大跨建筑完整版

大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑造型實例分析一、概述人類活動對建筑空間提出了新的要求。人類在滿足基本功能需要的同時，也在展示自己聰明才智和改造自然的偉大力量。在空間上對大跨的追求一直是人類的夢想。建筑物的跨度和規(guī)模越來越大，目前，尺度達150m以上的超大規(guī)模建筑已非個別；結(jié)構(gòu)形式豐富多彩，采用了許多新材料和新技術(shù)，發(fā)展了許多新的空間結(jié)構(gòu)形式。例如1975年建成的美國新奧爾良“超級穹頂”（Superdome），直徑207m，長期被認為是世界上最大的球面網(wǎng)殼；現(xiàn)在這一地位已被1993年建成直徑為222m的日本福岡體育館所取代，但后者更著名的特點是它的可開合性：它的球形屋蓋由三塊可旋轉(zhuǎn)的扇形網(wǎng)殼組成，扇形沿圓周導(dǎo)軌移動，體育館即可呈全封閉、開啟1／3或開啟2／3等不同狀態(tài)。1983年建成的加拿大卡爾加里體育館采用雙曲拋物面索網(wǎng)屋蓋，其圓形平面直徑135m，它是為1988年冬季奧運會修建的，外形極為美觀，迄今仍是世界上最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。70年代以來，由于結(jié)構(gòu)使用織物材料的改進，膜結(jié)構(gòu)或索-膜結(jié)構(gòu)（用索加強的膜結(jié)構(gòu)）獲得了發(fā)展，美國建造了許多規(guī)模很大的氣承式索-膜結(jié)構(gòu)；1988年東京建成的“后樂園”棒球館，也采用這種結(jié)構(gòu)技術(shù)尤為先進，其近似圓形平面的直徑為204m；美國亞特蘭大為1996年奧運會修建的“佐治亞穹頂”（GeogiaDome，1992年建成）采用新穎的整體張拉式索一膜結(jié)構(gòu)，其準(zhǔn)橢圓形平面的輪廓尺寸達192mX241m。下面我們來分析大跨度結(jié)構(gòu)形式與造型分析二、結(jié)構(gòu)形式與造型分析大跨度建筑通常是指跨度在30米以上的建筑，主要用于民用建筑的影劇院、體育場、展覽館、大會堂、航空港以及其他大型公共建筑。在工業(yè)建筑中則主要用于飛機裝配車間、飛機庫和其他大跨度廠房。1.拱結(jié)構(gòu)及其建筑造型拱是古代大跨度建筑的主要結(jié)構(gòu)形式。由于拱成曲面形狀，在外力作用下，拱內(nèi)的彎矩可以降到最小限度，主要內(nèi)力變?yōu)檩S向壓力，且應(yīng)力分布均勻，能充分利用材料的強度，比同樣跨度的梁結(jié)構(gòu)斷面小，故拱能跨越較大的空間。但是拱結(jié)構(gòu)在承受荷載后將產(chǎn)生橫向推力，為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，必須設(shè)置寬厚堅固的拱腳支座抵抗橫推力。常見方式是在拱的兩側(cè)作兩道厚墻來支承拱，墻厚隨拱跨增大而加厚。很明顯，這會使建筑的平面空間組合受到約束。拱的內(nèi)力主要是軸向壓力，結(jié)構(gòu)材料應(yīng)選用抗壓性能好的材料。古代建筑的拱主要采用磚石材料，近代建筑中，多采用鋼筋混凝土拱，有的采用鋼衍架拱，跨度可達百米以上。拱結(jié)構(gòu)所形成的巨大空間常常用來建造商場、展覽館、體育館、散裝貨倉等建筑。實例1：沈陽奧體中心體育場：可容納6萬人，其南北看臺頂部設(shè)置了一對平行投影為梭形的360m

跨的鋼拱結(jié)構(gòu)，在東西兩端采用平行弦桁架將南北網(wǎng)殼進行局部連接，屋頂鋼結(jié)構(gòu)總重量約11000t,

