大跨度建筑及构造设计.pptx

大跨度建筑及构造设计 1 2 3 大跨度建筑的发展及历史沿革 大跨度建筑结构类型及其造型 技术特点 大跨度建筑节点构造设计 1 大跨度建筑的发展及历史沿革 纵观大跨度建筑的发展史 经历了最早人们用来建造穹顶 到中世纪人们使用木材建造 到19世纪具有轻质 高强优点的铁的使用 以及现在对钢铁 混凝土 新型材料等的使用 在20世纪的最后25年里 大跨度建筑结构逐渐占据了举足轻重的特殊地位 大跨度建筑往往是衡量一个国家科技水平的一个重要指标 大跨度建筑的发展及历史沿革 大跨度建筑在古代罗马已经出现 如公元120 124年建成的罗马万神庙 呈圆形平面 穹顶直径达43 3m 用天然混凝土浇筑而成 是罗马穹顶技术的光辉典范 在万神庙之前 罗马最大的穹顶是公元1世纪阿维奴斯地方的一所浴场的穹顶 直径大约38m 然而大跨度建筑真正得到迅速发展还是在19世纪后半叶以后 特别是第二次世界大战后的几十年中 例如1889年为巴黎世界博览会建造的机械馆 跨度达到115m 采用三铰拱钢结构 又如1912 1913年在波兰布雷斯劳建成的百年大厅直径为65m 采用钢筋混凝土肋穹顶结构 目前世界上跨度最大的建筑是美国底特律的韦恩县体育馆 圆形平面 直径达266m 为钢网壳结构 我国大跨度建筑是在解放后才迅速发展起来的 20世纪70年代建成的上海体育馆 圆形平面 直径110m 钢平板网架结构 我国目前以钢索及膜材做成的结构最大跨度已达到320m 大跨度建筑的发展及历史沿革 大跨度建筑迅速发展的原因 一方面是由于社会发展使建筑功能愈来愈复杂 需要建造高大的建筑空间来满足群众集会 举行大型的文艺体育表演 举办盛大的各种博览会等 另一方面则是新材料 新结构 新技术的出现 促进了大跨度建筑的进步 例如在古希腊古罗马时代就出现了规模宏大的容纳几万人的大剧场和大角斗场 但当时的材料和结构技术条件却无法建造能覆盖上百米跨度的屋顶结构 结果只能建成露天的大剧场和露天的大角斗场 大跨度建筑的发展及历史沿革 19世纪后半期以来 钢结构和钢筋混凝土结构在建筑上的广泛应用 使大跨度建筑有了很快的发展 特别是近几十年来新品种的钢材和水泥在强度方面有了很大的提高 各种轻质高强材料 新型化学材料 高效能防水材料 高效能绝热材料的出现 为建造各种新型的大跨度结构和各种造型新颖的大跨度建筑创造了更有利的物质技术条件 大跨度建筑发展的历史比起传统建筑毕竟是短暂的 它们大多为公共建筑 人流集中 占地面积大 结构跨度大 从总体规划 个体设计到构造技术都提出了许多新的研究课题 需要我们继续去探究 大跨度建筑的发展及历史沿革 由于人们对更大空间的需求 大跨空间结构是近三十年来发展最快的结构形式 第二次世界大战后 不仅钢材和混凝土提高了强度 新型建筑材料种类也大大增加 各种合金 特种玻璃 化学材料一开始广泛运用于建筑为大跨度与轻质高强的屋盖提供了有利条件 大跨度建筑的发展及历史沿革 随着空间结构迅速发展 各类新型空间结构不断涌现 如悬索结构 张拉整体结构 充气结构等 世界上第一个悬索结构屋盖是美国于1953年建成的raleigh体育馆 采用两个斜放的抛物线拱为边缘的鞍型正交索网 大跨度建筑的发展及历史沿革 1958 1962年 由小沙里宁设计的杜勒斯国际机场候机厅是悬索结构的又一著名实例 宽45 6m 长182 5m 分为上下两层 大厅屋顶为每个3m有一堆直径为6 5cm的钢索悬挂在前后两排柱顶上 悬索丁部再铺设预制钢筋混凝土板 从20世纪70年代开始 在大跨度建筑领域又取得了一些新的成就 其主要表现于体育馆与交通类建筑方面 这些大跨度建筑在屋盖方面都有了新的发展 大跨度建筑的发展及历史沿革 1975年 美国新奥尔良 超级穹顶 直径207米 曾长期被认为是世界上最大的球面网壳 现在这一地位已被日本福冈县体育馆所取代 福冈巨蛋 建于1993年 直径222米 大跨度建筑的发展及历史沿革 蒙特利尔奥运会体育中心 1976年最大跨度172m 高32m 1983年建成的加拿大加里体育馆 采用采用双曲抛物面索网屋盖 圆形平面直径135米 迄今为止仍是世界上最大的索网结构 大跨度建筑的发展及历史沿革 充气结构构建简单方便 可快速装拆 使用与重量轻 运输体积小的场合 特别适用于索网和薄膜结构的支撑构建 自重轻 仅为其他结构重量的十分之一 因而容易跨越很大的空间 适用于体育馆 展会等大型公共建筑 如1988年建的日本东京后乐园棒球场 直径204米 屋高61米 总体积140万平方米 东京充气体育馆 1992 大跨度建筑的发展及历史沿革 