大跨度建筑結(jié)構(gòu).doc

大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑造型實(shí)例分析大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑造型實(shí)例分析學(xué) 院: 建筑城規(guī)學(xué)院 班 級: 建筑131 姓 名: 王宇軒 （20130511031） 孫偉耀 （20130511030） 陳一凡 （20130511024） 人類自古就夢寐著創(chuàng)造能容納大規(guī)模活動(dòng)的室內(nèi)空間。大空間建筑雖然在古希臘古羅馬時(shí)代己經(jīng)出現(xiàn)，如當(dāng)時(shí)可容納幾萬人的大劇場和大角斗場，但當(dāng)時(shí)的材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)條件卻無法建造成能覆蓋上百米跨度的屋頂結(jié)構(gòu)，結(jié)果只能建成露天的大劇場和露天的大角斗場。久負(fù)盛名的古羅馬萬神廟頂為最早出現(xiàn)的大空間結(jié)構(gòu)，其圓頂跨度達(dá)到43.43 m，并且這個(gè)紀(jì)錄一直保持了1800年。當(dāng)時(shí)聰明的古羅馬人通過把彎窿內(nèi)壁做成藻井式、根據(jù)不同部位受力的大小和受力特征采用不同性能的混凝土骨料以及改變壁厚的手法，成功的解決了增加彎窿的剛度、減輕自重以防止彎窿底部向外開裂的問題，從而顯示出當(dāng)時(shí)高超的工程技術(shù)水平。但相對的，也擺脫不了當(dāng)時(shí)技術(shù)的局限，萬神廟彎頂每平方米重達(dá)9 噸，壁厚最厚處達(dá)到6.1米，而現(xiàn)代技術(shù)對于直徑40米左右跨度的圓球殼，每平方米重量僅為200公斤，壁厚僅為幾厘米。大空間建筑真正得到迅速發(fā)展還是在十九世紀(jì)后半葉以后，特別是第二次世界大戰(zhàn)后的最近幾十年中，隨著結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新及各種相關(guān)的建筑技術(shù)的巨大變化，塑造出變幻莫測，形式豐富的大空間建筑形象。 薄膜結(jié)構(gòu)的歷史悠久，原始社會(huì)中游牧部落使用的帳蓬是張拉膜結(jié)構(gòu)的原型。但這兩種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用卻比較遲緩，而張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展則不過是近幾十年的事情。膜結(jié)構(gòu)是由多種高強(qiáng)薄膜材料及加強(qiáng)構(gòu)件（鋼架、鋼柱或鋼索）通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀，作為覆蓋結(jié)構(gòu)，并能承受一定的外荷載作用的一種空間結(jié)構(gòu)形式。 薄膜結(jié)構(gòu)是最近發(fā)展起來的張拉結(jié)構(gòu)中建筑與結(jié)構(gòu)完美結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。它以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料，可以向膜內(nèi)充氣，使空氣壓力支撐膜面，也可以利用柔軟形的拉索結(jié)構(gòu)或剛性的支撐結(jié)構(gòu)將薄膜繃緊或撐起，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。薄膜既承受膜面內(nèi)的張力，作為結(jié)構(gòu)的一部分;又可防雨擋風(fēng)，起維護(hù)作用;同時(shí)還可采光，以節(jié)省室內(nèi)照明的能源。膜材本身的剛度幾乎為零，但通過不同的支撐體系使薄膜承受張力而形成具有一定剛度的穩(wěn)定曲面。薄膜結(jié)構(gòu)的建筑造型是結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)造的布局而自然產(chǎn)生的，力的平衡狀態(tài)直接被表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的形狀上，這就使薄膜結(jié)構(gòu)成為一種建筑與結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合的新型大跨度結(jié)構(gòu)型式。 