对大跨度建筑结构体系的研究

王栋栋

关键词：大跨度空间结构拱券结构及穹隆结构椼架结构与网架结构壳体结构悬索结构膜结构

摘要：大跨度空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展战况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。而大跨度结构的表现形式是多种多样的，具体如下文所示：

一 、 拱券结构及穹隆结构

拱形结构在承受荷重后除产生重力外还要产生横向的推力，为保持稳定，这种结构必须要有坚实、宽厚的支座。例如以筒形拱来形成空间，反映在平面上必须有两条互相平行的厚实的侧墙，拱的跨度越大，支承它的墙则越厚。很明显，这必然会影响空间组合的灵活性。为了克服这种局限，在长期的实践中人们又在单向筒形拱的基础上，创造出一种双向交叉的筒形拱。在大跨度结构中，结构的支点越分散，对于平面布局和空间组合的约束性就越强；反之，结构的支承点越集中，其灵活性就越大。从罗马时代的筒形拱衍变成高直式的尖拱拱肋结构；从半球形的穹隆结构发展成带有帆拱的穹隆结构，都表明由于支承点的相对集中而给空间组合带来极大的灵活性。     二、 椼架结构与网架结构

椼架也是一种大跨度结构。在古代，虽然也有用木材做成各种形式的构架作为屋顶结构的，但是符合力学原理的新型椼架的出现却是现代的事。椼架结构虽然可以跨越较大的空间，但是由于它自身具有一定的高度，而且上弦一般又呈两坡后曲线的形式，所以只适合担当作屋顶结构。

网架结构也是一种新型大跨度空间结构。它具有刚度大、变形小、应力分布均匀、能大幅度地减轻结构自重和节省材料等优点。网架结构可以用木材、钢筋混凝土或钢材来做，并且具有多种多样的形式，使用灵活方便，可适应于多种形式的建筑平面的要求。近来国内外许多大跨度公共建筑或工业建筑均普遍地采用这种新型的大跨度空间结构来覆盖巨大的空间。

网架结构可分为单层平面网架、单层曲面网架、单层平板网架和双层穹隆网架等多种形式。但层平面网架多由两组互相正交的正方形网格组成，可以正方，也可以斜放。这种网架比较适合于正方形或接近于正方形的巨型平面建筑。如果把单层平面网架改变为曲面-------拱或穹隆网架，或可以进一步提高结构的刚度并减小构件所承受的弯曲力。从而增大结构的跨度。

三、 壳体结构

一般而言，用轻质高强材料做成的结构，若按强度计算，其剖面尺寸可以大大地减小，但是这种结构在荷载的作用下，却容易因变形而失去稳定并最后导致破坏。而壳体结构正是由于合理的外形，不仅内部应力分配既合理又均匀，同时又可以保持极好的稳定性，所以壳体结构尽管厚度极小却可以覆盖很大的空间。

壳体结构的刚度，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。

壳体结构按其受力情况不同可以分为折板、单曲面壳和双曲面壳等多种类型。在实际应用中，壳体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。而壳体结构既可以单独使用又可以组合起来使用；既可以用来覆盖大面积空间，又可以用来覆盖中等面积的空间；既适合方形、矩形平面要求，又可以适应圆形平面、三角形平面，及至其他特殊形状平面的要求。

四、 悬索结构

由于鋼的强度很高，很小的截面就能够承受很大的拉力，因而在本世纪初就开始用钢索来悬吊屋顶结构。悬索在均匀荷载作用下必然下垂而呈悬链曲线的形式，索的两端不仅会产生垂直向下的压力，而且还会产生向内的水平拉力。单向悬索结构为了支承悬索并保持平衡，必须在索的两端设置立柱和斜向拉索，以分别承受悬索所给予的垂直压力和水平拉力。单向悬索的稳定性很差，特别是在风力的作用下，容易产生振动和失稳。

为了提高结构的稳定性和抗风能力，还可以采用双层悬索或双向悬索。双层悬索结构平面呈圆形，索分上下两层，下层索承受屋顶全部荷载，为承重索；上层索起稳定作用，为稳定索，上下两层索均张拉于内外两个圆环上而形成整体。这种形式的悬索结构承重索与稳定索具有相反的弯曲方向，这两种索交织成索网，经过预张拉后形成整体，具有良好的稳定性和抗风能力。

悬索结构除跨度大、自重轻、用料省外还具有平面形式多样（除可覆盖一般矩形平面外还可以覆盖圆形、椭圆、正方形、菱形乃至其他不规则平面的空间），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。

五、  膜结构

膜结构是空间结构中最新发展起来的一种类型，它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，仅为一般屋盖重量的1/10---1/30。

膜结构按其支承方式的不同，一般包括 (1) 空气膜结构----跨度大时可用气承式，就是在建筑物内部空间注以空气，屋面的拱度一般都较低，以减小欺压，大跨度时往往在建筑物的对角线方向布置交叉的钢索，对膜面起加劲作用。而气胀式空气膜结构则是将膜材做成周围密封的圆形双层，充气后形成飞碟状；或将膜材作成半圆形圆筒，充气后如同半个轮胎，以此为单元组合成各种屋盖。该膜结构主要用在跨度较小的临时性建筑上。 (2) 悬挂膜结构-----一般采用独立的桅杆或拱作为支承结构将钢索与膜材悬挂起来，然后利用钢索向膜面施加张力将其绷紧，这样就形成了具有一定刚度的屋盖。（3） 骨架支撑膜结构------这是以钢骨架代替了空气膜结构中的空气作为膜的支撑结构，骨架可按建筑要求选用拱、网壳之类的结构，然后在骨架上敷设膜材并绷紧，适用于平面为方形、圆形或矩形的建筑物。 （4）复合膜结构----这是膜结构中新的结构体系，由钢索、膜材及少量受压的杆件组成，由于主要用于圆形平面，称“索穹顶”。这个体系包括连续的拉索和单独的压杆，在荷载作用下，力从中心受拉环或椼架通过放射状的径向脊索、谷索、环向拉索、斜拉索传向周围的受压环梁。扇形的膜面从中心环向外环方向展开。通过对钢索施加拉力而绷紧，固定在压杆与接合处的节点上。该结构适用于大跨度的圆形或椭圆形建筑。

以上是现代大跨度建筑的常用结构形式，概括地说，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。因此建筑结构是每个建筑者必须掌握的。

参考书目：

《公共建筑设计原理》    张文忠  主编   中国建筑工业出版社

《中国建筑史》          潘古西  主编   中国建筑工业出版社

《外国建筑史》          陈志华  著     中国建筑工业出版社

《建筑空间组合论》      彭一刚  著     中国建筑工业出版社

《大跨度屋盖结构抗震设计》蓝天 张毅刚  著 中国建筑工业出版社