伦敦滑铁卢国际隧道铁路枢纽站 1993年长400m 跨度35 55m不等 大跨度建筑的发展及历史沿革 1996年亚特兰大奥运会 佐治亚穹顶 采用张拉式索结构 我国大跨度建筑是在解放后才迅速发展起来的 20世纪70年代建成的上海体育馆 圆形平面 直径110m 钢平板网架结构 我国目前以钢索及膜材做成的结构最大跨度已达到320m 1996年建成的首都机场四机位机库 大跨度建筑的发展及历史沿革 香港新国际机场 1998年 大跨度建筑的发展及历史沿革 国家体育场 鸟巢 广州亚运城综合体育馆 大跨度建筑的发展及历史沿革 随着社会的不断发展 公共建筑如体育馆 影剧院 展览馆 火车站及航站楼等的设计要求大跨无柱的空间 在 网架结构设计与施工规程 jgj7 91 中 将60m以上定为大跨度 水立方 而大空间的施工取决于两个条件 足够强度的材料和运用这样的材料来建造的技术 近20余年来 大跨度的空间结构在发达国家发展很快 建筑物的跨度和规模越来越大 跨度达150m以上的超大规模建筑已非个别 结构形式多样 并采用了许多新材料和新技术 由于经济和文化发展的需要 人们还在不断追求覆盖面更大的空间 目前某些发达国家正在进行跨度达300m以上的超大跨度空间结构的探讨 总结 大跨度建筑的利与弊利 近二三十年来 各种类型的大跨度建筑所取得的成就 已有力地说明了新技术革命为人们所带来的效益 它使人们的梦想成真 并使这类本来受技术条件制约极大的建筑居然能在建筑技术与建筑艺术有机结合中产生多姿多彩的艺术风貌 令人耳目一新 弊 但是目前看来 要增加建筑的跨度在技术上并非是不可解决的事 问题是造价不成比例的飙升是否值得 以及由于建筑过大 人口在一个建筑某一段时间内的过于集中而产生的一系列其他问题 例如建筑在日常运作中过分依靠能源 与人们在交往与进出的高峰时间中所形成的建筑内部与建筑对城市的交通压力等 因此问题不是越高越大就越好 而是究竟要建多大与多高 大跨度建筑的发展及历史沿革 2 大跨度建筑结构类型及其造型 技术特点 一 网架结构 网架结构是将杆件按一定的规律布置 通过节点连接而成的一种空间杆系结构 网架结构的外形成平板状 即网架 也可以成曲面状 即网壳 广泛用作大 中 小跨度的体育馆 展览馆 俱乐部 影剧院 候车厅等公共建筑以及飞机库 仓库 车间等工业化厂房的屋顶结构 自1964年上海师范学院球类房中开始采用网架结构 平面尺寸为31 4mx40 5m的正放四角锥网架 以来 已建成为数众多的各种形式的网架结构 1967年建成的首都体育馆 其矩形平面尺寸为99mx112m 结构高度为6m 采用斜放正交网架 1973年建成的上海万人体育馆净跨110m 厚6m 采用圆形平面的三向网架 这两个网架规模都比较大 并具有代表性 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网架结构 大跨度建筑结构的类型和形式丰富多彩 可按不同的分类方法来阐述 按照所用材料及建造方式可分为 钢筋混凝土薄壳结构 网架结构 网壳结构 轻钢结构 管桁架结构 悬索结构 膜结构和索 膜结构 混合结构等 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网架结构 一 网架结构的优缺点 网架具有多向受力的性能 具有告辞超静定的空间结构 空间刚度大 整体性强 稳定性好 具有良好的抗震性能和较好的建筑造型效果 并兼有重量轻 材料省 制作安装方便等特点 具有以下优点 1 结构组成灵活多样但又有高度的规律性 适应各种建筑设计方面的要求 网架结构的组成有一二中之多 网架高度内的空间可以用来设置管道等设施 其结构外露或部分外露 可以取得独特的建筑效果 2 结构设计计算成熟 把那个可采用计算机辅助计算 网架结构的杆件主要受轴力作用 对于这种结构体系的分析计算 计算结构力学的发展已十分可靠 3 加工制作机械化程度高 节点连接简便可靠 网架结构的杆件和节点比较单一 而且定型化 可在工厂中成批生产 保质保量 施工速度又快 4 用料经济 网架结构是一种三向受力的结构体系 空间交汇的杆件互为支撑 将受力杆件与支撑系统有机的结合 节省材料 结构刚度也较大 适宜于大跨度屋顶结构 5 适应建筑工业化要求 目前已有范围教官的焊接空心球和螺栓球节点网架结构的定型设计和产品 但网架结构目前还存在节点用钢量大 加工制作费用较平面桁架高等缺点 二 网架结构的形式 网架结构形式划分方式 1 网架结构按照弦杆层数不同分类 1 双层网架 双层网架是由上弦层 