總建筑面積140000m2。其外形宛如希臘神話勝利女神手中的水晶皇冠。2.剛架結(jié)構(gòu)及其建筑造型剛架是橫梁和柱以整體連接方式構(gòu)成的一種門形結(jié)構(gòu)。由于梁和柱是剛性結(jié)點，在豎向荷載作用下柱對梁有約束作用，因而能減少梁的跨中彎矩。同樣，在水平荷載作用下，梁對柱也有約束作用，能減少柱內(nèi)的彎矩。剛架結(jié)構(gòu)比屋架和柱組成的排架結(jié)構(gòu)輕巧，可以節(jié)省鋼材和水泥。由于大多數(shù)剛架的橫梁是向上傾斜的，不但受力合理，且結(jié)構(gòu)下部的空間增大，對某些要求高大空間的建筑特別有利。同時，傾斜的橫梁使建筑的屋頂形成折線形，建筑外輪廓富于變化。由于剛架結(jié)構(gòu)受力合理，輕巧美觀，能跨越較大的跨度，制作又很方便，因而應(yīng)用非常廣泛。一般用于體育館、禮堂、食堂、菜場等大空間的民用建筑，也可用于工業(yè)建筑，但剛架結(jié)構(gòu)的剛度較差，當(dāng)?shù)踯嚻鹬亓砍^100KN時不宜采用。實例1：新北京南站3.椼架結(jié)構(gòu)及其建筑造型椼架是由桿件組成的一種格構(gòu)式結(jié)構(gòu)體系。桿件與桿件的結(jié)合假定為鉸結(jié)，所以在外力作用下桿件內(nèi)力為軸向力（拉力或壓力），而且分布均勻，故椼架結(jié)構(gòu)比梁結(jié)構(gòu)受力合理。椼架的桿件內(nèi)力是軸向力，而梁的內(nèi)力主要是彎矩，且分布不均勻，梁的斷面大小常以最大彎矩處的斷面尺寸為整個梁的斷面大小，因此梁的材料強度未得到充分利用。椼架內(nèi)力分布均勻，材料強度能充分利用，減少材料耗量和結(jié)構(gòu)自重，使結(jié)構(gòu)跨度增大。所以椼架結(jié)構(gòu)式大跨度建筑常用的一種結(jié)構(gòu)形式，主要用于體育館、影劇院、展覽館、食堂、菜場、商場等公共建筑。為了使椼架的規(guī)格統(tǒng)一，有利于工業(yè)化施工，建筑的平面形式宜采用矩形或方形。實例1：國家體育場（鳥巢）主體鋼結(jié)構(gòu)形成整體的巨型空間馬鞍形鋼桁架編織式“鳥巢”結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量為4.2萬噸，混凝土看臺分為上、中、下三層，看臺混凝土結(jié)構(gòu)為地下1層，地上7層的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。作為屋蓋結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，桁架柱最大斷面達25m×20m，高度達67m，單榀最重達500噸。而主桁架高度12m，雙榀貫通最大跨度145.577+112.788m，不貫通桁架最大跨度102.391m，桁架柱與主桁架體型大、單體重量重。

4.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及其建筑造型網(wǎng)架是一種由很多桿件以一定規(guī)律組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。它具有下列優(yōu)點：桿件之間互相起支撐作用，形成多向受力的空間結(jié)構(gòu)，故其整體性強、穩(wěn)定性好、空間剛度大，有利于抗震；當(dāng)荷載作用于網(wǎng)架各節(jié)點上時，桿件主要承受軸向力，故能充分發(fā)揮材料的強度，節(jié)省材料；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高度小，可以有效的利用空間；結(jié)構(gòu)的桿件規(guī)格統(tǒng)一，有利于工廠化生產(chǎn)；網(wǎng)架形式多樣，可創(chuàng)造豐富多彩的建筑形式。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要用來建造大跨度公共建筑的屋頂，適用于多種平面形狀，如圓形、方形、三角形、多邊形等各種平面建筑。實例1：上海體育館通稱\o"萬人體育館"萬人體育館在\o"徐匯區(qū)中山南二路"徐匯區(qū)中山南二路漕溪北路。\o"1975年"1975年建成。占地10．6萬平方米，建筑面積4.