薄膜結(jié)構(gòu)主要分為充氣薄膜結(jié)構(gòu)、懸掛薄膜結(jié)構(gòu)、骨架支撐薄膜結(jié)構(gòu)等。 充氣薄膜結(jié)構(gòu)是利用薄膜材料制成氣囊，充氣后形成建筑空間，并承受外力，故稱為充氣薄膜結(jié)構(gòu)。充氣薄膜結(jié)構(gòu)按照承力方式分為氣承式、氣肋式、氣墊式三種。氣承式充氣建筑利用薄膜內(nèi)外空氣的壓差把薄膜撐起來，形成使用空間。它可以只用薄膜來形成完整的建筑，也可以和圍護(hù)結(jié)構(gòu)配合，薄膜只用作屋蓋。氣肋式充氣建筑以充了氣而具有剛性的管子作為構(gòu)架，外面覆蓋薄膜作面層，形成使用空間，空間內(nèi)外輪廓就是充氣管子構(gòu)成的形狀。氣墊式充氣建筑就像密閉的薄膜袋子，充氣后具有一定剛度，一般只用于屋蓋。除此之外，現(xiàn)在還有充氣薄膜結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)或鋼纜結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的多種新型結(jié)構(gòu)。薄膜多采用尼龍、維尼龍、氟化乙烯樹脂織成的玻璃纖維布或PVC材料織成的纖維布等制成。自從40年代美國建造了第一批充氣薄膜結(jié)構(gòu)建筑后，充氣薄膜結(jié)構(gòu)建筑漸漸發(fā)展起來。這種結(jié)構(gòu)的造型美觀，而且能適用于各種形狀的平面，薄膜材料的透明度高，即使跨度很大的建筑不設(shè)天窗也能滿足防震救災(zāi)等臨時(shí)性建筑。圖1是建于1959年的波士頓藝術(shù)中心劇場。這是一個(gè)直徑為44m的圓盤形充氣屋蓋，中心高6m,雙層屋面是用拉鏈聯(lián)起來的，固定于支承在柱子上的受壓鋼環(huán)上。整個(gè)屋面傾斜，以使底部凸面有利于音響效果。 圖 1 懸掛薄膜結(jié)構(gòu)是從帳篷結(jié)構(gòu)得到啟示發(fā)展而來的。它采用桅桿、拱、拉索等支撐構(gòu)件將薄膜張掛起來，利用柔性索向膜面施加張力將膜繃緊，形成穩(wěn)定的薄膜屋蓋結(jié)構(gòu)。它造型新穎，適合于中小跨度的建筑物。沙特阿拉伯首都利雅得法赫德國際體育館的輕型遮陽屋蓋是世界上最大的懸掛薄膜結(jié)構(gòu)之一(圖2）。體育場場地平面形狀呈橢圓形，最大尺寸188.7mX 128m，面積近19000 m2 0 24根帳篷主桅桿布置在外圍直徑為246m的圓周上。覆蓋于屋蓋的薄膜材料為玻璃纖維織物加聚四氯乙烯涂層，是半透明的，結(jié)構(gòu)本身就形成了美好的建筑外形，很受人們稱贊。圖 2張拉膜結(jié)構(gòu)是利用骨架、網(wǎng)索將各種現(xiàn)代薄膜材料繃緊形成建筑空間的一種結(jié)構(gòu)型式。薄膜本身不承受荷載，只有將它繃緊后才能受力，所以這種結(jié)構(gòu)只能承受拉力，而且在任何情況下都必須保持受拉狀態(tài)，否則就會(huì)失去穩(wěn)定。張拉膜結(jié)構(gòu)輕巧柔軟、透明度高、采光好、省材料、構(gòu)造簡單、安裝快速、便于拆遷、外形千姿百態(tài)，因而在世界各地逐步興建了許多這種建筑。張拉膜結(jié)構(gòu)適用于各種建筑平面，主要用于臨時(shí)性或半永久性建筑，如供短期使用的博覽會(huì)建筑、體育建筑、文藝演出建筑和進(jìn)行其他活動(dòng)的臨時(shí)性建筑。 張拉膜結(jié)構(gòu)起源于古代的帳篷概念。五十年代出現(xiàn)了一些小型張拉膜結(jié)構(gòu)，主要是靠模型和試驗(yàn)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于大型公共活動(dòng)的發(fā)展和需要，加上建筑材料工業(yè)、化學(xué)工業(yè)的新產(chǎn)品不斷問世，使人們認(rèn)識到古老的帳篷也是一種可以適應(yīng)新形勢的、具有可行性的結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)，電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使變化不定的張拉膜結(jié)構(gòu)計(jì)算難題得到解決，由此現(xiàn)代張拉膜結(jié)構(gòu)開始不斷發(fā)展創(chuàng)新。進(jìn)入90年代后張拉膜結(jié)構(gòu)體系發(fā)展迅速，這類造形獨(dú)特的建筑物需要建筑師與結(jié)構(gòu)工程師密切配合或集于一身去進(jìn)行建筑造型創(chuàng)造與設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)CAD造型功能的提高、計(jì)算分析的快捷與準(zhǔn)確無疑會(huì)成為設(shè)計(jì)創(chuàng)作的密切助手。