下弦层和腹杆层组成的空间结构 是最常用的一种网架结构 2 三 多 层网架 是由上弦层 中弦层 下弦层和上腹杆层以及下腹杆层组成的空间结构 2 网架结构按网格组成不同分类 1 交叉桁架体系 如两向正交正方网架 两向斜交斜放网架 三向网架 如图 等 2 四角锥体系 如正放四角锥网架 如图 正方抽空四角锥网架 斜放四角锥网架 星形四角锥网架 棋盘形四角锥网架等 3 三角锥体系 如六角锥网架 如图 抽空三角锥网架 蜂窝型三角锥网架 如图 等 4 其他体系 如蛛网式网架 折板型网架 组合网架 斜拉网架 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网架结构 二 网架结构的形式 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网架结构 3 网架结构按支承方式分 1 周边支承网架 如图 该形式传力直接 受力性能优越 2 点支承网架 如图 可置于四个或多个支承上 采用上弦 下弦或柱柱帽支承 3 周边与中间点相结合的网架 如图 该形式特别适用于大面积的工业厂房或其他类似建筑 4 其他 如三边支承一边开口 如图 或两边支承两边开口等形式 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网架结构 网架形式与交叉桁架体系的平板网架 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网架结构 a正交正放网架b斜交斜放网架c正放四角锥网架d六角锥网架e蜂窝型三角锥网架f周边支承网架g点支承网架h点与周边相结合网架i三边支承网架 网架结构形式 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网架结构 角锥体系平板网架 网架结构的支承方式与建筑造型 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网架结构 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网架结构 支座节点设在下弦处 如设在上弦处可能使网架产生附加的下垂度 下弦将产生附加拉力 使下弦某些杆件超载 支座节点采用固定节点时可用螺栓连接 较大跨度的网架做成滑动支座 以减少柱子推力 适用于简支边界条件下使用 如图 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网架结构 支座节点设在下弦处 如设在上弦处可能使网架产生附加的下垂度 下弦将产生附加拉力 使下弦某些杆件超载 支座节点采用固定节点时可用螺栓连接 较大跨度的网架做成滑动支座 以减少柱子推力 适用于简支边界条件下使用 如图 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网壳结构 网壳结构是曲面性的网格结构 兼有干系结构和薄壳结构的特性 他受力合理 覆盖跨度大 在国际上颇受关注 有广阔发展前景 网壳结构曾应用于扬州苏北农学院体育馆 南京展览中心 551厂 上海长宁电影院等屋顶结构 当时主要是联方形的网状筒壳 材料一般为钢材 也可用木材制作网架 跨度在30m左右 我国的第一座大跨度网壳结构是天津体育馆屋顶 它采用带拉杆的联方型圆柱面网壳 平面尺寸为52mx48m 矢高8 7m 北京奥林匹克体育中心综合体育馆 平面尺寸为70 0mx83 2m 采用人字形截面双层双层圆柱面斜拉网壳 国家大剧院采用的是双向网壳结构 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网壳结构 1 网壳结构的优点 1 优美的建筑造型 平面上可使用的平面形状有圆形 多边形 三角形 扇形及各种不规则平面 建筑外形上可形成多种曲面 如球面 椭圆面 旋转抛物面 多种截面形状的柱状面等 也可通过曲面的切割和组合得到 2 受力合理 可以跨越较大跨度 节约钢材 由于网壳曲面的多样化 通过曲面设计是网壳受力均匀 大部分杆件主要承受压力 增加刚度 减少变形 达到节约钢材的目的 3 用小的构件组成大的空间 构建在工厂预制 安装简便快捷 不需要大型设备 综合经济指标好 4 连接和计算方面的优点与网架结构相同 2 网壳结构的缺点 1 杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的偏离对网壳的内力 