大跨类公共建筑常用结构选型解析

冯 霖

(四川省明杰设计顾问有限公司， 四川成都 610023)

顾名思义，大跨建筑的核心是大跨度结构，所以对于大跨建筑设计来说，与建筑匹配的结构选型尤为重要。大跨度结构不仅仅出现于工业厂房和库房设计中，也普遍应用于各种公共建筑，如：机场车站、体育场馆、影剧院等，而公共建筑的造型往往比较复杂，建筑形态设计如果忽略了结构合理性，结构选型时会增加很多困难，因此建筑师应该对大跨度结构的体系做一定了解。大跨度结构的组成包括层盖结构和主要承重结构，其中尤其能够表现建筑选型的是屋盖结构。

1 现代屋盖结构体系

现代屋盖结构有以下两大类型结构体系：

(1)平面结构体系。就是把结构构件本身作为独立的单元来考虑，假设整体作用等于单个构件作用之和，简化了结构计算工作。属于平面结构体系的屋盖结构有门式刚架结构、薄腹梁结构、平面桁架结构和拱结构等。

(2)空间结构体系。就是把所有组成的构件协同起来，跨越空间工作，不仅比平面工作更符合于力的自然传递路线，整体作用会大于单个构件作用之和，而且多向受力比单向受力更能发挥材料的潜力。属于空间结构体系的屋盖结构有壳体结构、空间桁架结构、网架结构、悬索结构和膜结构等。

这些屋盖结构形式中，大跨类公共建筑的常用结构一般都属于空间结构体系，其中空间桁架和网架最为常见，其次是变化多端的膜结构，悬索结构与膜材进行了结合，成为张拉膜结构的一种，但也有部分采用轻质板材的悬索结构。

2 大跨类公共建筑常用结构选型

2.1 空间桁架

空间桁架是桁架的一种类型，而桁架是从梁式结构发展出来，用于建筑屋盖上的承重结构。其本质是从受弯构件变为由杆件组成的格构体系，从梁的受弯变为杆件的轴向受力，受力情况更为有利，材料强度得以充分利用，可以达到节省材料和减轻自重的效果。桁架具有以下优点：

(1)扩大了梁式结构的适用跨度。

(2)桁架可用钢筋混凝土、钢、木等多种材料制造。

(3)由杆件组成的桁架形态多样。

(4)施工方便，桁架既可以整体制作后吊装，也可以在施工现场进行杆件拼装的空中作业。

早期的桁架因为杆件都在同一个平面内，也被称为平面桁架。随着技术的进一步成熟，平面桁架逐渐向空间桁架发展，最终发展成为网架。空间桁架的优点与平面桁架有类似之处，但杆件处于不同平面，刚度和稳定性更好，在跨度和灵活性、多样性上优势更突出，所以在公共建筑中应用颇为广泛，尤其适用于某些屋盖形态变化较大的大跨建筑。

2.2 网架

和空间桁架一样，网架同样是由平面桁架发展而来的一种屋盖结构，平面桁架是单向受力的平面结构，如果几个平面桁架互相交叉结合起来就形成网架。由此可知，网架就是由复杂的杆件系统组成的超静定次数极高的空间结构，它具有各向受力性能，其支承跨度比桁架进一步增大，而材料消耗却比桁架减少，是大中型跨度屋盖结构的一种理想的结构型式。网架结构具有以下优点：

