现代建筑结构欣赏_考核论文模板.doc

一种新型的穹顶结构施工体系攀达穹顶施工方法王小盾摘 要：研究了穹顶结构的三维空间结构特性，分析了平板结构网架的顶升方法，提出了攀达穹顶结构体系的来源和原理。通过建筑实例的分析，证明了攀达穹顶结构体系适用于各种形状的大跨度穹顶结构。关键词：攀达穹顶结构；拱作用；环向箍作用穹顶结构是在大型会展中心、体育场馆等大空间建筑中广泛使用的大空间屋顶结构形式之一。穹顶结构是在很久以前就开始使用的结构形式,它的优势在于它具有空间立体特性。近代的壳体结构和空间网架结构充分利用了穹顶的立体特性。然而在制作安装过程中,穹顶的空间立体性反而成了施工的障碍。1穹顶的三维空间结构特性在我们周围存在的建筑物都具备各种各样的特征,其中最具有特色的是我们称之为“大空间的建筑”。这些建筑有室内竞技场、大型展示场、会议中心等,在建筑的内部没有柱子,具有大型的室内空间,一般都称之为大跨屋盖结构。最为大家所熟知的例子是在罗马时代,在欧洲的大范围内都是采用“拱形结构”作为大跨屋盖结构。图1 （a）拱（平面结构） （b）穹顶（空间立体结构）艺术系 学号：KKK000001 e-Mail：拱形结构是利用“拱作用效应”把屋顶的荷载变换为拱杆件的受压,然后再传递到支承结构上(图1a) 。古代罗马人仅用石材和砖做成大空间结构的实例就充分说明他们认识到了拱作用效应,并把它应用到拱形的结构中。自古以来,为实现大空间建筑所必须考虑的另一个因素,就是要能够把穹顶结构提升到设计的高度。对穹顶来说,从过穹顶结构顶点的铅直平面切开,能够形成拱形断面。很明显,沿着这个断面也就是沿着经线方向能够实现拱作用效应。在与此垂直的纬线方向也有力的作用(图1b) ,这个作用力根据穹顶内杆件位置的不同及荷载作用方式的不同,既存在受压状态,也存在受拉状态。受拉状态与桶的“环箍”作用相近似,这个方向的力的作用效果也称为“环向作用”。拱结构中力的传递只发生在拱所在的平面内,是“平面结构”的一种形式;而穹顶结构又增加了环向作用,力的流动和传递为空间三维的传递方式。这样的结构称为“立体结构”。一般来说,立体结构中可能产生的力的方向的维数比平面结构高一维, 对各种各样荷载的作用表现出非常高效的抵抗作用。穹顶的原理在现代更增加了新的技术手法,“壳体结构”正在发展中,正如它的命名中的“壳体”的含义一样,与整体的尺度相比,能够做成非常薄的大屋顶。很显然,这种穹顶形态的壳体结构具有非常高的合理性。穹顶在很早以前是用土、石、砖等来制作,近代的壳体结构变成用钢筋混凝土来建造,近年来更进一步地采用重量轻、制作简单的钢结构进行拼装,也就是被称为网壳结构的体系正在得到广泛地使用。然而,穹顶无论采用什么样的材料制作,它的基本原理是不变的。2考虑施工的结构体系的合理性建成结构的性能是我们研究的关键。自19世纪结构技术形成一个独立领域以来,结构学者和结构工程师主要追求的是建成的结构的合理性,而对结构在制作过程中的合理性全部交给施工现场去考虑。这种做法在劳动力便宜、劳动者的安全性被相对轻视、工程周期的长短不受限制的时代是有一定适应性的。然而这样的时代已经过去了,现代结构工程中的人工费和材料费的比值,与过去相比已经提高了很多,劳动者作业的安全性无论在哪一个施工现场都成了比任何事物都优先考虑的重要问题。同时,工期的长短变成了左右工程整体经济性的最重要的因素。因此,现在结构的合理性不仅考虑完成后结构的合理性,还必须考虑结构在施工安装过程中的合理性。基于这种观点,穹顶的制作安装决不是一个容易解决的问题。比如说,直径约为100m的体育馆的大跨度屋盖采用穹顶时,穹顶顶部的高度根据体育馆竞赛功能的要求,需要离中心赛场30m左右,直径约200m的棒球场,则需要超过60m的高度。像这样需要把穹顶安装到如此高的位置,如果考虑搭设满堂红脚手架进行施工的话,所需要脚手架的数量将是非常庞大的,为此将花费数额巨大的脚手架费用。另一种可以减少脚手架数量的施工方法,就是只在穹顶的重要点用支柱支撑,穹顶的中间部分在空中组装完成。