整体稳定性和施工精确度影响较大 结构设计难度大 杆件和节点加工精度要求高 2 矢高大 网壳结构建筑空间高 建筑材料和能源的小号增加 3 多数薄壳结构建筑的形体较为复杂 多采用现浇施工 费工 费时 费模板 结构计算较复杂 不宜承受集中荷载 一 网壳结构的特点 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网壳结构 二 网壳的形式和分类 1 按层数分单层 双层2 按曲面的曲率分正 零 负 高斯曲率网壳正高斯曲率网壳的网壳有球面网壳 双曲面网壳 椭圆抛物面网壳等 零高斯曲率网壳有柱面网壳 圆锥形网壳等 负高斯曲率网壳有抛物面网壳 单块扭网壳等 3 按曲面的外形分球面 柱面 椭圆抛物面网壳双曲扁网壳 扭网壳 包括双曲抛物面鞍型网壳 单块扭网壳 四块组合型扭网壳 等四类4 按网壳网格划分球面 圆柱面网壳 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网壳结构 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网壳结构 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网壳结构 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网壳结构 三 网壳的结构形式解析 薄壳结构是用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构 受力特点 结构呈空间受力状态 主要承受曲面内的轴向力 弯矩和扭矩很小 刚度和强度都非常好 结构厚度仅为跨度的几百分之一 结构形式 1 筒壳2 圆顶壳3 双曲扁壳4 马鞍形壳 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网壳结构 三 网壳的结构形式解析 1 筒壳 由筒面 边梁 横隔构件三部分组成 横隔构件 拱形梁 拱形桁架 拱形刚架等结构形式 筒壳是单曲面薄壳 形状简单 便于施工 较常见 2 圆顶壳 由壳面和支承环两部分组成 支承环对壳面起到箍的作用 主要内力为拉力 应适当加厚 壳面径向受压 环向上部受压 下部受拉或压 圆顶壳可以支承在墙上 柱上 斜拱或斜柱上 适用于大型公建 如天文馆 展览馆 体育馆 会堂等 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 网壳结构 三 网壳的结构形式解析 3 双曲扁壳 由双向弯曲的壳面和四边的横隔构件组成 受力特点 壳体中间区域为轴向受压 弯矩出现在边缘 四角有较大的拉力 优点 受力合理 厚度薄 可覆盖较大空间 较经济 适用于工业与民用建筑的各种大厅或车间 4 双曲抛物面壳 马鞍形壳 由壳面和边缘构件组成 外形象马鞍 受力特点 倒悬的曲面如同受拉的索网 向上拱起的曲面如同拱结构 拉压相互作用 提高了壳体的稳定性和刚度 使壳面可以做的很薄 类型按构成 三角形结构高度最低1 5 1 2 18m 拱形受力最好1 6 1 818 36m60m 无斜腹杆 15 30m 梯形受力较好 制作方便1 6 1 818 36m72m按材料 钢适宜36m以上跨度 自重轻 钢筋混凝土适宜36m以下跨度 木 特殊环境 相对湿度大于75 或有腐蚀性介质时 不宜钢 木材料 只宜预应力钢筋混凝土材料 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 桁架结构 桁架结构的造型 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 桁架结构 三 桁架结构 分类 1空心管桁架2张弦梁结构 大跨度建筑结构类型及造型 技术特点 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 简介 将竹子作为建筑构件的一种推广结构 目前大多由具有高承载力的空心方管或圆管构成 优点 优美的结构形式 经济美观 应用 常用于飞机场 体育馆 展览建筑等 还用于学校 楼亭 电视塔 信号支架 人行过街桥 医院及工业建筑 1空心管桁架结构 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 案例分析 南京国际展览中心 南京国际展览中心建筑南北长293m 东西宽174 5m 建筑总高度为43 05 无柱展示空间达81mx75m 