公共建筑的结构与技术.ppt

公共建筑的技术经济 第一节建筑结构与建筑设计 国家大剧院 工程外部围护结构为钢结构网壳 是半椭圆球形 东西长轴212 2m 南北短轴143 64m 总高度46 285m 内设歌剧院 2416席 音乐厅 2017席 及戏剧院 1040席 及公共大厅等 屋面采用钛金属板 整个网壳外环绕人工湖 35500m2 各种通道及入口均设在水下 设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师 北京市建筑设计研究院参与主体设计 整体结构用钢量达6750t 195kg m 一 建筑结构与建筑设计的关系建筑是艺术与技术相结合的产物 技术是建筑的构思 理念转变为现实的重要手段 建筑技术涵盖的范围很广 包括结构 消防 设备 施工等诸多方面的因素 其中结构与建筑设计的关系最为密切 人们创造建筑空间有着双重的目的 首先也是最根本的是要满足一定的使用功能要求 其次还要满足一定的审美要求 然而要想达到上述两方面的目的就必须依靠一定的技术手段 建筑的空间结构就是诸多手段的主体 人们建造房屋使用各种材料 并巧妙地将这些材料组合在一起 充分发挥出材料的力学性能 使之具有合理的荷载传递方式 整体与各个部分都具有一定的刚性并符合静力平衡条件 这就形成了建筑的空间结构 我们通常将符合功能要求的空间称之为适用空间 将符合审美要求的空间称之为视觉空间 将符合材料性能和力学规律的空间称之为结构空间 三者由于形成的根据不同 各自受到的条件制约和所遵循的法则也不同 但在建筑中它们是合而为一的 我们从事建筑设计就是要将三者统一为一个整体 结构作为实现建筑功能和审美要求的技术手段 要受到它们的制约 就互相之间的关系而言 结构与功能之间通常更为紧密一些 然而结构并不是一个完全消极被动的因素 相反对建筑空间形式具有很强的反作用 恰当地运用合理的结构形式往往会对空间的功能和美观起到很大的促进作用 人们的功能要求是多种多样的 这就需要有相应的结构方法来提供与功能相适应的空间形式 在古代由于技术条件的限制不可能创造较大的室内空间 然而社会的进步使得人们要求更为复杂灵活的空间组织形式 于是在传统砖石结构的基础上逐步出现了拱形结构 穹隆结构 进而发展到钢筋混凝土结构 网架 悬索 壳体等空间结构 使人们从空间的束缚中解脱出来 满足了自由灵活分隔空间的要求 结构型式的选择不仅要受功能要求的影响 同时还要服从审美的要求 一个好的结构方案应该是满足使用功能的同时 还应具有一定的艺术感染力 而且不同的结构形式各自具有其独特的表现力 现代科学的伟大成就所提供的技术手段 不仅使我们的建筑能够更加经济有效地满足功能的需要 而且其艺术表现力也为我们提供了极其宽广的可能性 建筑结构的分类及应用概况 1 按所用材料不同 可分为钢筋混凝土结构 砌体结构 钢结构 木结构 2 按结构受力特点分类 可分为混合结构 框架结构 排架结构 剪力墙结构 筒体结构及其它 框架 剪力墙结构 框架 剪力墙结构 排架结构单层厂房 筒体结构 上海金茂大厦是88层 建筑高度420 5m 建筑面积28 9万平方米 于1998年8月28日竣工 钢筋混凝土核心筒 外框钢骨混凝土及钢柱 按建筑物层数分类 高层 多层 低层 自左向右 台北101大楼 芝加哥席尔斯大楼 吉隆坡双子星大楼 上海金茂大厦 香港国际金融中心 纽约帝国大厦 1 按所用材料不同分类 1 钢筋混凝土结构其主要优点为强度高 整体性好 耐久性与抗震性好 并具有良好可塑性等 但是缺点是自重大 施工时费工费料 2 砌体则是目前建筑结构材料中的另一主要材料 3 砖石砌体就地取材 成本低廉 耐久性较好 缺点是砌筑劳动强度较大 结构自重大 构件强度不高等 其适应范围受到一定的限制 目前大部分用于多层民用建筑中 少量用于工业建筑中 4 钢结构是继钢筋混凝土结构之后具有发展前景的建筑材料 也是目前主要的建筑结构材料之一 5 