关于多层大跨超长混合建筑结构设计探究

赵　宇

(山西省煤炭建设监理有限公司，山西太原　030006)

关于多层大跨超长混合建筑结构设计探究

赵宇

(山西省煤炭建设监理有限公司，山西太原030006)

摘要:采用文献资料法和描述性研究法，以多层大跨超长混合建筑为研究对象，阐述了大跨空间结构的具体分类方法，探讨了多层大跨超长混合建筑结构设计过程中主要的设计方式，为多层大跨超长混合建筑结构设计提供了思路。

关键词:建筑结构，结构设计，大跨空间

0　引言

建筑结构设计对建筑本身而言具有极为重要的意义和价值。分析和研究各类建筑结构设计的根本目的是应用经济效益最高的创作手法，确保建筑结构的各项作用和功能在预定期限内能够达到并保持最佳状态。建筑技术的日新月异和建筑经济的发展使得多层大跨度建筑结构在我国得到了长足发展。同时，建筑结构也呈现出越来越多的种类。故而，多层大跨超长混合建筑结构设计的探究显得尤为重要。

1　大跨空间混合结构的分类

大跨空间混合结构在不同研究方向下有着不同的划分方式。按照大跨空间混合结构的材料进行分类，可将其详细地分为木质材料结构、钢筋材料结构、铝合金材料结构以及多种材料综合的复合型材料结构等。而按照大跨空间混合结构的布置进行分类，又可以分为空间结构与平面结构两种。其中，平面结构在主要构件平面上集中体现了外部的荷载作用和内部的支座反力，而空间结构则是在三维空间的基础上实现了对外荷作用的接收和释放。按照大跨空间混合结构的形态来分类，则可以分为面系结构、骨架结构和实体结构等。这三种结构在形态上的不同都可以根据混合结构截面的尺寸大小进行区别和分辨。

除上述三种主要分类方式以外，近几年还兴起另外两种按照大跨空间混合结构在力上的改向差异而划分的新型混合结构，即刚性混合结构和刚柔混合结构。刚性混合结构的构成部件主要由梁单元体系、拱单元体系和杆单元体系三者混合构成(或是三者中的任意两者混合构成)。作为混合结构中最具代表性的刚柔混合结构则主要通过协调融合刚性结构中特有的抗弯曲能力、柔性结构中特有的抗拉伸能力等综合性的能力，进而有效提升大跨空间整体性混合结构的性能和功效。近年来的研究文献和相关资料中已经对新型刚柔混合结构进行了科学合理的划分，将其分为混合加劲体系、混合张拉体系、混合型吊挂体系和半刚性悬挂体系四种大跨空间混合结构类型。

然而，不管是哪种分类，亦或哪种类型的大跨混合结构，在多层大跨超长混合建筑的结构设计中都需要综合应用不同的受力构件。将形态不同和功效不同的构件联合起来，使之成为一个统一和谐的整体。一般情况下，大跨空间的混合机构内部至少会存在两个或两个以上的结构体系，每一个结构系统都必须保证传力和受力的平衡，并且实现子系统和子系统之间的相互协作，进而实现整体结构体系的平衡。只有这样才能有效确保多层大跨超长混合建筑在力学传导上的稳定性和安全性。

2　多层大跨超长混合建筑结构设计的创作方式

2.1并列式的结构设计创作手法

多层大跨超长混合建筑结构设计中的并列( Combination)指的往往是多亲子结构或双亲子结构都非常完整和齐全的一种受力机制类型形态。混合建筑结构在这种受力作用下，子结构之间的力传递会遵循各自结构特点独立完成荷载的接收、力的传递与负荷的释放等，进而在优势上取长补短、协调互补。多层大跨超长混合建筑并列结构设计中多亲子结构或双亲子结构之间跨越的距离很近，支点位置基本上大致相同。

根据混合建筑结构提供弹性支点的不同方式进行划分，可以将多层大跨超长混合建筑结构设计过程中的并列创作手法分为支撑式并列和吊挂式并列两种。两种并列的创作手段在弹性支点供力方式上的具体差异如图1所示。

图1　多层大跨超长混合建筑结构设计中的两种并列创作手段

从图1可以看出，支撑式并列指的是“子结构(一)”以下部支撑方式为“子结构(二)”提供弹性支点。多亲子结构和双亲子结构及其连接构件均为刚性实体，依据子结构相互之间的审美目的和功能需求决定子结构间的关系是平行还是垂直。考虑到多层大跨超长混合建筑结构设计在形态上和力流上的双重要求，通常情况下设计师会利用拱单元体系的结构为其他单元体系结构类型提供多个弹性支点。这种支撑式并列的创作手段因其自身良好的力学指标和跨越能力而受到了结构设计师的广泛喜爱。

另一方面，吊挂式并列是一种将支撑式并列的创作手段直接翻转过来的创作手段。除供力方式不同之外，其向“子结构(二)”提供多个弹性支点的“子结构(一)”也不再是刚性实体，而是极具柔软性的实体。由于悬挂体本身是一个单点质量块，且具有一定的尺度结构。所以，大多数时候可以直接将整个混合吊挂体系看作由吊挂式并列方式构成的一种结构整体。