大跨屋面采用了三角形圆钢管空间桁架结构 桁架之间为三角形空间檩架 钢管之间采用相贯线焊接 构件连接清晰 简洁明快 刚劲有力 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 外部透视 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 屋顶透视 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 案例分析 广州白云机场 广州白云国际机场是我国首个按国际苏纽机场标准进行规划设计的机场 总建筑面积200000mm 采用大跨度空间巨型钢管桁架屋顶结构 桁架最大高度10m 最大跨度180m 节点部位最多由11根钢管相贯汇集 桁架两端支撑在十字形柱上 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 沈阳奥体中心 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 2张弦梁结构 简介 由索与管桁架或实腹梁组合而成 充分发挥索的高强性能和造型功能 使原有实体的厚重的结构减为纤细 优点 具有通透 飘逸的效果 应用 玻璃幕墙及采光屋面 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 2张弦梁结构 张弦梁结构早期由前南斯拉夫和日本学者各自独立提出 南斯拉夫学者称之为双弦结构 twochordstructure 日本学者则称为张弦梁结构 beamstringstructure 目前在中国还是以张弦梁的叫法为主 在中国 张弦梁结构的架设是在上个世纪九十年代 国内第一次应用就是1999年在上海浦东国际机场的航站楼 最大跨度的水平投影长度82 60米 后来 在广州国际会议展览中心 哈尔滨国际会议中心 北京全国农业展览馆中心及国家体育馆先后采用了张弦梁结构 张弦梁结构主要由柔性索和刚性梁或拱 再加上撑杆组成 其中梁或拱作为结构的上弦部分 索作为结构下弦部分 通过预应力及撑杆的作用形成张弦梁整体结构 预应力锚固在上弦杆两端部 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 2张弦梁结构 从受力来看 由于张弦梁结构的下弦索预应力作用 有向径向作用力 这个力通过撑杆传递到上弦杆下部 形成了对梁体或拱的弹性支撑 所以在相同荷载作用下 对于同样的结构如果有张弦梁支撑会使结构内力大为降低 从而达到减少截面面积 降低结构自重减少材料用量的目的 从另一个方面来说 由于张弦梁的作用也是结构的跨越能力得以提升 所以在大跨度的厂房 候机厅及体育馆所都会优先考虑张弦梁结构 张弦梁结构的特点可以归纳出这几个方面 结构简单 受力明确 轻盈而通透 跨越能力达 便于工厂化制造 运输及安装 对于空间的张弦梁结构更是刚度大 稳定性好 故此 张弦梁在大跨度的工业与民用建筑中广泛的应用 新建桥梁上应用目前只是一种起步 相信以后会作为结构一部分加以利用或作为独立结构架设 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 西班牙的奥伦塞千禧桥在主跨跨中就用到了张弦梁 不过它是以斜拉结构加劲的辅助结构出现的 所以 在桥梁加固工程上根据现场情况有可能用到张弦梁 把它作为一种技术的手段还是很可行的 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 内部透视 案例分析 上海浦东国际机场 外部透视 内部透视 入口透视 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 案例分析 上海浦东国际机场 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 三 桁架结构 北京农业展览馆馆顶的张弦梁结构 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 四 轻钢结构 组成 圆钢 小角钢和薄壁型钢组成它除具有普通钢结构的特点外 还具有取材方便 用料较省 自重更轻等优点 特点 安装方便快捷 布局灵活 建造速度快 经济耐久 造型轻盈 综合造价低等特点轻型钢结构种类 门式钢架 屋架 网架 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 