木结构建筑受木材生长周期长及开伐木材对环境带来影响等因素 现在很少作为建筑结构材料 2 按结构受力特点分类 可分为 混合结构 框架结构 排架结构 剪力墙结构 筒体结构及其它 混合结构是由砌体和钢筋混凝土材料共同承受外加荷载的结构 框架结构是由梁 柱构件构成承重骨架 梁柱连接方式一般为刚接 局部也可能采用铰接 剪力墙结构是由整片的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土楼 屋 盖组成 筒体结构是由钢筋混凝土墙或密集柱围成的一个抗侧刚度很大的结构 犹如一个嵌固在基础上的竖向悬臂构件 人们对建筑物提出的多样性要求 使得建筑结构的形式也日益多样化 二 结构的空间形式与种类如前所述 建筑结构体系不仅对空间的围合 分隔及限定起着决定的作用 而且直接关系到空间的量 形 质等三方面的因素 下面我们将分类讨论不同类型的结构形式所对应的空间特点 现代建筑的结构体系可分为平面结构体系和空间结构体系两大类 平面结构体系 1 承重墙 柱 结构承重墙 柱 梁 板等结构构件组成的结构体系 这是一种古老的结构体系 公元前两千多年的古埃及建筑中就已被广泛使用 一直到今天世界各地的人们依然在使用这种结构来建造房屋 承重墙结构体系的特点是 墙体本身是围护结构同时又是承重结构 由于这种结构体系无法自由灵活地分隔空间 不能适应较复杂的功能 一般用于功能较为单一固定房间组成相对简单的建筑 如住宅 宿舍等 2 框架结构框架结构是由梁和柱形成受力结构骨架的结构体系 其最大的特点是承重的骨架与分隔 围护的墙体明确地分开 充分发挥各自材料的力学和物理特性 同时使内部空间的划分变得自由灵活 框架结构本身无法形成完整的空间 而是为建筑空间提供一个骨架 由于它的力学特性 人们得以摆脱厚重墙体的束缚 根据功能和美观要求自由灵活地分隔空间 从而打破了传统六面体的空间概念 极大地丰富了空间的变化 这不仅适应了现代建筑复杂多变的功能要求 而且也使人们传统的审美观念发生了变化 创造出了 底层透空 流动空间 等典型的现代建筑空间形式 随着高层建筑特别是超高层建筑的发展 单独的框架结构已无法满足刚度和稳定性的要求 于是在此基础上出现了剪力墙结构和筒体结构 剪力墙结构使建筑物抗水平荷载能力大大提高 但其内部空间却会受到结构要求的限制而失去部分灵活性 筒体结构使用刚度极大的内筒来抵抗侧向荷载 并在内核中设置电梯 楼梯 管道井等辅助设施 从而使平面布局具有极大的灵活性 有些超高层建筑甚至把外墙也设计成筒 形成筒中筒结构 3 桁架结构桁架是人们为得到较大的跨度而创造的一种结构形式 它的最大特点是把整体受弯转化为局部构件受压或受拉 从而有效地发挥材料的受力性能 增加了结构的跨度 然而桁架本身具有一定的空间高度 而且上弦一般呈两坡或曲线的形式 所以只适合于当作屋顶结构 多用于厂房 仓库等 4 拱形结构拱形结构在人类建筑发展史上起到了及其重要的作用 历史上以拱形结构创造出的建筑艺术精品不胜枚举 拱形结构包括拱券 筒形拱 交叉拱和穹隆 它的受力特点是在竖向荷载的作用下产生向外的水平推力 材料主要受轴向的压力而基本不承受弯矩 因此可以跨越相当大的空间 同时利用不同的拱形单元可以组合成较为丰富的建筑空间 现代建筑中拱型结构的材料大都使用钢或钢筋混凝土 拱的线形也趋于合理 多用于大跨度建筑 如体育馆 大礼堂 飞机库等 5 刚架结构刚架结构是由水平或带坡度的横梁与柱由刚性节点连接而成的拱体或门式结构 刚架结构根据受力弯矩的分布情况而具有与之相应的外形 弯矩大的部位截面大 弯矩小的部位截面小 这样就充分发挥了材料的潜力 因此刚架可以跨越较大的空间 刚架适合矩形平面 常用于厂房或单层 多层中型体育建筑 如体操馆 羽毛球馆等 空间结构体系1 网架结构网架结构是由杆件系统组成的新型大跨度空间结构 它具有刚性大 变形小 应力分布较均匀 结构自重轻 节省材料 平面适应性强等特点 网架结构可分为单层平面网架 单层曲面网架 