下压环。上下径向索通过刚性撑杆撑开，布置于内拉环与上下外压环之间，构成屋面主体结构。现代空间结构1.1 大空间建筑发展历程筑龙网韩国奥运会体操馆韩国1988年直径120m，主体结构为下部支承结构和索穹窿。屋盖结构的突出特点是没有形成三角形网格，而是经纬分格的肋环形布置。美国佐治亚穹顶美国1996年平面尺寸为240m192m，采用三角形分割的索穹顶。在几何上更容易构造出椭圆形的平面。在结构受力上，冗余度高，稳定性好。现代空间结构1.1 大空间建筑发展历程筑龙网上海浦东机场T1航站楼上海1999年采用张弦梁结构。张弦梁上弦为圆弧形，下弦为折线形，腹杆平行布置。腹杆上端以销轴与上弦相连，下端通过特殊设计的索球与钢索相连。上海浦东机场T2航站楼上海2008年波浪形钢屋盖，平面尺寸414m217m，采用Y形斜柱支承的多跨连续张弦梁。上弦为五跨连续的变截面箱梁，下弦为单根屈服刚度550MPa的钢棒。现代空间结构1.1 大空间建筑发展历程筑龙网结构构件巨型化结构形式杂交化屋面立面一体化绿色建筑的崛起建筑材料的革新结构布置单层化发展趋势探索1.1 大空间建筑发展历程筑龙网上海世博会越南馆上海2010年采用竹子作为主要材料。将竹子用于拱形结构，创造出波浪感的表皮形态。垂直的竹柱创造出一个线性的空间，让人感到仿佛置身于竹林一般。上海世博会英国馆上海2010年由亚克力管组成的展馆。白天，亚克力管像光线的导管一样，将阳光引入场馆内部；夜晚，亚克力管一侧的LED灯使场馆亮起来，构成一幅流动的画面。发展趋势探索建筑材料的革新1.1 大空间建筑发展历程筑龙网上海自然博物馆上海在建是国内三大自然博物馆之一，为绿色建筑三星级设计标识。采用绿化屋顶外墙、地源热泵、雨水回收、太阳能回收的配套功能。同济设计院办公楼上海2011年以建筑改造替代建筑重建，既避免了拆除原有建筑导致的混凝土处理，又减少了新建建筑材料。采用太阳能光伏发电板，每年减少CO2排放量566t。发展趋势探索绿色建筑的崛起1.1 大空间建筑发展历程筑龙网东方跳水池上海2011年建筑造型为月牙形。为配合该建筑造型，结构方面中采用18榀形状相似的悬臂钢桁架，沿斜置的椭圆环排列，彼此通过横向杆件及拉索连接成稳定的整体。济南奥体中心体育场济南2009年运用柳叶作为母题，轻柔飘逸，大自然中单片柳叶的两个折面与叶脊的结构形态启发了外部维护单元与屋面罩棚所形成的连续空间折板体系。发展趋势探索屋面立面一体化1.1 大空间建筑发展历程筑龙网伦敦碗英国2012年屋盖挑篷采用A形柱支承外压缩环桁架，内张力环采用索，其间辐射布置双层径向索形成索网，屋面覆盖PVC膜材。A形柱立在内拉力环索上，设后稳定索和环向稳定索。华沙国家体育场波兰2011年屋盖呈椭圆形，长轴长314m，短轴长280m，屋盖悬挑长度85m。屋盖采用轮辐式索桁架结构，上覆膜材。发展趋势探索结构形式杂交化1.1 大空间建筑发展历程筑龙网上海世博会世博轴上海2010年在全长1045m、宽约100m的世博轴上，13根大型桅杆、数十根斜拉索和巨大的幕布巧妙组成了中国第一、世界罕见的索膜结构建筑。深圳大运会中心体育场上海2003年为了与周边绵延起伏的山地景观相呼应，体育场采用单层折面空间网格结构，体育场整体由20个形状相似的单层结构单元通过空间作用联系在一起。发展趋势探索结构布置单层化1.1 大空间建筑发展历程筑龙网东胜体育场鄂尔多斯2011年东胜体育场采用巨拱斜拉桁架体系，设计了一个跨度330m，高度129m的巨拱，通过23组斜拉索，拉住桁架屋面。巨拱采用四管桁架结构，形似草原弓箭，是此体育场的最大亮点。韩国济州体育场韩国2001年挑篷采用巨型独立桅杆式斜拉结构。6根梭形巨型桅杆柱沿场边周圈布置，并向后倾斜，每根桅杆设置成组的拉索斜拉屋面，并设置两根平衡索，直接锚固于地面。