门式刚架适用范围 适用于跨度9 36mm 以3m为模数 柱距6 10m 柱高4 5 9m的单层工业厂房或公共建筑 超市 娱乐体育设施 车站候车室 码头建筑 内设置桥式吊车时起重量不大于20t 柱距6m时不大于30t 设置悬挂吊车时起重量不大于3t 四 轻钢结构 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 实例 青岛南车集团轻钢结构生产车间 2004年投资新建 建筑面积5000平方米 主体结构采用轻型单跨门式刚架形式 吊车最大起重量为20吨 为使立面效果简洁美观 屋面采用有组织内排水形式 外墙面和屋面板均采用双层压型钢板 两层压型钢板之间放置了耐火性能较好的岩棉保温隔热层 四 轻钢结构 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 四 轻钢结构 正在施工建设的门式刚架 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 四 轻钢结构 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 四 轻钢结构 轻型钢结构屋顶轻型钢结构屋顶 宜采用具有轻质 高强 耐久 耐火 保温 隔热 隔声 抗震及防水等性能的建筑材料 同时要求构造简单 施工方便 并能工业化生产 如压型钢板 太空板和瓦楞铁等 屋面构件分为有檩体系和无檩体系 有檩体系檩条宜采用冷弯薄壁型钢及高频焊接轻型h型钢 檩条多为1 5 3m 直接铺设压型钢板 无檩体系的太空板标准尺寸在网架中为3m 3m 在工业厂房中为1 5m 6m和3m 6m 可直接搁置在网架上弦节点加焊的支托上 或门式钢架 屋架 和横梁 上弦 上 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 四 轻钢结构 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 四 轻钢结构 轻钢屋架轻钢屋架采用轧制或焊接型材形成的人形或梯形屋架 一平面桁架结构为主 跨度常小于30m大于60m较少 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 索膜结构起源于古代人类居住的帐篷 索膜结构是由施以适当与张力的索 膜材料形成的具有相应建筑造型的结构形式 索膜中的张力通过精心布置的网格自然 流畅地传递 最终汇聚到结构中的主索 边框 边梁及支座构件上 由此索膜结构是一种空间整体结构 它有骨架与覆盖于其上的膜体共同组成 特点 与传统结构相比 其自重大大减轻 就屋顶而言 仅为一般屋顶重量的1 10 1 30 它还有易建 易拆 易搬迁 易更新以及与自然环境融合等优点 索膜建筑的造型也和传统的建筑有很大的不同 有曲线 曲面塑造的形态较之矩形建筑而言 十分生动活泼 适用于滨海旅游 博览会 文艺 体育和需要有超大使用空间的公共建筑或有特殊建筑美观要求的中小型建筑上 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 日本东京室内棒球馆 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 索膜建筑可分为 充气式锁模结构体系建筑 空间张力膜结构体系及他的基本形体单位 索膜穹顶结构体系 桅杆斜拉式锁模结构体系 蒙皮膜建筑 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 充气式索膜建筑按其构成结构可分为气撑式索膜结构体系和气肋式索膜结构体系1 气撑式索膜结构体系依靠空压和送风系统向室内充气 超压 顶升和成型建筑物的膜面屋顶 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 气撑膜结构发展状况1917年 英国人w lanchester提出用鼓风机吹胀膜布作为野战医院的设想 并申请了专利 但当时由于技术条件的限制 只是一种设想 并没有成为现实 1946年 美国人walterbird建成第一个充气膜结构为美国军方做了一个直径15m 矢高18 3m球形多谱勒雷达穹顶 dopplerradome 可以保护雷达不受气候侵袭 又可让电波无阻的通过 从而使相隔了29年的专利付诸实用 当时采用以玻璃纤维为基布氯丁二烯橡胶为涂层的膜材 1950 1970年间 大量类似的穹顶相继在美国 