双层平板网架 双层曲面网架等多种形式 目前最为常用的是双层平板空间网架 一般由钢管或型钢构成 其网格有两向和三向两种 两向网架是两纵横而组成正交 90 的网格组成 可以正放 也可以斜放 比较适合方形或矩形平面 三向网架由三组互成60 斜交的网格组成 适合于三角形 六边形或圆形平面 网架结构是目前大跨度建筑使用最普通的一种结构形式 2 悬索结构悬索结构是利用张拉的钢索来承受荷载的一种柔性结构 具有跨度大 自重轻 节省材料 平面等特点 同时 悬索结构可以覆盖多种多样的建筑平面 除矩形还有圆形 椭圆形 菱形乃至不规则平面 使用灵活性大 范围广 悬索结构建筑内部空间宽大宏伟又富有动感 外观造型变化多样 可创造出优美的建筑空间和体形 3 折板结构折板结构是由许多薄平板以一定的角度相互整体连接而成的空间结构体系 折板结构既是板又是梁的空间结构 受弯能力 刚度稳定性均比较好 采用折板结构的建筑 其造型鲜明清晰 几何形体规律严整 尤其折板的阴影随日光移动 变化微妙 气氛独特 4 壳体结构壳体结构是从自然界中鸟类的卵 贝壳 果壳中受到启发而创造出的一种空间薄壁结构 其特点是力学性能优越 刚度大 自重轻 用料结省 而且曲线优美 形态多变 可单独使用 也可组合使用 适用于多种形式的平面 5 充气结构利用尼龙薄膜 人造纤维或金属薄片等材料内部充气来做为建筑的屋面 这种结构称为充分结构 它自重极轻 可达到很大的跨度 安装 充分拆卸 运输均较方便 6 张拉膜结构这种结构形式也称帐篷式结构 由撑杆 拉索和薄膜面层三部分组成 通过张拉 使薄膜面层呈反向的双曲面形式 从而达到空间稳定性 这种结构形式造型独特 安装方便 可用于某些非永久性建筑的屋顶或遮篷 49 结构选型 上部结构 水平结构 竖向结构 肋梁楼盖 井式楼盖 无梁楼盖 排架结构 框架结构 剪力墙结构 框架 剪力墙结构 筒体结构 独立基础 片筏基础 箱型基础 十字型基础 条形基础 桩基础 沉井基础 地下连续墙 建筑结构的类型 按用途 工业建筑 民用建筑 结构设计概论 52 大跨结构 桁架结构 53 三角锥体网架 网架结构 大跨结构 54 平面桁架系网架 两向正交 三向 结构设计的基本内容 方案设计 结构分析 构件设计 绘施工图 结构选型 上部结构类型 下部结构选型 结构布置 定位轴线 构件布置 设置变形缝 一 方案设计 尺寸估算 设计概论 1 1结构类型 1 2设计内容 1 2 1设计过程 计算简图 二 结构分析 设计概论 1 1结构类型 1 2设计内容 1 2 1设计过程 58 1 2 2结构计算的一般要求 1计算内容 设计概论 1 1结构类型 1 2设计内容 1 2 1设计过程 1 2 2计算要求 建筑结构的发展简况 建筑结构材料方面建筑结构计算理论方面建筑结构的施工工艺 建筑结构材料方面 古代建筑结构主要以木结构 砖石结构为主 而近代建筑结构则以钢筋混凝土结构为主 随着生产力的发展以及科研工作的开展 计算理论得到了很大的提高 新型结构材料也不断涌现 建筑结构计算理论方面 从过去完全凭经验建造房屋到后来采用一些简单的近似计算 从二十世纪40年代到50年代中期的破坏阶段设计方法到采用极限状态设计方法 在建筑结构中已采用以概率论为基础的极限状态设计法 使结构计算理论更趋完善 建筑结构的施工工艺 工业厂房及多层住宅正在向工业化方向发展 建筑构件的定型化 标准化大大加快建筑结构工业化进程 在高层建筑中 施工方法也有了很大的改进 大模板滑模等施工方法已得到大量的推广与应用 建筑结构是一门综合性较强的应用科学 其发展涉及到数学 力学 材料及施工技术等科学 随着我国生产力的提高及结构材料研究的发展 计算理论的进一步完善以及施工技术 施工工艺的不断改进 建筑结构科学将会发展到更高的阶段 一 建筑设备工程 的课程地位 1 建筑设备工程是房屋建筑不可缺少的组成部分 给水 排水 消防 热水 开水 供暖通风 空调 煤气 供配电 照明 防雷与接地 2 