和支撑式并列的创作方式相比，吊挂式并列的承载体系形式更加灵活多变，比如钢拱承载体系、钢柱承载体系、桁架承载体系和混凝土塔柱的承载体系等;吊挂式并列的形式也有悬挂和斜拉这两种类别;斜拉型的吊挂式并列还下设有五种不同的斜拉形式。吊挂式并列方式中多种多样的创作形式使得多层大跨超长混合建筑结构设计过程中的造型手段丰富多样。

2.2连接式的结构设计创作手法

连接式结构是多亲子结构或双亲子结构在形态结构和受力机制保持不变的情况下，根据结构中各个段落的受力特点，以及不同力学要求，而选取不同连接方式。

例如，利用截面或向量作用下结构体系的悬臂式特点，或者膜形态作用下结构体系的轻质特点进行连接，并从中产生和创作出不同于传统混合结构的全新形态。在众多的连接方式中，多层大跨超长混合建筑结构设计主要有两种连接手段，分别是单侧悬臂式连接和双侧支点式连接。两种连接的差异如图2所示。

图2　多层大跨超长混合建筑结构设计中的两种连接创作手段

从图2可以看出，单侧悬臂式连接为多层大跨超长混合建筑的结构设计提供了一种全新思路。首先根据各个段落的不用力学要求，对结构中起作用的长度进行比对，从而选用不同类型的单侧悬臂式连接体系，以此强化结构体系控制力的可行性与合理性，发挥出单侧悬臂式连接在多层大跨超长混合建筑结构设计中的最大潜力。单侧悬臂式连接对力流的控制精准度较高，不仅连接形式较为丰富，且对不同结构形式的嫁接关系处理也很容易形成建筑物的视觉焦点。

双侧支点式连接和单侧悬臂式连接最大的不同是在多层大跨超长混合建筑结构设计有所不同。这一创作手段的发展具有相对比较长的历史，最早可以追溯到介于连续梁模式和悬臂梁模式之间的格贝梁模式。在多层大跨超长混合建筑结构的形态和功能愈发繁琐和复杂的情况下，双侧支点式连接已经成为混合建筑结构设计体系中一种相当常见的创作手段。最典型的一种双侧支点式连接方式是为了满足多层大跨超长混合建筑在造型和功能上的需求，而在整体结构中的某一段落选择和提取出可以承载这些需求的其他类型子结构。例如，日本下关市唐户市场和大阪著名的游泳馆都是采用这种创作手段来进行混合建筑结构设计。

2.3叠合式的结构设计创作手法

多层大跨超长混合建筑结构设计中的叠合( Superposition)指的是多亲子或双亲子不同的结构类型，以平行或交叉方式放置在整个起作用的区域，利用共同执行力的改向作用而形成的一种设计方法。这种多层大跨超长混合建筑结构设计创作手段可以在最大程度上发挥出不同结构类型的力学优势。即便在混合建筑中的多亲子结构或双亲子结构保留着原有的类型形态和受力机制，混合建筑结构内部力量的分布也会参照各个子结构在受力特点上的差异进行科学合理的配比，通过使不同的子结构承担起不同的传力机制以达到优化体系的目的。根据叠合式创作手段在多层大跨超长混合建筑结构设计中布置方式和坐标方向上的不同，可以将其分为平行式叠合和交叉式叠合这两种创造方式。两种叠合式创作手段的具体受力如图3所示。

图3　多层大跨超长混合建筑结构设计中的两种叠合创作手段

从图3可以看出，平行式叠合指的是混合建筑的多亲子结构或双亲子结构在坐标方式上保持一致，并且利用不同结构类型的受力特点承担不同属性结构应力的一种设计方式。比如，将具有相反挠曲性质的“子结构(一)”和“子结构(二)”进行重叠混合，“子结构(一)”因叠合而发生的变形会被“子结构(二)”的变形所阻止或压制，以此对混合建筑的结构应力实施主动性的控制和管理。

交叉式叠合则是指混合建筑的多亲子结构或双亲子结构不在同一个坐标方式上，而是以交叉式叠合造型所独有的受力特点承担不同属性结构应力的一种设计方式。这种设计方式的主要优势就在于通过更为复杂的交叉形态将多层大跨超长混合建筑的结构变成一个更加有机整合的受力整体。

3　结语

多层大跨超长混合建筑结构设计的流程主要包括了建筑概念、系统优化、智能评估和建造，无论哪一设计流程中都要综合参考并列、连接和叠合等多种创作手法的适用性和实用性进行多层大跨超长混合建筑的结构设计。另一方面，多层大跨超长混合建筑结构设计更能彰显建筑物的时代特征，突出显著优势。因此，多层大跨超长混合建筑结构设计是现代建筑设计和审美提高的重要方法之一。

参考文献:

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［4］孔相立，刘学林.超高层建筑结构施工模拟技术最新进展与实践［J］.施工技术，2012( 14) :1-12，76.

Exploration on multilayer large-span super-long mixed building structure design

Zhao Yu
( Shanxi Coal Construction Supervision Limited Company，Taiyuan 030006，China)

Abstract:Using the literature material method and description research method，taking the multilayer large-span super-long mixed building as the research object，this paper elaborated the specific classification methods of large-span spatial structures，discussed the main design ways in multilayer large-span super-long building structure design process，provided thought for multilayer large-span super-long mixed building structure design.

Key words:building structure，structure design，large-span space

作者简介:赵宇(1985-)，男，工程师

收稿日期:2015-11-24

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0036-02

中图分类号:TU318

文献标识码:A