德国建造 最大直径达到60m 1957年他又将自家的游泳池罩在一个充气膜结构中 并在美国的杂志上做了详细的介绍 从而充气膜结构被世人知晓 多谱勒雷达穹顶 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 1967年第一届国际充气结构会议在德国的斯图加特召开 这无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂 随后各式各样的充气膜结构如雨后春笋般的出现 1970年日本大阪万国博览会上 把膜结构系统地推向世界 开始了刚性结构向柔性结构的转变 成为膜结构发展史上的里程碑 由于日本是个多震的国家 且博览会会址多位于软土地基 因此展馆宜采用自重轻 抗震性能好 施工速度快且形态各异的膜结构作为临时展馆 由建筑师davisbrody工程师davidgeiger设计的美国馆 其平面是一个139m 78m的椭圆形充气膜结构 膜材为聚氯乙烯 pvc 涂层的玻璃纤维织物 无柱大厅的屋面由32根沿对角线交叉布置的钢索和膜布所覆盖 它是世界上第一个大跨度低轮廓 小矢高 的气承式膜结构 美国馆 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 1988年 日本在东京后乐园棒球馆 图3 中采用了充气膜结构 其平面为椭圆形 对角线跨度为204m 屋顶高度达61m 其结构设计与以前的充气结构没有太大的区别 只有采用了双层膜构造并应用了先进的自动控制技术 但运行费用昂贵 经营者几乎不堪重负 之后世界各地再也没有建造大型气承式公共膜建筑 日本东京室内棒球馆 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 案例一 不列颠哥伦比亚体育馆平面为232mx190m椭圆形 高60m 世界上最大的空中支撑结构占地面积4万平方米 其周长760米 气膜采用双层膜 两层膜之间有10cm的间隔 屋顶可以让20 的自然光进入室内 因为每层膜材的厚度只有0 85mm 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 案例2 深圳东部华侨城大峡谷儿童乐园直径54米 高15米 深圳东部华侨城大侠谷儿童乐园是中国首个气膜结构室内儿童乐园 项目将于2008年7月底峻工 该乐园内有旋转木马 青蛙跳和恐龙跳等多项儿童游乐设施 采用先进的充气膜建筑 充份体现了其高跨比 大空间无梁柱 自重轻等多种特点 项目特点 1 外膜采用七彩膜 是中国首个采用多种颜色的气膜建筑 优美的外观充分体现了膜材颜色的多样性 2 造型美观新颖独特 圆形的整体轮廓突破了气膜传统的弧形外观 此项目也是中国第一个采用圆形结构的气膜建筑 具有很强的标志性 3 安全智能的送风系统 既能保持场内空气新鲜又可以防止热能的损耗 为游人提供舒适的游乐环境 4 高跨比 大空间无梁柱 自重轻这些都是传统建筑所无可比拟的 5 气膜建筑系统可达到抵御240千米 小时的飓风和200千克 平方米的积雪 保证建筑的安全性 6 空调能耗仅为传统建筑的1 10 1 4 总体节能75 以上 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 2 气肋式膜结构体系指由充气后具有拱形支撑能力 并用膜肋分隔的独立密闭仓构成的屋顶体系 与气撑式相比 优越性是室内为常压气体环境 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 空间张力膜结构体系及它的基本形体单位空间张力膜结构的基本单位为双曲线抛物面单元 鞍型单元 和类锥型悬链面单元 帐篷单元 1 双曲线抛物面单元标准的双曲抛物面单元膜面的水平投影为正方形或棱形 膜面周边设置约束边索 两对角点高差的存在使曲面稳定 在对膜面的两对角张拉时 施加预应力 构成具有整体刚度的双曲抛物面空间形体 俗称鞍型膜面单元 构成的屋顶易于排水 投影下的建筑空间可充分利用 可以用鞍型膜单元的组合可设计出丰富多彩的建筑体型与空间 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 2 类锥型悬链面单元类锥型悬链面单元是由悬链线绕中心轴旋转围合而构成的空间曲面 俗称帐篷膜单元 现代索膜结构延用了古代帐篷的形式并发展了它的构筑模式 中心支撑杆挂起吊环 膜布嵌固于环上 帐篷膜周边形状可以是圆形也可以是矩形 