建筑師對張拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的濃厚興趣，導(dǎo)致了許多創(chuàng)意新穎，結(jié)構(gòu)體系合理，功能完善的新建筑出現(xiàn)。目前世界上單體規(guī)模最大的膜結(jié)構(gòu)是英國的千年彎頂(Millennium Dome圖3千年彎頂）位于倫敦東部泰晤士河畔的格林威治半島上，是英國政府為迎接21世紀(jì)而興建的標(biāo)志性建筑。彎頂直徑320m，周圈大于1000m，有12根穿出屋面高達(dá)1 OOm的桅桿，屋蓋采用圓球形的張力膜結(jié)構(gòu)。膜面支承在72根幅射狀的鋼索上，這些鋼索則通過間距25m的斜拉吊索與系索為桅桿所支撐，吊索與系索同時(shí)對桅桿起穩(wěn)定作用。另外，還設(shè)有四圈索析架將鋼索聯(lián)成網(wǎng)狀。千年彎頂產(chǎn)生于全世界范圍為迎接對世紀(jì)到來的慶典，在建造過程中受到了不少贊揚(yáng)與批評，但最終的結(jié)構(gòu)還是顯示了美好的形象。圖 3 現(xiàn)代建筑所確立的重要原則之一就是利用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)技術(shù)將新的建筑形式合理化。在一些成功的大跨度建筑實(shí)例中，往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)因素同時(shí)參與建筑表現(xiàn)。一些建筑實(shí)踐中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件不僅表現(xiàn)為建筑支撐骨架的作用，且作為一種整體裝飾成分、一種特殊的造型表現(xiàn)元素在起作用，出現(xiàn)一些以結(jié)構(gòu)構(gòu)件為主體的建筑構(gòu)成。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特性是內(nèi)在力學(xué)性質(zhì)的外顯特征，是建筑形象塑造的外在要素。日本建筑師安藤忠雄曾說:建筑是以幾何來表現(xiàn)世界的藝術(shù)。一些自身具有一定幾何特性的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可像“符號”和“語言”一樣，起到傳遞美學(xué)信息樹立美好形象的作用。從傳統(tǒng)的建筑構(gòu)圖概念看，一些結(jié)構(gòu)形式中的構(gòu)件往往是多余的。其實(shí)不然，在許多情況下，這些容易被抹除的結(jié)構(gòu)構(gòu)件正是加強(qiáng)建筑形象和個(gè)性表現(xiàn)的“符號”和“語言”，問題在于建筑構(gòu)圖手法的運(yùn)用是否有靈活性和獨(dú)創(chuàng)性。柱、梁、析架、索、拱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件都可以構(gòu)成不同的“符號”和“語言系統(tǒng)”，在建筑物的局部將某種結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為“符號或語言”來加以利用，利用符號和語言系統(tǒng)的“所指”或“感化”作用，不單會(huì)加深人們對建筑物的視覺印象，而且還能在相當(dāng)大的程度上，體現(xiàn)建筑師所追求的某種建筑風(fēng)格。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何表現(xiàn)，現(xiàn)技術(shù)美。另外，很多建筑還利用鋼材抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，以斜拉桿件中張力所呈現(xiàn)出的緊張感和力度感給人們以視覺沖擊。由于富有表現(xiàn)力的鋼構(gòu)架常常暴露在外，所以外露的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)自然成為建筑形象的有機(jī)組成部分，構(gòu)造節(jié)點(diǎn)便被賦予了特殊的意義，它與古典的柱頭一樣，具有明顯的造型作用。其高質(zhì)量的工藝水平，更能表達(dá)人們的技術(shù)審美情況，多采用巨型構(gòu)架的造型和坦露結(jié)構(gòu)構(gòu)件的手法展同時(shí)也給建筑師們更多的表現(xiàn)空間。 