建筑设备工程知识对土木工程人员是十分重要的 建筑学 建筑规划 土木工程 物业管理 一般用户 二 建筑设备工程是发展中的科学 1 新材料的发展 以塑代钢 新型配电器材 2 新设备的出现 泵与风机 空调 供配电 气压供水 发展趋势 体积小 重量轻 噪声低 效率高 集成化 3 新能源及电子技术的应用 光控 声控设备 空调的自控 新型电光源 4 新型施工技术的发展 整体浴室 电缆施工 管道连接 5 智能化建筑进一步促进了建筑设备工程的发展 第二节建筑设备与建筑设计 一 暖通 空调与建筑设计的关系我国北方地区大量性公共建筑都需要采暖 南方地区一般不考虑采暖 但标准较高的宾馆 旅馆以及聚集人流较多的厅堂类建筑也要求采暖和空气调节 这些暖通 空调都需要一套相应的设备 包括锅炉房 冷冻机房 空气调节机房以及风道 管道 地沟散热器 送风口 回风口等 它们都占有一定建筑空间 因此与建筑设计 结构设计都有密切关系 1 建筑平面布局要考虑设备的位置 如采暖用的锅炉房 水泵房 空调用的空气调节机房 冷冻机房等 在高层建筑中 由于用水设备的水压力限制 除底层及顶层外 有时还需在中间层布置设备层 2 建筑空间布局中要预留各种风道 管道 地沟的位置 集中式空调系统由于风道大 与建筑空间布局的矛盾较多 结构上也要考虑各种设备管道穿通墙面 楼板对结构安全度的影响 3 空调房间内各种散热器 设备机组以及送风口 回风口的布置需要考虑使用效果以及与建筑细部处理的密切结合 4 建筑和结构要采取措施降低各种设备机械用房及风管所产生的噪声 所以 建筑设备的设计与建筑及结构设计密切配合进行 否则将会影响建筑的平面和空间处理 影响建筑功能或者导致设备不能正常运转使用 二 采暖与空气调节的方式及其选择1 采暖普通可分为热水采暖系统和蒸汽采暖系统 热水采暖系统是利用锅炉加热后的热水经供水管送到采暖房间的散热器 加热后的散热器以对流及辐射传热的方式加热房间的空气和物体 放热后的回水从回水管径水泵加压送回锅炉房加热重新使用 由于供水管 回水管的布置不同 可以分为双管上分式 双管下分式以及单管顺序式等不同的方式 蒸汽采暖系统 热媒不是热水而是蒸汽 它利用蒸汽本身的压力把蒸汽送到采暖房间 与热水采暖不同之处是蒸汽放热后回锅炉房的是凝结水 热水采暖的热水温度一般不太高 因此散热器的表面温度也不高 由于热水的热惰性大 冷却较慢 适宜于人们长时间生活和居住的建筑如旅馆 办公楼 蒸汽采暖的散热器表面温度较高 所以散热器的数量可以减少 蒸汽采暖加热得快 冷却得也快 适宜于热损失较大 要求短时间采暖的建筑如影剧院 会堂等 近年 我国采暖技术也在不断发展 新的采暖方式正在逐步推广应用 如蒸汽喷射热水采暖 适宜于多种用途的建筑 可以一个热源多种用途 节约用电 这种采暖方式还保持了热水采暖的优点 在北方应用较多 华东地区还做了地板辐射采暖 带型辐射板采暖 高温水采暖等试验 热风器采暖已有定型烧油热风器产品 体积小 重量轻 效率高 不需要锅炉和外管线 可供高级民用建筑及厅堂类建筑局部采暖和全面采暖之用 2 空气调节它是能够调节室内空气的温度 湿度 风速 洁净度以保证室内有良好空气环境的通风系统 应用于一般标准较高的厅堂类建筑与高级大型民用建筑 与建筑设计关系比较密切的有以下三种系统 集中式空调系统 用一个空气处理室集中处理空气 使具有一定的温度 湿度和洁净度 然后经风机送入空调房间的系统称为集中式空调系统 如果所处理的空气一年四季都采用室外新风 又称为直流式系统 它的热冷耗量大 投资和运行费用高 但卫生条件好 适宜于特殊卫生要求的建筑 通常采用的系统都是利用一部分回风重新处理使用的一次回风及二次回风系统 它可以降低热冷耗量 节约运行费用 集中式空调系统的空调机房集中 设备固定 管理方便 服务面积大 使用寿命长 运行费用低 只要采取有效的消音隔震措施 风道的噪声较低 它的缺点是空调机房面积大 风道粗 要占较大的建筑空间 往往会影响到建筑的层高 