但这样施工,工人不得不冒着生命危险在数十米高的高空中进行施工,监理的检查根本就是不可能的,同时还会产生工期不断延长等不利情况。这种问题不仅发生在穹顶结构安装施工中,一般的在离地面非常高的位置架设屋顶的施工过程中,总是会产生这些难题。为了解决这些问题,研究出的解决方法之一是“顶升施工方法”。此顶升施工方法是尽可能在离地面较近的位置处制作安装穹顶,然后把安装好的屋顶结构顶升到设定的标高的一种施工方法。当屋顶的形状为接近平板形状的情况下,这种方法极其有效。把在地面上从拼装杆件开始,到所有装修作法都完成后的大屋顶,沿着立柱用千斤顶进行顶升,能够非常安全并且非常经济地完成施工。在1970年大阪万国博览会中,由川口卫教授设计的100m 300m的节日广场的大屋顶结构首次采用了这种顶升方法,之后迅速地在世界范围内普及开来。现在对于平板形的大屋顶结构非常普遍地采用顶升法进行施工。3攀达穹顶体系的提出如前所述,空间立体特性是穹顶结构不可缺少的性质,把穹顶折叠起来原本是不尽合理的要求,但是,临时把穹顶变成不具有高度空间立体特性的结构则是可以的。于是考虑到把穹顶的环向作用去掉,这样穹顶就能够进行折叠了(图2、3) 。图2所示为的穹顶状的网壳结构,可以简单地进行折叠了。如图2a、b、c所示剖面图,这样,各种各样的形态就可以很容易的实现了。穹顶处于最大折叠状态时,如图2a,穹顶整体的高度可以变得非常低。在这种状态下进行穹顶的安装,不仅可以非常安全和经济地制作、拼装穹顶的结构,而且屋顶的装修做法、吊顶以及机械设备管道等,都能够尽可能地在这种状态下进行高效率地施工。在地面上安装完成的穹顶进行顶升的过程,见图2b和2c。顶升的方法可以采用穹顶内部送入空气,提高穹顶内部气压的方法进行顶升;也可以采用如图中所示的铅直线处设置支柱,再用千斤顶顶升支柱的方法进行顶升。当顶升完成时,穹顶达到最终形状(图2c) 。然后把最初拆除的平面图中虚线处的环向杆件再安装就位,穹顶的结构就施工完成了。最后撤去顶升用的空气压力或千斤顶,而穹顶结构已经形成完整的受力体系不会下降。这就是攀达穹顶结构体系的原理。图2 攀达穹顶的施工方法4攀达穹顶结构体系的工程实例攀达穹顶结构体系的一个显著特征,是它的运动轨迹符合机构学的原理,变形随着控制而产生。与制图器和电车的集电装置的平行导轨的运动轨迹可以说是同一种类。在使用上,其优点在于攀达穹顶体系的可能的运动轨迹只限定在上下垂直方向,而在水平方向的运动是完全被约束住的。所以,穹顶在组装过程中和顶升过程中,能够很好的抵抗突然来临的地震和强风等水平荷载,完全没有特殊担心的必要。图3 攀达穹顶的应用模型图3 攀达穹顶的施工过程攀达穹顶的原理可以应用到各种各样形状的穹顶结构中。图3所示为攀达穹顶的原理应用于直径为200m的圆形体育馆规划方案的例子;图4所示为神户世界纪念堂(70m 110m)使用攀达穹顶体系原理的实例,建筑平面为椭圆形;图5为西班牙巴塞罗那奥林匹克主场馆(110m 130m)的实例,它的形状为带有圆形的四边形平面;还有新加坡国立体育馆(130m 200m) ,平面形状为菱形平面。无论哪一种形状都是能够采用攀达穹顶体系建设完成的。攀达穹顶的原理作为穹顶制作安装的方法应用范围很广,能够适用于各种不同造型的穹顶结构。完成后的穹顶根据人们举行各种活动的功能要求,其内部空间可以做成各种各样最适合的形态和尺寸;根据集会的规模和举行活动的种类,确定合适的演出空间的尺度和造型,根据不同的用途而有所差异。在制冷供热的效率方面,也需要有变化的内部空间。从功能这一点上考虑,攀达穹顶原理能够适用于各种根据功能需要所设计的造型空间,有着重大的意义和实用价值。表题参考文献 1 陈志华. 浪速穹顶及其结构体系A . 空间结构年会论文集 C ,1999年12月 2 Kawaguchi, M. Possibilities and Problems of latticed structures. p roc J