发展趋势探索结构构件巨型化1.1 大空间建筑发展历程筑龙网自行车馆体育馆体育场游泳馆体育建筑客运中心机场航站楼火车站站房火车站雨棚交通建筑美术馆博物馆会展中心大剧院文化建筑大空间建筑应用领域1.2 大空间建筑应用领域1.大空间建筑概述筑龙网1.2 大空间建筑应用领域体育建筑筑龙网国家体育场“鸟巢”国家体育场“鸟巢”北京北京2008年2008年平面投影成马鞍形，长轴方向最大尺寸332.3m，短轴方向最大尺寸296.4m。采用交叉平面桁架体系，主桁架围绕屋盖中部的洞口呈放射形布置。南通奥体中心体育场南通奥体中心体育场南通南通2006年2006年我国第一个采用巨型活动开启式屋盖的体育场，东西向最大跨度278m。固定屋盖采用拱支单层网壳，活动屋盖采用周边加强的单层网壳结构。1.2 大空间建筑应用领域体育建筑筑龙网南京奥体中心体育场南京奥体中心体育场南京南京2004年2004年平面为直径242m的圆，屋盖结构体系是由与水平面成45倾斜、跨度372.4m的三角形变断面钢桁架拱和马鞍形罩棚结构组成。蔚山体育场蔚山体育场韩国韩国2002年2002年平面投影呈切角四边形，桅杆后倾，平衡索不落地，而是通过撑杆转换力流连接于看台大柱后侧；在屋盖较低部分设抗风索，保证屋盖钢结构在风荷载作用下的稳定。1.2 大空间建筑应用领域体育建筑筑龙网北京大学体育馆北京大学体育馆北京北京2007年2007年水平投影为93.2m72m的矩形。屋盖结构采用“柔性”拉索与“刚性”空间桁架通过撑杆连接而成的预应力张拉空间桁架壳体。济南奥体中心体育馆济南奥体中心体育馆济南济南2009年2009年南北向长约220m，东西宽约168m。体育馆屋盖采用弦支穹顶结构。弦支穹顶由上部凯威特型和葵花型混合布置的单层网壳及下部肋环型布置的索杆张拉体系组成。1.2 大空间建筑应用领域体育建筑筑龙网济宁文体中心游泳馆济宁文体中心游泳馆济宁济宁2012年2012年屋盖主体呈现连续折板形态，以纵向中轴对称，采用张弦梁结构体系。屋盖纵向长度195m，横向最大宽度102m。侧部六边形蜂窝立面下包至室外地面，与屋盖主结构连成整体。常熟体育馆常熟体育馆常熟常熟2012年2012年常熟市体育馆建筑造型呈海螺状，体育馆由比赛馆、训练馆和周围幕墙主框架三部分组成。比赛馆屋盖呈切角扁平球壳，采用弦支穹顶结构体系。训练馆呈外端落地的空间异形壳面形态，采用平面桁架结构体系。比赛馆和训练馆壳面相切，在分缝部位平滑过渡。1.2 大空间建筑应用领域体育建筑筑龙网1.2 大空间建筑应用领域交通建筑筑龙网广州南站站房广州南站站房广州广州2010年2010年站房屋盖东西向长468.8m，南北宽220m。屋盖短跨方向采用三角形钢桁架作为主梁，长跨方向采用索拱体系，中央采光带采用拉索加劲的单层筒壳体系。大连北站站房大连北站站房大连大连2012年2012年屋盖主结构为正三角形立体空间桁架体系。对每榀主桁架利用3根平行高强拉索进行张拉，下部设置2对V形撑杆，解决了撑杆平面外稳定问题。1.2 大空间建筑应用领域交通建筑筑龙网兰州西站站房兰州西站站房兰州兰州在建在建站房屋盖呈“几”字形，矢高10.65m，横轨方向长380m，顺轨方向宽236m。采用“钢管混凝土柱+管桁架+实腹钢梁”结构体系。福州南站雨棚福州南站雨棚福州福州2010年2010年雨棚呈三跨连续拱状，拱矢高3.5m。雨棚平面投影顺轨方向长450m，垂直轨道方向长163m，采用柱顶分叉斜撑支承的三跨连续张弦梁结构体系。1.2 大空间建筑应用领域交通建筑筑龙网深圳北站雨棚深圳北站雨棚深圳深圳2011年2011年单侧长273m，宽132m。整个雨棚是由14m21.5m网格构成的双向连续多跨空间结构。