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萬平方米。正門內(nèi)大道兩旁，聳立著30米高的兩個高住照明塔，頂端為直徑5米的圓形燈盤，內(nèi)裝1000瓦金屬鹵素放電燈18只。主體是圓形的\o"比賽"比賽館，直徑114米，高33米，頂蓋采用鋼管網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，用9000多根無縫鋼管和938只鋼球拼焊而成，重達660噸。5.折板結(jié)構(gòu)及其建筑造型折板結(jié)構(gòu)是以一定傾斜角度整體相連的一種薄板體系。折板結(jié)構(gòu)通常用鋼筋混凝土建造，也可用鋼絲網(wǎng)水泥建造。經(jīng)濟跨度9-4M。折板結(jié)構(gòu)由折板和橫隔構(gòu)件組成，在波長方向，折板猶如一塊折疊起伏的鋼筋混凝土連續(xù)板，折板如同一鋼筋混凝土梁，其強度隨折板的矢高（f）而增加。橫隔構(gòu)件的作用是將折板在支座處牢固地結(jié)合在一起，如果沒有它，折板會坍塌而破壞。橫隔構(gòu)件可根據(jù)建筑造型需要來設(shè)計，如鋼筋混凝土橫隔板、橫隔梁等。折板的波長不宜太大，否則板太厚，不經(jīng)濟，一般不應(yīng)大于12M?？缍扰c波長之比大于等于1時成為長折板，小于1時成為短折板。為了獲得良好的力學(xué)性能，長折板的矢高不宜小于跨度的1∕15-1∕10，短折板的矢高則不宜小于波長的1∕8.折板結(jié)構(gòu)呈空間受力狀態(tài)，具有良好的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)厚度薄，省材料，可預(yù)置裝配，省模板，構(gòu)造簡單。折板結(jié)構(gòu)可用來建造大跨度屋頂，也可用作外墻。實例1：衡陽火車站折板倉庫6.薄殼結(jié)構(gòu)及其建筑造型薄殼結(jié)構(gòu)是用混凝土等剛性材料以各種曲面形式構(gòu)成的薄板結(jié)構(gòu)，呈空間受力狀態(tài)，主要承受曲向內(nèi)的軸內(nèi)力，而彎矩和扭矩很小，所以混凝土強度能得到充分利用。由于是空間結(jié)構(gòu)，強度和剛度都非常好。薄殼厚度僅為其跨度的幾百分之一。而一般的平板結(jié)構(gòu)厚度至少是跨度的幾十分之一。所以薄殼結(jié)構(gòu)具有自重輕、省材料、跨度大、外形多樣的優(yōu)點，可用來覆蓋各種平面形狀的建筑物屋頂。但大多數(shù)薄殼結(jié)構(gòu)的形體較復(fù)雜，多采用現(xiàn)澆施工，費工、費時、費模板，且結(jié)構(gòu)計算較復(fù)雜，不宜承受集中荷載，這些缺點在一定程度上影響了它的推廣作用。實例1：都靈展覽館1947—1949年意大利結(jié)構(gòu)工程師奈爾維和建筑師巴托利(NerviandBartoli)設(shè)計的意大利都靈展覽館的巨形拱頂就是仿葉脈肌理而建造起來的，混凝土骨架和玻璃格組成的拱頂寬93.6m，長75m。都靈展覽館是波形裝配式薄殼屋頂建筑7.懸索結(jié)構(gòu)及其建筑造型懸索結(jié)構(gòu)由索網(wǎng)、邊緣構(gòu)件和下部支撐結(jié)構(gòu)三部分組成，因索網(wǎng)非常柔軟，只承受軸向拉力，既無彎矩也無剪力。索網(wǎng)的邊緣構(gòu)件是索網(wǎng)的支座，索網(wǎng)通過錨固件固定在邊緣構(gòu)件上。根據(jù)不同的建筑形式要求，邊緣構(gòu)件可以采用梁、椼架、拱等結(jié)構(gòu)形式，它們必須具有足夠的剛度，以承受索網(wǎng)的拉力。懸索的下部支撐結(jié)構(gòu)一般是受壓構(gòu)件，常采用柱結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是：充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，利用鋼索來受拉、鋼筋混凝邊緣構(gòu)件來受壓受彎，因而節(jié)省大量材料，減輕結(jié)構(gòu)自重，比普通鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材50%；由于主要構(gòu)件承受拉力，其外形于一般傳統(tǒng)建筑迥異，因而其建筑造型給人以新鮮感，且形式多樣，可適合于方形、矩形、橢圓形等不同的平面形式；由于它受力合理，自重輕，故能跨越巨大的空間而不需要在中間加支點，為建筑功能的靈活安排提供了非常有利的條件；懸索結(jié)構(gòu)的施工比起其他大跨度建筑更方便更快速，因鋼索自重輕，不需要大型施工設(shè)備便可進行安裝。