用定位杆和地锚索固定于地面或建筑的环梁上 与鞍型膜面相比 帐篷膜易筑成封闭的空间 帐篷膜单元可以组合 构成群峰帐篷膜建筑 使室内空间高低变换有序 帐篷膜顶的吊环如用悬挂在室外桅杆上的钢索吊起 室内则为无柱空间 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 索膜穹顶结构体系20世纪50年代 美国建筑师富勒受自然现象启发构筑了富勒球结构 该结构又不连续的系列压杆与连续的系列拉索构成整体的空间球结构 美国著名结构专家盖格认为 富勒球属于张力结构体系 并依此设计了索穹顶大跨空间结构体系 而后 建筑膜材用于索穹顶结构中 出现了为国际空间结构工程界所瞩目的索膜穹顶结构 从汉城奥运会体操馆开始 世界上百米跨度 最大跨度可达400m 以上的体育馆多数采用了索膜穹顶结构设计与建造 第一节大跨建筑结构类型及其造型 技术特点 五 索膜结构 桅杆斜拉式索膜结构体系从竖起的高耸桅杆顶部用钢索拉起膜面支撑架或直接由外部拉起膜面 类似斜拉桥结构体系 可称为桅杆斜拉式索膜结构体系 特点 室内为无柱的大空间 但室外立起的桅杆和拉索占据了大面积的场地 3 大跨度建筑节点构造设计 大跨度建筑节点构造设计 一 大跨度建筑节点构造设计的一般规律1 节点构造设计与总体设计的关系大跨度建筑的结构形式多种多样 因而有很多种不同的节点形式 选择节点形式应考虑具有受力合理 传力明确而简捷 保证整体结构的安全可靠的要求 节点应做到构造简单 制作简便 易于安装 以取得较好的经济效果和艺术效果 2 节点构造设计的技术性与艺术性大跨度建筑节点构造设计的关键是将技术合理性与艺术表现性有机地融合在一起 节点构造设计与建筑总体方案设计一样 都需要在技术与艺术两方面共同考虑 以求得更好效果 如1889年巴黎世界博览会机械馆主体结构采用了格构式三铰拱钢架 图15 2 1 跨度达111m 其拱脚落地部分由宽渐窄 近支座处收缩为一三角形 使得主体结构与点支承基座的之间形成合乎逻辑的转换 三铰拱支座的视觉冲击力就在于它以如此渺小的接地点构件支撑起跨度那样巨大的钢铁身躯 这正是当时的建筑师与工程师充分认识了钢材的高强度与钢结构的传力原理 而取得辉煌的成果 第二节大跨度建筑节点构造设计 二 大跨度建筑节点构造设计的技术要领 一 不同材料体系连接方式的设计材料之间的连接方式是构造设计的关键 大跨度建筑主体结构常用的建筑材料主要有三种 钢 钢筋混凝土 木 1 钢钢材之间的基本连接方式主要有 焊缝连接 又可分为对接 搭接 t形 贴角 坡口焊 螺栓 又可分为普通螺栓和高强度螺栓 以及铆钉连接 在此基础之上 尚有铰接 半刚接 刚接 节点板连接 销接件连接以及球节点连接等 图15 2 2 15 2 3 钢结构与钢筋混凝土之间的连接可以在钢筋混凝土上安置钢支座 将支座与钢筋混凝土的预埋钢件采用地脚螺栓锚连接或焊接 钢材与木材之间的连接主要使用各种螺栓以及连接件 铸钢节点 在多杆件汇合的节点如采用其他方式接合困难时可采用铸钢节点 2 钢筋混凝土钢筋混凝土之间的连接方式为现浇连接或装配式连接两种 钢筋混凝土与木材之间的连接主要采用钉 销以及螺栓连接 在大跨度建筑中 钢筋混凝土常与钢结构结合使用 上述连接方式中 无论是同类材料之间或异类材料之间 铰接连接 图15 2 4 在施工方面装配化程度较高 属干法作业 利于环保 刚性节点连接使用预埋件焊接连接或现浇混凝土连接 二 结构主体与基础的节点连接构造设计大跨度建筑所经常采用的钢结构 钢筋混凝土结构的主体部分与基础连接部分伸出地表 成为钢筋混凝土支座 再与结构主体构件用铰接 节点板 缆索连接起来 成为铰接式 节点板式 缆索式支座等 1 耳板铰接式钢筋混凝土支座即在钢筋混凝土结构表面预埋双耳板 在钢柱柱底安装单耳板 耳板间通过钢销连接 也可在混凝土表面预埋钢制单耳板 在柱底安装双耳板与单耳板铰接 2 节点板式钢筋混凝土支座混凝土支座表面埋置水平的钢板 主体的钢柱脚末端通过角撑 加劲肋 设置底板 两块钢板以相同角度紧紧贴合在一起 最后用螺栓固定 3 大跨度建筑屋顶构造设计的主要技术环节大跨度建筑的屋顶主要由承重结构 屋面基层 保温隔热层以及屋面面层组成 承重结构部分见本章第一节 而屋面基层搁置保温隔热层 其基本做法分为有檩和无檩两类 图15 2 5 有擦做法为承重结构上搁置檩条 然后再放置单层或多层龙骨 之上再搁置屋面板 图15 2 6 而无檩做法屋顶承重结构上直接搁置屋面板 保温隔热层则设置于屋面面层之下 或悬挂于格栅之下 或放在吊顶层之上 而屋面面层材料有金属板屋面