每个基本网格单元均采用四边形环索弦支空间结构体系。珠海站雨棚珠海站雨棚珠海珠海2012年2012年雨棚平面投影东西方向长567m。采用箱型拱梁+人字柱+拉索的结构体系。通过索的预应力，有效减小了跨中正弯矩，提高了结构竖向刚度。1.2 大空间建筑应用领域交通建筑筑龙网首都机场T3航站楼首都机场T3航站楼北京北京2007年2007年南北方向长约955m，东西方向宽约773m。采用变厚度双曲面三角锥网壳结构体系，在网壳边界设置空间桁架。整个屋盖由136根梭形钢管柱支承。昆明长水机场航站楼昆明长水机场航站楼昆明昆明2012年2012年长水机场的代表性结构为航站楼中央大厅的7条形似彩带的钢箱梁，寓意“七彩云南”。这七条彩带状的钢箱梁连同188根锥形钢管柱、738根幕墙柱及12根T型柱组成了昆明长水国际机场航站楼主体钢结构工程，共同支承屋面网架结构。1.2 大空间建筑应用领域交通建筑筑龙网1.2 大空间建筑应用领域文化建筑筑龙网上海世博会主题馆上海世博会主题馆上海上海2009年2009年东西向总长300m，南北总宽200m。屋盖结构为跨度达270m的四跨连续张弦桁架结构。建筑挑檐外挑18.9m，设置人字形立柱作为挑檐的支承结构。绍兴山水馆绍兴山水馆绍兴绍兴在建在建水馆长度为228m，横向最大宽度为137m，采用钢桁架弦支穹顶组合网壳结构。山馆上方椭圆长轴80m，短轴50m，下方椭圆长轴160m，短轴最宽处110m，采用钢桁架叠合穹顶组合网壳结构。1.2 大空间建筑应用领域文化建筑筑龙网三亚美丽之冠文化会展中心三亚美丽之冠文化会展中心三亚三亚2003年2003年平面类似椭圆形，长轴直径106m，短轴直径92m，采用骨架式索膜结构。该索膜结构可分为三部分：悬索膜结构、皇冠膜结构和悬垂膜结构。国家大剧院国家大剧院北京北京2007年2007年椭圆形壳体，东西方向长轴212.20m，南北方向短轴143.64m。采用空腹网壳结构体系，壳体由设置在地面以下的钢筋混凝土环梁支撑。1.2 大空间建筑应用领域文化建筑筑龙网首都博物馆新馆首都博物馆新馆北京北京2005年2005年屋盖东西方向长168m,南北方向长89m，采用钢桁架+局部网架结构。屋盖的四角为双向悬挑结构，最大悬挑长度21m，悬挑部分采用平面圆管桁架。1.2 大空间建筑应用领域文化建筑广州歌剧院广州歌剧院广州广州2010年2010年歌剧院平面投影长135.9m，宽128.5m；多功能剧院平面投影长度和宽度分别为88m和62m。采用空间折板式三向斜交单层网格结构。筑龙网大跨度空间结构选型与设计大空间建筑概述1结构体系与结构构思2分析方法与分析手段3筑龙网2.结构体系与结构构思大跨度空间结构体系分类2.22.3建筑造型与结构构思2.1新型结构体系展望2.4大跨度空间结构常用体系概述筑龙网2.结构体系与结构构思作为一种视觉符号，结构造型是建筑识别的重要因素。造型与形式不同，它更容易塑造艺术内涵，引发想象。建筑设计要通过结构来实现，结构形式和材料的应用对于建筑空间、体量和造型起着决定性作用结构既能完全隐藏于建筑形态之内，亦能变成建筑形态本身，体现自身力与美的完美结合。结构体系选型与结构构思需要建筑师与结构工程师的良好沟通，一个好的建筑作品，是建筑艺术和结构艺术的融合体。构思伊始，体系选型与结构布置一定是符合建筑的性质的。然而，过去建筑师往往只考虑建筑的最终态，把结构的体系选型与分析设计工作完全交给结构工程师，造成结构形式与建筑表达之间的落差或矛盾，甚至出现过分放大结构的表现效果致使美感丧失。随着时代的发展，建筑师逐步意识到结构本身的客观存在是不随建筑表象而改变的，所以衍生出一大批融入了结构美的建筑作品，或明或隐的展现结构之美，为结构体系选型提供了一个良好契机，使得结构构思变得开放化和多元化。