懸索結(jié)構(gòu)的主要缺點是在強風(fēng)吸引力的所用下容易喪失穩(wěn)定而破壞，故在設(shè)計中應(yīng)加以周密考慮。但是跨度在60-150M范圍內(nèi)與其他結(jié)構(gòu)比較，具有明顯的優(yōu)越性。它主要用來覆蓋體育館、大會堂、展覽館等類建筑的屋頂。實例1：美國華盛頓杜勒斯國際機場候機樓1958～1962年E.沙里寧設(shè)計建造。候機樓寬45.6米，長182.5米，上下兩層，屋頂每隔3米有一對直徑2.5厘米的鋼索懸掛在前后兩排的柱頂上。在懸索結(jié)構(gòu)上部鋪設(shè)預(yù)制鋼筋混凝土板構(gòu)成屋面，建筑造型輕盈明快。8.張拉薄膜結(jié)構(gòu)及其建筑造型薄膜結(jié)構(gòu)也稱為織物結(jié)構(gòu)，是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式。它以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料，由膜內(nèi)空氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索或剛性支承結(jié)構(gòu)使膜產(chǎn)生一定的預(yù)張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系。主要有空氣支承膜結(jié)構(gòu)；張拉式膜結(jié)構(gòu)；骨架支承膜結(jié)構(gòu)等形式。自重輕、跨度大；建筑造型自由豐富；施工方便；具有良好的經(jīng)濟性和較高的安全性；透光性和自結(jié)性好；耐久性較差。實例1：佐治亞穹頂1996年在美國亞特蘭大舉行的奧運會主館--佐治亞穹頂，這個240mX192m的橢圓形索膜結(jié)構(gòu)成為世界上最大的室內(nèi)體育館。9.充氣薄膜結(jié)構(gòu)及其建筑造型這種結(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)。它在任何情況下都必須處于受拉狀態(tài)才能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，所以它總是以曲線和曲面來構(gòu)成直接的獨特外形。充氣薄膜結(jié)構(gòu)兼有承重和圍護雙重功能，故大大簡化了建筑的構(gòu)造。薄膜充氣后均勻受拉，能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，省材料，加之薄膜本身很輕，因而可以覆蓋巨大的空間。這種結(jié)果的造型美觀，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)天窗都能滿足采光要求。適合建造充氣結(jié)構(gòu)的體育館、展覽館、餐廳、醫(yī)院等多種類型的建筑，特別是防震救災(zāi)等臨時性建筑和永久性建筑。實例1：國家游泳中心水立方“水立方”是世界上最大的膜結(jié)構(gòu)工程，除了地面之外，外表都采用了膜結(jié)構(gòu)———ETFE材料，藍色的表面出乎意料的柔軟但又很充實。實例2：德國安聯(lián)球場安聯(lián)體育場由瑞士設(shè)計師雅克·赫爾佐格和皮埃爾·繆隆設(shè)計。交通非常方便，并有歐洲最大的地下停車場——可提供10000個車位。它不同尋常的表面由2874個菱形膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成，膜結(jié)構(gòu)具有自我清潔、防火、防水以及隔熱性能。每個膜結(jié)構(gòu)都可以在夜間被照成紅藍白三色，分別對應(yīng)于拜仁、墨尼黑1860以及德國國家隊的隊服顏色。慕尼黑人非常喜歡這個體育場，并親切地將其稱為“安全帶”。當(dāng)體育場中比賽的球隊發(fā)生變化時，墻體的顏色就可以隨之改變。膜結(jié)構(gòu)具有自清潔、防火、防水以及隔熱性能，內(nèi)部永遠保持350Pa單位的大氣壓。10.懸挑結(jié)構(gòu)及其建筑造型將梁，板，桁架等構(gòu)件從支座處向外作遠距離延伸，構(gòu)成一種無視線阻隔的空間，為建筑空間的靈活組合帶來方便，使建筑造型輕盈活潑。用懸挑結(jié)構(gòu)所覆蓋的空間，可使其周邊不出現(xiàn)承重墻柱，視野遼闊開敞，故常用來作體育場的看臺挑篷、火車站和航空港的