(1)网架是多向受力的空间结构，比单向受力的桁架适用跨度更大。

(2)由于网架的整体空间作用，杆件互相支持，刚度大稳定性好，网架具有各向受力性能，应力分布均匀，更为节省钢材。

(3)网架是高次超静定结构，结构安全度特别大，倘若某一构件受压屈曲，也不会导致破坏。

(4)网架屋盖的网格形式，在屋面铺设覆盖材料和天花装饰、灯具布置时更为方便，也适用于多种建筑平面形状，包括圆形、方形、多边形等，因此应用非常广泛。

网架结构按外形的不同，可分为曲面网架和平面网架两类。

曲面网架的外形具有单曲或双曲等各种曲面形状，利用一定的起拱度来实现外力的空间传递。曲面网架可以是单层曲面网格，也可以是双层曲面网格，其结构机理与壳体差不多，相当于壳体挖空，所以它也被称做“网壳”。网壳也具有壳体结构的一些短板，比如施工精度要求较高，空间有一些浪费，在建筑平面为矩形时，要考虑承受侧向推力等。不过随着国家经济文化的发展，对公共建筑标识性的要求更高，需要在其造型风格上有更多变化，而曲线型建筑有别于一般城市中大量方盒子的风格也比较突出，所以目前在大跨类公共建筑中，有着曲面的网壳结构建筑是很常见的。

平面网架是从外形定名，它不是平面结构而是空间结构，为避免名称上容易误解，我们一般称之为“平板网架”。平板网架是由平行弦桁架交叉组成，是双层平面网格。它是无推力的空间结构，不存在材料去对付推力的问题，是一种合理经济的网架形式，在国内外广泛应用。按网格的组成形式，平板网架可以划分为三大类。

(1)是由平面桁架系组成的网架，包括两向正交正放网架、两向正交斜放网架、两向斜交斜放网架、三向网架等。

(2)是由四角锥体组成的网架，包括正放四角锥网架、斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星形四角锥网架等。

(3)是由三角锥体组成的网架，包括普通三角锥网架、蜂窝形三角锥网架等。

网架与空间桁架相比，对屋盖形态的要求更高，需要相对规整平滑，同时因为是多向受力，需要的支撑面也更多，灵活性要差些，但在它适用的范围内较桁架更为经济。

网架选型涉及的因素很多，如具体工程的平面形状和尺寸大小、网架的支承方式、荷载的种类及量级、屋面构造和材料、建筑造型、功能要求以及网架的制作安装方法等。上述因素都应在选型工作中进行认真的综合比较，以便能选择出符合实际情况，而且技术经济效果更好的网架形式。只有空间作用好，构造简单，赘余杆件少的网架才能取得最优的技术经济效果。

2.3 膜结构

相比空间桁架和网架，膜结构算是比较新的一种大跨结构形式，虽然也是空间结构体系的一种，但它与其他空间结构形式颇为不同。除了骨架支承式膜结构，在张拉膜结构和充气式膜结构中，作为建筑面层的膜材也是结构支承的部分，设计时一方面要考虑它的围护作用，另一方面要考虑它的力学性能与受力情况，选材工作相对复杂。设计师需要对膜材的分类和特性、产品的各种属性指标以及膜结构不同支承方式的优缺点都有一定了解，在此基础上才能把握好建筑设计的要点，与结构形式相匹配。膜结构广泛应用于博览、体育、景观等建筑类型中，对丰富公共建筑形态起了很大作用。

3 案例分析

作者结合曾参加和接触过的一些大跨类公共建筑项目，对其中结构选型如何与建筑设计配合的情况做一个介绍，通过这些实际工程的案例分析，进一步加深了解。

(1)案例1。重庆袁家岗体育中心游泳、跳水馆(图1)位于重庆市高新技术产业开发区奥林匹克体育中心内。建筑设计采用两馆分设，空间造型整合为一体的方式。馆内设有一个25 m×50 m(2.4～3.2 m深)国际标准游泳池、一个16 m×25 m短池(兼训练池)、一个25 m×25 m×5.5 m跳水池。能承接国际国内的游泳、跳水、水球和花样游泳等比赛。游泳馆、跳水馆分别可容纳观众1 925人和605人。

图1 重庆袁家岗体育中心游泳、跳水馆

游泳跳水馆屋盖造型新颖，两馆组合平面形状为梭形，在其中部断开使两馆屋盖部分完全独立，各馆屋盖均为一端大悬挑而另一端为开口边的半梭形平面形状。屋脊和屋檐均为圆弧线，屋盖为沿屋脊和屋檐移动的变直径圆弧形成的空间曲面。完整的梭形长轴为208 m，短轴82 m。两馆网壳投影面积分别为7 918 m2和4 864 m2，短向跨度为 66 m，两端悬挑长度分别为32.75 m和28.80 m。屋盖结构采用四角锥焊接空心球节点钢管网壳，下部结构采用钢筋混凝土框架结构，基础采用大直径嵌岩桩。