2.1建筑造型与结构构思筑龙网2.1建筑造型与结构构思经典案例解读2.结构体系与结构构思上海浦东机场T2航站楼上海2008年上海浦东机场T2航站楼以连续大跨度的曲线钢屋架为主要造型元素，构成了T2航站楼的建筑主旋律。暴露结构体系，舍弃繁复装饰，体现朴素典雅的审美情趣，通过精心设计的结构构件的比例、尺度和细节，使之成为可以与使用者对话的重要建筑语汇。航站楼主体高度13.600m以上的大空间采用18m开间树状钢立柱，连续梁在波谷处闭合，波峰处张开，波峰段仍采用刚柔结合的张弦体系，波谷段采用刚性的箱型实腹梁，开合有致。上海世博会世博轴上海2010年世博轴是一个超大尺度的商业交通综合体功能的复杂性与形象上的标志性诉求都给设计与建造带来挑战。世博轴是拥有巨大的索膜结构、阳光谷以及超大型节能系统的巨构建筑，设计时坚持将“人、自然、技术”和谐相处的理念渗透其中。阳光谷为斗形单层网壳钢结构，上表面覆盖玻璃幕墙，整体通透；索膜结构屋顶采用多单元连续结构，由索桅分隔支承的三角倒锥形膜单元构成国际上最大的膜结构。筑龙网2.结构体系与结构构思2.1建筑造型与结构构思经典案例解读深圳宝安体育场深圳宝安体育场深圳深圳2011年2011年深圳宝安体育场的设计灵感来源于具有华南地区风情的竹林场景，在重现地域特色的同时，“竹林”还构成了看台以及大跨度屋面的结构支撑系统。建筑的外表皮将建筑立面、主体结构及所运用的象征性建筑语汇整合为一个极具表现力的整体，修长的钢柱在光影中参差交错，如同抽象放大的竹枝，赋予建筑以竹林的形象。国家大剧院国家大剧院北京北京2007年2007年国家大剧院以其独特的构思、非凡的想象，把一个超前的建筑物展现在世人面前。特别是大剧院中心建筑水上明珠的建筑造型，以超级椭球体的屋盖形式，体现了建筑艺术与结构艺术的完美结合。大剧院钢结构为一个巨大的椭球体，屋盖由径向和环向的钢结构杆件组合屋盖壳体，即使透过透明的玻璃也可以看到结构的建筑美感。筑龙网2.结构体系与结构构思2.1建筑造型与结构构思经典案例解读雅典奥运会及残奥会主体育场雅典奥运会及残奥会主体育场雅典雅典2004年2004年雅典奥运会及残奥会主体育场反映了卡拉特拉瓦的典型设计理念，该作品具有强烈的新古典主义色彩。整个体育场在原有露天看台上方重新增设新型屋盖，屋盖结构由两片半边屋顶组成，每片屋盖在结构纵向均设置了跨越整个看台的落地大拱，其跨度304m，高85m。巨大的拱形管通过缆索与其下部拱形扭管连接在一起，形成拱形整体结构。里斯本东方车站里斯本东方车站里斯本里斯本1998年1998年东方车站体现了卡拉特拉瓦早期建筑理论和设计思想。整个火车站采用非常实用的巨型平面布局，将各种复杂的交通方式统一于一个整体之中。火车站站台上的屋顶看上去就像一层浓密的树冠，给人以无限的遐想。对于这种树冠状的屋顶形式，卡拉特拉瓦在以前的设计中也曾用过，如多伦多的BCE Place等。在东方车站这个项目中，卡拉特拉瓦将由钢和玻璃构成的“树”按17m的网格布置，整体布局就像一个果园，人们可以将这个异常宏伟的结构体系联想成一片气势雄伟的森林。筑龙网2.结构体系与结构构思2.1建筑造型与结构构思经典案例解读密尔沃基艺术博物馆密尔沃基艺术博物馆美国美国2001年2001年密尔沃基艺术博物馆的设计主题是印象和情感。这是卡拉特拉瓦的作品中最具代表性，能够体现丰富性和复杂性特点的作品。卡拉特拉瓦将特定的周边自然环境与人文环境作为方案设计的出发点。在设计中，卡拉特拉瓦将原有的建筑作为一个完整的独立部分，而新建的建筑临近湖边，这一特定的环境特征又给他的创作带来灵感以能够在水上运动的物体的形状作为建筑的基本形体。建筑色彩和材料的选用使建筑的外形看起来像一艘轮船。更重要的是，建筑的外形是巨大的折叠结构，并带有可开启、闭合的百叶，整个屋面看起来就像一只大海鸥。