如法國里昂飛機(jī)鐵路客運(yùn)站(圖4)的建筑外形采用欲將起飛的鳥的翅膀的造型，由玻璃和鋼所構(gòu)成的建筑形態(tài)表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的張力和拉力，結(jié)構(gòu)中通過屋頂起伏的深度拉緊四個(gè)跨越大廳的輕質(zhì)支撐拱(拱的作用力集中在兩側(cè)單一的混凝土腿上)，拱下的鋼肋則支撐著圍護(hù)大廳的巨大的玻璃墻。客運(yùn)站這種雕塑感的立體造型較好地照顧了從空中俯視或平視的透視效果。位于剖面中部的大廳不僅溝通了下部地鐵與上部機(jī)場的聯(lián)系，而且縮短了外部交通距離，室內(nèi)外流動(dòng)感。人們可以看到結(jié)構(gòu)構(gòu)件由下部混凝土到上部鋼材料的重要轉(zhuǎn)換。整個(gè)設(shè)計(jì)表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)構(gòu)件與空間造型的完美結(jié)合?？傊@些幾何特征鮮明的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，就像文學(xué)和繪畫藝術(shù)的語言和符號一樣，強(qiáng)化了建筑的行為特征，增強(qiáng)了建筑形象的表現(xiàn)力和可識別性。圖 4結(jié)構(gòu)構(gòu)件的聯(lián)系靠節(jié)點(diǎn)來完成。無論是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的樺卯連接，還是現(xiàn)代網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的球節(jié)點(diǎn)，都發(fā)揮著重要的作用。作為結(jié)構(gòu)技術(shù)的一種表現(xiàn)手段，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造往往是人們視覺的焦點(diǎn)，是制作粗糙還是加工精美，直接反映出建筑的水準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)與構(gòu)造“制造”到精密的程度時(shí)，建筑就有了它的時(shí)代感，因?yàn)楣I(yè)化的水平和機(jī)械制造的精細(xì)程度直接相關(guān)，當(dāng)這種超乎尋常的技術(shù)理性在建筑建造時(shí)充分表達(dá)出來時(shí)，建筑及結(jié)構(gòu)也就成為了藝術(shù)，如德國柏林索尼中心(圖5），建筑師把整個(gè)結(jié)構(gòu)與結(jié)點(diǎn)裸露在外，取得了良好的藝術(shù)效果。圖 5 昆山市體育中心體育館新館是由昆山市政府新建的現(xiàn)代化的體育館。它占地560畝，擁有一個(gè)3萬人體育場、一個(gè)5000人座位的體育館、一個(gè)棒球場和其它相應(yīng)配套設(shè)施，工程總投資5.6億元，北側(cè)與昆山森林公園隔路相望，視野開闊、環(huán)境優(yōu)美。該中心由中國工程院院士、著名體育場館設(shè)計(jì)專家魏敦山教授領(lǐng)銜設(shè)計(jì)，由于我的師長也參與其中，所以我才有幸對魏教授的作品作近距離的研究。 體育場館均為薄膜結(jié)構(gòu)，文章的前部分提到過薄膜結(jié)構(gòu)是最近發(fā)展起來的張拉結(jié)構(gòu)中建筑與結(jié)構(gòu)完美結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，主要分為充氣薄膜結(jié)構(gòu)、懸掛薄膜結(jié)構(gòu)、骨架支撐薄膜結(jié)構(gòu)等。本設(shè)計(jì)屬于骨架支撐薄膜結(jié)構(gòu)，它是利用骨架、網(wǎng)索將各種現(xiàn)代薄膜材料繃緊形成的一種建筑空間結(jié)構(gòu)型式。薄膜本身不承受荷載，只有將它繃緊后才能受力，所以這種結(jié)構(gòu)只能承受拉力，而且在任何情況下都必須保持受拉狀態(tài)，否則就會(huì)失去穩(wěn)定。張拉膜結(jié)構(gòu)輕巧柔軟、透明度高、采光好、省材料、構(gòu)造簡單、安裝快速、便于拆遷、外形千姿百態(tài)，因而在世界各地逐步興建了許多這種建筑。昆山體育館（圖6)位于體育場的旁邊，平面形狀呈橢圓形，其中長軸為126.4m，短軸為98.45m，建筑面積約22860 m2，設(shè)備和附屬設(shè)施置于地下室，地上一層全為運(yùn)動(dòng)功能區(qū)，包括一個(gè)籃球比賽廳，兩個(gè)籃球訓(xùn)練場，兩個(gè)多功能活動(dòng)廳?？