(2)案例2。重庆袁家岗体育中心体育场(图2)是重庆市为举办2004年亚洲杯足球赛而兴建的大型体育设施，能容纳观众6万人，总建筑面积63 000 m2。根据建筑造型设计，作为主看台的东西看台上空各设置了一个平面投影为梭形的罩棚，该罩棚南北两落地点直线距离312 m，东西方向最大宽度78 m，最大悬挑长度68 m，最高点距地约60.3 m，单块罩棚覆盖面积为17 900 m2。罩棚结构表面是一个光滑完整的曲面，与先期修建的游泳跳水馆屋盖外形相协调，显得轻盈飘逸。

图2 重庆袁家岗体育中心体育场

本工程看台框架基础采用大直径人工挖孔桩，罩棚采用了超大跨度非闭合状球面空间双层钢网壳结构，网壳落地支座采用重力式抗推基础。网格形式为双向平行弦等厚度空间钢管网壳结构(仅在两端落地支座附近局部区域采用三角锥网格，以满足建筑造型需要)，并在网壳前端设置了一榀加劲桁架以增加开口边结构刚度。为进一步保证网壳的整体稳定，增加结构刚度，减小结构变形，调整网壳内力分布使荷载就近传向支座，在网壳上下弦平面内结合灯桥、马道布置，沿环向和径向均增设了若干条斜向支撑加强带。沿网壳上弦平面周边设置斜腹杆，形成前后两条交汇的拱形边缘构件，进一步提高了网壳的整体性。该网壳结构的设计达到了世界先进水平，结构和建筑的完美配合使项目获得了国家金奖。

(3)案例3。青岛国信体育中心分为体育场、体育馆、综合训练馆、游泳跳水馆、网球中心、媒体中心、全民健身广场及立体车库、备用馆等八个区域，其中青岛国信体育馆(图3)位于体育中心的西北侧，分为普通馆和冰雪馆两部分，国信体育馆曾举办过第十一届全国运动会花样滑冰比赛以及苏迪曼杯羽毛球公开赛等比赛。

图3 青岛国信体育馆

体育馆钢结构屋盖是由60块三角形平板网架(网格空间构成形式采用三角锥)组成空间折板球形网壳，外形像一颗钻石巧妙地镶嵌于整个椭球状钢筋混凝土主体结构之中。屋盖投影面积14 122 m2，展开面积18 284 m2，跨度 110 m，周边最大悬挑长度11 m，沿圆周共设36个支座，支承于下部钢筋混凝土人字形格构柱上，并由柱帽形式支撑整个网壳。从空中俯看体育馆外形像一颗钻石一样闪闪发亮，所以得名“钻石体育馆”。

(4)案例4。成都东客站(图4)是成都市的大型综合性铁路客运枢纽，其站房总建筑面积约11万m2，近期旅客发送量20.7万人/d，办理客车374对，远期旅客发送量37.6万人/d，办理客车560对。站房建筑总高度40.9 m，采用了立体式的建筑设计理念，候车、乘车和地铁换乘分别位于不同的建筑层内，从下到上依次设计为地铁层、站台层、高架候车层及屋盖层。

图4 成都东客站

地铁层和站台层采用钢筋混凝土结构体系，高架候车层和屋盖层采用大跨度钢结构体系，基础采用钻孔灌注桩。高架候车层和屋盖层结合建筑功能和空间需要，分别采用了与之相适应的钢结构体系。高架候车层的主要柱网尺寸为21 m×21.5 m，最大柱网尺寸达到24 m×25.3 m，采用钢结构框架，为满足车站站房建筑复杂的设备管线需要，框架梁采用平面桁架形式，桁架高度为3 m。屋盖南北方向最大跨度达150 m，并在两边分别悬挑27 m，结构总宽度204 m。根据建筑室内的空间造型需要和结构自身的受力特点，采用了空间管桁架形式，沿南北向分别布置了两种不同高度和形式的桁架，并在东西方向的必要位置布置了联系桁架。不仅充分的满足了建筑室内的空间及造型要求，同时也有效地利用了大跨度空间结构的特性，充分发挥了各部分结构的性能。站房东西主入口外侧各布置了两个脸谱柱，既作为屋盖钢结构桁架的支座，同时也是建筑设计的地域文化元素。