通向博物馆的桥靠一根倾斜的桅杆吊拉着，给人一种海上轮船的感觉，而这一设计手法来源于他早期的桥梁设计。筑龙网2.结构体系与结构构思2.1建筑造型与结构构思经典案例解读法赫德国王国际体育场法赫德国王国际体育场沙特沙特1985年1985年法赫德国王国际体育场如巨大花朵般被环向组织起来的白色帐篷顶映衬着周边沙漠的广袤，并向人们描绘着物理学法则的力与美，同时也让人们想起阿拉伯游牧民族贝督因人的帐篷。它是一个由桅杆和索缆组成的、明确的自给自足的主承重结构，以及一个在其内部的、独立的次承重结构。南非德班体育场南非2009年工程师将功能、结构形式以及特定的地理位置综合考量，打造了一个独一无二的建筑综合体。因为需要建造一座高大的结构，所以施莱希贝格曼及合伙人工程设计事务所（Schlaich Bergermann und Partner）的工程师们在体育场上方设计了一座高高的钢结构拱架。屋顶从拱架处悬挑出来，并采用了轻盈、半透明的张拉膜结构，现代化的建造技术使该项工程的实现成为可能。筑龙网浙江大学董石麟团队华南理工大学王仕统团队东南大学郭正兴团队中建国际设计顾问有限公司傅学怡团队中国航空工业规划设计研究院葛家琪团队中国建筑西南设计研究院冯远团队清华大学郭彦林团队天津大学陈志华团队同济大学建筑设计研究院丁洁民、张其林团队其他团队2.2大跨空间结构体系分类2.结构体系与结构构思国内外空间结构蓬勃发展，建筑造型新颖，形式种类繁多。在我国国内，从事大跨度空间结构的研究主要有以下团队，每家各有所长，分类不一。筑龙网2.2大跨空间结构体系分类按照结构构成分类2.结构体系与结构构思目前常用的大跨度空间结构体系的分类方法主要有按结构构成分类、按受力特点分类、按构件单元分类和按力学准则分类，共四种分类方法。（1）按结构构成分类（传统分类方法）通常将空间结构按形式分为五大类，即薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构和膜结构，称为五大空间结构。在五大空间结构的基础上,平板型的网架结构和曲面型的网壳结构可合并总称为网格结构，而悬索结构与膜结构也可合并总称为张拉结构。这样，所有的空间结构又可归纳为三大空间结构，即薄壳结构、网格结构和张拉结构。筑龙网2.结构体系与结构构思薄壳结构网架结构网壳结构悬索结构膜结构2.2大跨空间结构体系分类按照结构构成分类筑龙网2.结构体系与结构构思按照空间结构的受力特点来划分，大跨度空间结构体系可分为刚性空间结构体系、柔性空间结构体系和杂交结构体系。2.2大跨空间结构体系分类按照受力特点分类筑龙网2.结构体系与结构构思2.2大跨空间结构体系分类按照受力特点分类筑龙网2.结构体系与结构构思2.2大跨空间结构体系分类按照受力特点分类筑龙网2.结构体系与结构构思董石麟院士在中国空间结构的发展与展望一文中提出了按照空间结构的基本单元进行划分的方法，并对目前工程应用中的空间结构进行了分类。采用按板壳单元、梁单元、杆单元、索单元和膜单元等五种单元组成来分类，空间结构按基本单元组成分类具有鲜明的直观性、实用性、包容性和开放性四大特点，它不仅可确知各种形式空间结构的组成，而且可初步框定利用哪些计算方法和程序进行结构分析。它不仅可包络当前所有各种形式的空间结构，而且也可包容、囊括今后开发和创造的新型空间结构。2.2大跨空间结构体系分类按照构件单元分类筑龙网2.结构体系与结构构思2.2大跨空间结构体系分类按照构件单元分类筑龙网2.结构体系与结构构思王仕统教授在简论空间结构新分类一文中基于力学准则和结构理论，提出按结构空间矢量传力将空间结构分为轴力结构和弯矩结构。（1）轴力结构即屋盖空间结构，是一种由于形状而产生效益的结构，因此它又叫形效结构。