磁_(tái)座位是活動(dòng)的，可以根據(jù)使用功能的需要任意增加或減少，甚至拆除，這是大型公共建筑設(shè)計(jì)與其它建筑設(shè)計(jì)不同點(diǎn)之一:大跨度建筑的多功能要求，皆因業(yè)主考慮口后經(jīng)濟(jì)效益使然。這樣，對空間的需求或是尺度較大、或是功能分區(qū)很復(fù)雜，對視覺、聲學(xué)、疏散和內(nèi)外環(huán)境等等必然提出更多的要求。盡管對建筑師的要求是一次性設(shè)計(jì)，卻要以不變應(yīng)萬變，必須以前詹性的眼光去構(gòu)思每一處細(xì)部。圖 6 館的主體部分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屋面為骨架支撐薄膜結(jié)構(gòu)，整個(gè)屋面的設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生與裸露結(jié)構(gòu)構(gòu)件的綜合表現(xiàn)手法。從結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生手法來看:整個(gè)屋面結(jié)構(gòu)模仿龜殼，中間的落地析架拱作為龜殼的脊骨，兩側(cè)銀灰色的薄膜被鋼骨架固定成連續(xù)起伏龜殼形，較好的照顧了空間的俯視效果，更為獨(dú)特的是建筑的側(cè)立面效果卻似一只展翅的蝴蝶，真是妙趣橫生。設(shè)計(jì)師在運(yùn)用訪生手法時(shí)清楚的知道幾何相似容易而材料相似很難，龜殼雖薄而堅(jiān)硬，但若放大數(shù)百倍、上千倍，則連其自重都將難以承受，因此應(yīng)著眼于生態(tài)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在合理性，神似比形似更重要。從利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表現(xiàn)手法來看:建筑師將巨型析架拱裸露在外使整個(gè)建筑立刻獲得了自己的特征，拱將屋面荷載傳至地面，表現(xiàn)了“力量”，顯示出體育建筑的性格。建筑師熟練的運(yùn)用了結(jié)構(gòu)中符合力學(xué)規(guī)律和力學(xué)原理的形式美因素，來增強(qiáng)建筑藝術(shù)的表現(xiàn)力。其實(shí)，這種形式美就是結(jié)構(gòu)構(gòu)件及它們的組合所表現(xiàn)出來的一種構(gòu)成美，一種力學(xué)傳遞美，它的魅力就在于它的簡潔、流暢，以暴露出的結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身而不需通過其它媒介來表達(dá)和創(chuàng)造空間造型。 另一方面，在屋面設(shè)計(jì)中，龜殼形狀正好反映了結(jié)構(gòu)形態(tài)與實(shí)用功能的統(tǒng)一:在體育館的屋面設(shè)計(jì)中，多取中間高兩邊或四周低的形式，這是實(shí)用功能的需求，與周圍環(huán)座的觀眾的心理需求也是一致的。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)形態(tài)上，這也是最易于實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槌鲇谑芰Φ暮侠硇?，通常的拱型結(jié)構(gòu)、彎頂結(jié)構(gòu)及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)都是中間高四周低的形式，而且周邊的支撐結(jié)構(gòu)無額外的功能要求，也不宜做得過高。這樣，主體結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的關(guān)系就與主要建筑空間和輔助建筑空間的關(guān)系取得了一致。 三萬人體育場(圖7)平面形狀也為橢圓形，紅色看臺(tái)沿橢圓長軸方向兩側(cè)對稱布置。該建筑設(shè)計(jì)最獨(dú)特之處為看臺(tái)雨棚，相似的骨架支撐薄膜結(jié)構(gòu)與體育館相呼應(yīng)，體現(xiàn)出和諧統(tǒng)一。看臺(tái)雨棚的設(shè)計(jì)運(yùn)用了幾何形的表現(xiàn)手法:雨棚的骨架為鋼析架，組成單元為切割圓柱面，由兩不垂直于柱面向外傾斜的平面切割圓柱面而形成，上覆以體育館一致的銀灰色的薄膜。28個(gè)獨(dú)