(5)案例5。成都双流国际机场(图5)是中国西南地区重要的航空枢纽港和客货运集散基地。机场T2航站楼工程采用指廊集中式布局，由一个主楼中央处理大厅通过连廊统领四个指廊。

图5 成都双流机场

T2航站楼下部结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，屋面形式采用单元重复式，由一对倾斜主拱和三向柱面网壳组成的“竹叶”构成屋面结构基本单元。大厅拱跨125.2 m，汇交于最低点的斜拱间距32 m，在最高点“竹叶”间距为4 m，在拱中部建筑幕墙外侧布置有梭形斜柱一道。指廊和连廊拱跨38 m，汇交于最低点的斜拱间距16 m，在最高点“竹叶”间距为4 m，在指廊端部拱跨渐变至58 m。结构根据建筑功能设缝，将大厅、连廊、指廊分为七个相对部分，完全相同的标准单元分别组成大厅、指廊和连廊屋面，主拱通过网壳共同形成屋面刚度。沿 “竹叶”边设置的主拱倾斜，使屋面结构纵横向动力特性相近。与主拱相连的网壳拉杆为主拱平面外稳定提供支撑。单跨拱形结构使出发区形成无柱空间，为航站楼布局提供足够的灵活性，易于适应航空公司运营变化的需求，同时也为人行道和汽车道提供拱形遮篷。单层网壳有效地减小屋面结构的高度，并与T1建筑结构形式协调，形成一个新的整体。重复的标准单元可使制作安装简易，经济效益提离，并利于今后扩建。

(6)案例6。西南交通大学新校区体育场(图6)位于学校的郫县新校区内，建筑面积17 990 m2，地面看台下3层，建筑总高度30.75 m，可容纳观众15 000人。

图6 西南交通大学新校区体育场

主看台框架采用全现浇钢筋混凝土结构，基础为独立柱基础及人工挖桩。罩棚采用了大悬挑钢桁架张拉膜结构，外观呈连续波浪形起伏，每榀钢桁架的上弦为一个波峰，每相邻两榀桁架间的谷索为一个波谷，波浪形膜面以体育场中轴为对称轴呈扇形排开，膜面两端各有一片三角形膜，通过钢索与地面上的钢柱连接，将侧向力传到地面，以保证整个结构的侧向稳定和受力平衡。看台中间的主席台处，罩棚悬挑最大尺寸为38 m左右，两侧最小悬挑尺寸为11 m左右，膜面采用PVC(聚氟乙烯)涂层聚酯纤维膜材，作为桁架间横向连接，每两榀桁架间有一根谷索拉压，钢桁架为正三角形断面，以看台最后部伸出的外圈框架柱顶作为桁架的主要受力支座。框架柱顶向上设有钢立柱来支撑膜面以上的拉压钢索，桁架的尾端伸出看台后部，通过钢拉杆与地面基座相连，框架柱在看台层的底部加设了钢拉索与桁架连接，通过这一系列加强构件的上下拉压作用，使桁架形成一个稳定的结构，能有效抵抗罩棚风荷载作用下可能产生的倾覆。由于中段桁架前端悬挑较大，而在罩棚的两侧又回收减少了悬挑，形状有所改变，导致靠近两侧的看台外圈柱顶的扭矩值较大，为了保证这部分桁架的稳定，该部分的柱做了加强，同时还在看台顶增设了一道连梁连接外圈框架柱，通过连梁上的钢杆将罩棚尾部连接一体，一方面减小了桁架在水平荷载作用下柱顶的扭矩，另一方面这道连梁也是桁架间张拉谷索的尾端固定支座。