屋盖空间结构有三大特点：曲面空间状（有封闭边缘构件）、轴力结构、用料很经济，主要有薄壳、网壳、弦支穹顶等；（2）弯矩结构包括屋盖弯矩结构和三维空间结构（如高层结构、高耸结构），以承受弯矩为主。屋盖弯矩结构主要有梁、板、桁架、刚架、张弦梁、网架等。2.2大跨空间结构体系分类按照力学准则分类筑龙网2.结构体系与结构构思2.2大跨空间结构体系分类按照力学准则分类一维传力轴力结构弯矩结构弦支穹顶格构式壳网壳三维传力网架二维传力张弦梁平面桁架平面桁架张弦梁筑龙网2.2大跨空间结构体系分类结构体系选型评价2.结构体系与结构构思陆赐麟教授在钢结构2009年第12期的用科学标准促进钢结构行业健康发展一文中提出专业知识是科学标准的依据，结构体系的正确性与资源效益的最大化程度成正比，结构体系的优秀性与g/p成反比，一般是优秀设计：g/p=0.20.35；平庸设计：g/p=0.40.55；拙劣设计：g/p=0.60.7。式中g为结构自重，p为荷载总重（包含结构自重）。可见优秀的设计是以最经济的结构体系实现既定的使用功能。筑龙网2结构体系与结构构思2.2大跨空间结构体系分类结构体系选型评价王光远院士在大跨空间结构选型的因素体系模型一文中提出了影响大跨空间结构选型方案评价的四个目标级影响因素即建筑功能因素、受力性能因素、经济性能因素、施工可行性因素。筑龙网2.3常用的大跨度结构空间结构体系概述2.结构体系与结构构思网架与网壳张弦结构桁架结构弦支穹顶斜拉结构筑龙网桁架结构2.3 常用的大跨度结构空间结构体系概述结构构成特点一般分为平面桁架和立体桁架。由上弦杆、下弦杆、腹杆组成。均属于二维抗弯抗剪体系。结构力学性态弦杆因承担整体弯曲产生的弯矩，而承担轴力，上弦受压、下弦受拉。腹杆因承担整体弯曲中的剪力，而承担轴力。桁架可理解为将“梁”这一典型的受弯构件经过杆系置换后形成的具有离散化特征的结构体系。将横向弯曲作用下实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，力流传递清晰直观。筑龙网案例一：兰州西站筑龙网兰州西站屋盖结构横轨方向长380m，顺轨方向宽236m。屋盖呈几字形，矢高10.65m，最高建筑标高39.550m。站房屋盖主结构采用“钢管混凝土柱+管桁架+箱型梁”结构体系。柱网布置：顺轨向共设四排方形钢管混凝土立柱，其中外侧柱宽1.0m，外侧柱宽1.2m，垂轨向基本柱距21.5m。桁架布置：主桁架高2.3m4.4m，宽2.0m，在边柱柱顶沿横轨道方向布置联系桁架，以承担幕墙荷载、形成纵向联系。次梁布置：由双向桁架将屋盖划分为约21.5m宽的矩形方格，在每个方格内通过布置双向实腹钢梁，划分为6.2m9m的方格。案例一：兰州西站筑龙网案例一：兰州西站柱网与主桁架柱网与主桁架结构整体结构整体结构立面结构立面桁架整体桁架整体筑龙网桁架柱底节点桁架柱顶节点结构温度缝的设置（悬挑）案例一：兰州西站筑龙网案例二：东方体育中心筑龙网案例二：东方体育中心筑龙网案例二：东方体育中心主结构环向联系结构支撑体系筑龙网对比方案方案A方案B方案C（最终方案）立面图（悬挑最大榀）柱脚宽度1.7m1.7m2.7m悬挑端挠度（单榀）258mm200mm148mm受力特点单榀不成立；主要依靠空间作用。单榀抗倾覆能力差；主要依靠空间作用和拉索。单榀成立，空间作用提供第二道防线。评价传力不直接；施工复杂；仅一道抗力防线。平衡索影响建筑造型。传力直接；承载安全度提高；对建筑无影响。案例二：东方体育中心筑龙网案例三：南通体育场筑龙网案例三：南通体育场体育场开启体育场关闭筑龙网案例三：南通体育场体育场固定屋盖设计为拱支单层网壳体系，分别为6道东西向的主拱、介于主拱间的5道不连续副拱（在开口处断开）以及南北向的斜拱；活动屋盖采用周边加强的单层网壳结构；长轴方向为171m，短轴方向为107m。