尤其是在高层建筑中 面积和层高都很紧凑 风道与建筑抢空间 争墙面的矛盾较突出 这种系统的施工安装现场工作量大 管道保温投资大 风量不易分配调整 当空调房间使用效率不高时 运行费用大 同一系统不能满足各个房间不同的空调要求 所以不适宜于旅馆一类建筑 比较适用于要求风量大 服务面积广的厅堂类建筑 高速诱导系统这种系统以诱导器代替集中空调系统中的普通风口 利用集中空气处理室送来的初次风 经诱导器喷嘴高速喷出 在喷嘴周围造成负压 因此室内空气被吸入诱导器 经过冷热交换器处理后再与初次风混合送入空调房间 由于室内回风就地处理 房间之间彼此无污染 卫生条件好 送风量可以比集中式空调少2 3倍 风道断面可以小得多 省去了回风道 但是 由于风速高 噪声也高 要采取消音措施 由于本身不宜装置滤尘器 所以不适用于室内较清洁的房间 每台诱导器的作用深度有限 一般不大于6 所以不适于大空间建筑的空调 一般标准较高的民用建筑如宾馆等采用较多 盘管风机系统 是一种把冷热交换器和风机装在一起的空调设备 风机主要引入室内空气 回风 同时也吸入部分新风 新风来源或从集中的空气处理室送来 或直接从墙外吸入新鲜空气 冷热交换器的冷 热媒分别采用冷冻水或热水 所以必须有集中的冷冻机房和锅炉房 这种空调系统灵活性大 各房间可以自行调节室温 不用时也可关掉风机 特别适用于宾馆一类建筑 新风道的风量仅是卫生标准所需要的空气量 比集中式系统所送风量少得多 所以风道截面可做得很小 当直接从墙外吸入新风时 可以省去风道 但立面不易处理 而且容易把室外的灰砂带入 所以进风口要作吸尘处理 这种方法还存在新风量受室外自然环境影响 不易稳定 冬季加湿问题不易解决等问题 但是它比较经济实用 存在问题是可以设法解决的 盘管风机的具体方式有立式和卧式两种 通常立式明装在房间窗台下 卧式暗装在房间靠近走廊的吊顶内 近年随着防空地道及地下建筑物的日益增多 群众在实践中创造了利用地道降温的新方法 它不是一种空气调节 仅仅是作为夏季降温 但在送风降温的效果方面却与空调设备基本相同 实践证明这是一种简单 经济 实用的降温措施 许多地方都已把它应用于中小型影剧院 会堂的夏季降温 并取得显著效果 也积累了许多经验 根据各地的实践经验 认为在采用地道风降温时需要考虑以下条件 1要有必要的地道长度 长度不足 会降低冷却效果 2地道壁及周围土壤不能受到污染 3有严格防潮要求的地道不能利用来冷却空气 因为冷却过程中 壁面会出现结露现象 4适用于间歇运行但经常使用的建筑 如果夏季只偶尔使用时 可能会有毒味 通风效果不好 5适用于降温要求不高 对空气湿度无严格要求的建筑 由于地道壁温较高 地道风冷却降温不可能很低 所以送风温度较高 同时地道送风的湿度无法按要求进行调节 所以只适宜于降温要求不高 对空气湿度无严格要求的建筑 如影剧院 会堂 办公楼 商店等 一般影剧院夏季降温能维持在27 29 就可基本满足要求 采用地道风降温是适宜的 根据某礼堂实践 当地下通道断面为1 2 1 8 长度不小于200 风量20000 3 小时左右 可使送风温度保持在24 左右 地道风降温系统是一般直流式 无回风管路 系统 必须注意进风口与排风口的布置 使排风通畅 维持合理气流组织 如果排风口设置不当 会引起排风不畅 造成室内正压 或个别排风口风速过高 使室内气流紊乱 区域温差过大 降低总的降温效果 气流的组织 气流组织就是研究空调房间内送风与排风的组织方式 合理组织送风与排风的目的是 1 有效 合理地把经过处理的空气送到人们居住逗留的地带 2 使整个工作地带保持适宜 均匀 稳定的湿温度 气流速度和空气的洁净度 排出含有热量 湿量以及污浊物质的空气 对于大型厅堂采用集中式空调系统的气流组织方式主要有二种 上送下回 送风口设在天花板上或侧墙的上部 回风口平均分布在观众席位下面 舞台下部或侧墙下部 有时在天花板上也设置一些排风口 从送风口向下送入的空气在大厅上部和室内空气混和后 送入观