筑龙网网架与网壳网架受力机理类似于双向或三向交叉梁系，具有三维受力特点。通过连接上、下弦杆的腹杆协调不同方向的多榀桁架共同弯曲来抵抗竖向荷载。腹杆因承担整体弯曲效应产生的剪力而承受轴力。网架可理解为将厚板经杆件置换离散后形成的结构。将竖向荷载作用下厚板内部复杂的应力状态转化为网架杆件简单的拉压应力状态。力流传递清晰直观。相对于桁架结构平面外刚度差的缺点，网架结构的空间刚度大，稳定性较好。网壳对于绝大多数网壳而言，弯矩和剪力是次要内力，即主要承受薄膜应力，依靠壳体的薄膜作用来承载。砼材料抗压强度较高，抗拉强度很小，所以砼壳体对形状要求较高，以充分利用曲面自身的结构性状来充分发挥砼优良的抗压性能。对于钢结构网壳，由于钢材的抗拉和抗压等强。当跨度大矢高小，弯曲应力大时，将网壳设计成双层就可以应付自如，这个优点使得壳体的形态设计具有较大的灵活性。2.3 常用的大跨度结构空间结构体系概述筑龙网案例一：绍兴金沙山水馆筑龙网案例一：绍兴金沙山水馆筑龙网案例一：绍兴金沙山水馆结构体系构思草图筑龙网水馆结构采用“钢桁架弦支网壳组合网壳结构”。这是一种较新颖的组合结构形式，借鉴了巨型结构体系的概念，采用“主骨架+次结构”结构形式。案例一：绍兴金沙山水馆中央弦支穹顶拉索与撑杆中央弦支穹顶单层网壳屋面单层网壳次结构径向主桁架与环桁架筑龙网案例一：绍兴金沙山水馆结构整体模型筑龙网案例一：绍兴金沙山水馆结构现场照片筑龙网案例二：国家大剧院筑龙网案例二：国家大剧院国家大剧院是一个长212m，宽143m、高45m的超级椭球体。上部屋盖结构为一个由径向和环向的钢结构杆件组合屋盖壳体，即使透过透明的玻璃也可以看到结构的建筑美感。筑龙网张弦结构结构构成由刚性子结构、拉索、撑杆组成。用撑杆连接受压受弯的刚性子结构和抗拉的索，通过给拉索施加预应力，对刚性子结构实施反拱，有效减轻结构负担，增强了结构的承载能力和竖向刚度。同时实现了主动的应力控制和变形控制，并形成自平衡体系。张弦梁刚性子结构为实腹梁或拱。这是最早出现的张弦结构体系，其概念是由日本教授于20世纪80年代首次提出。属于典型的平面受力体系，需通过合理布置支撑体系使各榀张弦梁形成整体以共同工作。张弦桁架刚性子结构为平面桁架或立体桁架。这是对张弦梁中的刚性子结构进行加强而形成的，可跨越更大的跨度并使得刚性子结构得稳定性得以加强，但本质上仍属于平面受力体系。2.3 常用的大跨度结构空间结构体系概述筑龙网案例一：上海世博会主题馆筑龙网案例一：上海世博会主题馆筑龙网撑杆拉索立体桁架索夹案例一：上海世博会主题馆索夹详图张弦桁架断面图筑龙网126m跨张弦梁案例一：上海世博会主题馆筑龙网案例二：北京大学体育馆筑龙网案例二：北京大学体育馆规模达2.5万m2;最大跨度80m;6000 固定坐席+2000 临时坐席;屋面形态设计采用NURBS-(Non-Uniform Rational B-Spline)技术完成;屋盖结构采用了辐射型张弦桁架壳体。筑龙网案例二：北京大学体育馆筑龙网案例二：北京大学体育馆辐射状张弦梁环向支撑体系交叉支撑结构整体筑龙网案例三：福州南站筑龙网案例三：福州南站筑龙网三跨连续张弦梁结合雨棚下部可提供的支承位置，以及雨蓬波浪式的造型特点，采用间距12m的三跨连续张弦梁作为主结构单元。刚性上弦由两根间距2.5m的矩形钢管拱梁组成，矢高3m。下弦拉索通过V型撑杆与钢拱梁连接在一起协同抵抗外力。案例三：福州南站筑龙网弦支穹顶典型的弦支穹顶结构是由一个单层网壳和下端的撑杆、索组成。各环撑杆的上端与单层网壳对应的各环节点铰接连接；撑杆下端用径向索与单层网壳的下一环节点连接；同一环的撑杆下端由环向索连接在一起，使整个结构形成一个完整的结构体系。在外荷载作用时，荷载通过上端的单层网壳传到下端的撑杆上；再通过撑杆传给索；索受力后，产生对支座的反向拉力，使整个结构对下端约束环梁的推力大为减小。通过调节拉索的预张力，可以减小甚至消除弦支穹顶对下部支撑结构的水平反力，从而使得弦支穹顶对边界约束的要求降低，也相应提高了结构体系的面外刚度和稳定性。2.3 常用的大跨度结构空间结构体系概述筑龙网弦支穹顶2.3 常用的大跨度结构空间结构体系概述筑龙网肋环型施威德勒型联方型凯威特型三向网格型短程线型弦支穹顶2.3 常用的大跨度结构空间结构体系概述筑龙网案例一：常熟体育馆筑龙网案例一：常熟体育馆筑龙网案例一：常熟体育馆肋环形单层网壳联方型支撑内、外环桁架比赛馆弦支穹顶索撑体系结构体系构成图筑龙网案例二：安徽大学体育馆筑龙网案例二：安徽大学体育馆筑龙网案例二：安徽大学体育馆筑龙网案例二：安徽大学体育馆主脊梁撑杆斜索拉力抵消支座推力环索和撑杆斜索和撑杆中央环桁架周边环桁架屋盖结构构成沿脊梁从外到内设置五道环索、斜拉索以及连接脊梁和索的撑杆。斜索的水平分力与环索拉力平衡，竖向分力则通过撑杆对上部结构实施反拱卸载。在采光顶周围以及结构外沿分别设置一道环向空间桁架，以增强结构整体刚度，并协调各区格杆件的变形及受力。筑龙网结构构成一般由主承重结构、索、刚性子结构构成。拉索或索杆提供的弹性支承点位于刚性子结构上方，为其提供向上的拉力，以减小结构弯曲作用。斜拉结构2.3 常用的大跨度结构空间结构体系概述筑龙网案例一：邹城体育场筑龙网案例一：邹城体育场筑龙网桅杆抗风索前斜索平衡索后斜索平衡索主桁架案例一：邹城体育场筑龙网案例二：秦皇岛体育场筑龙网案例二：秦皇岛体育场体育场局部体育场局部筑龙网案例二：秦皇岛体育场体育场三维模型筑龙网案例二：秦皇岛体育场体育场结构单元筑龙网案例三：寿光体育场筑龙网案例三：寿光体育场筑龙网案例三：寿光体育场体育场采用巨型桅杆斜拉结构体系，4根巨型桅杆分别位于体育场东北、东南、西南、西北4个角上，底部采用可自由转向的球形铰支座。从桅杆顶部向屋盖方向悬挂5根钢索，悬吊于屋盖内侧梯形空间钢管桁架上；另一方向采用2根钢索锚入地面，平衡屋盖受力。桅杆主体采用220030焊接钢管，底部、顶部分别缩径至120030，内设加劲肋及自锁安全爬梯。筑龙网2.4新型结构体系展望2.结构体系与结构构思全张拉结构铝合金结构索膜结构钢木混合结构筑龙网2.4 新型结构体系展望索膜结构以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的形式。除了可实践、创新且美观的造型外,也是最能展现膜结构精神的构造形式.近年来，大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。结构体系施工精度要求高，结构性能强，具有丰富的表现力。索膜结构筑龙网案例一：上海世博会世博轴筑龙网案例一：上海世博会世博轴索膜结构体系构成图轴测图索膜顶棚采用连续的张拉式索膜结构体系,总长度约840m,最大跨度约97m,膜面总投影面积约61000m,展开总面积约65000m,单块膜最大展开面积约1800m,膜面单元一般呈三角形。膜材采用A2级PTFE膜。索膜结构边索单跨最大约80m,脊索最大跨度约115m,为大跨度柔性结构。膜顶主要由承重作用的脊索、边索和稳定作用的张拉膜构成,1根边索、2根脊索和膜形成了三角形为顶面的倒锥台状,膜面为双向曲面,膜焊缝主要沿经向放射形布置。整个膜顶支承于外桅杆、内桅杆及阳光谷钢结构上。索膜结构的最高点由26组外桅杆和背索、部分阳光谷的连接点构成,最低点由19组内桅杆下拉点、5组外桅杆和背索、部分阳光谷的连接点构成。内桅杆与外桅杆顶部由水