建筑结构选型章节案例分析

建筑结构选型 1 目目 录录 第一章第一章 一般平板结构一般平板结构 第二章第二章 桁架与屋架桁架与屋架 第三章第三章 刚架结构与排架结构刚架结构与排架结构 第四章第四章 网架结构网架结构 第五章第五章 高层建筑结构高层建筑结构 第六章第六章 拱结构拱结构 第七章第七章 悬索结构悬索结构 第八章第八章 薄壁空间结构薄壁空间结构 附篇附篇 膜建筑结构膜建筑结构 建筑结构选型 2 第一章第一章 一般平板结构一般平板结构 举例举例 中央电视台新址中央电视台新址 结构形式结构形式 中央电视台总部大楼主楼的两座塔楼双向内倾斜 6 度 在 163 米以上由 L 形悬臂结构连 为一体 建筑外表面的玻璃幕墙由强烈的不规则几何图案组成 央视大楼的结构是由许多 个不规则的菱形渔网状金属脚手架构成的 这些脚手架构成的菱形看似大小不一 没有规 律 但实际上却经过精密计算 作为大楼主体架构 这些钢网格暴露在建筑最外面 而不 是像大多数建筑那样深藏其中 奥雷 舍人说 这样压力基本都能沿着系统传递下去 并 找到导入地面的最佳路径 从外观上看 大楼有一部分钢网结构 包括拐角等压力较大部 建筑结构选型 3 位 比较密集 它们也是整体设计思想的一部分 由于大楼的不规则设计造成楼体各部分 的受力有很大差异 这些菱形块就成为了调节受力的工具 受力大的部位 将用较多的网 纹构成很多小块菱形以分解受力 受力小的部位就刚好相反 用较少的网纹构成大块的菱 形 施工情况施工情况 1 压力不平衡可致地陷 就像跷跷板两边分别放坦克和书桌 好看难建 北京市勘察 设计研究院的国家级勘察大师张在明用了这四个字简单概括了央视新址的工程特点 具体负责央视新址勘察的耿一然工程师介绍说 央视新楼的怪异形状导致了对地基压 力的极端不平衡 两座巨型塔楼和旁边的低矮建筑位于同一个地基之上 这就像把一 辆坦克和一张书桌放在跷跷板的两边 据测算 央视新楼的地基将承受三种截然不 同的压力 两座塔楼的地上层数分别为51 层和 45 层 高约 230 米 由于塔楼主体 并不是垂直于地面的 而是呈 8 4度斜角向天空延伸 其压力相当于约 3 0 0 米 高楼的压力 超 2 0 0 吨 平方米 地上建筑为 9 层的裙楼 下压力较为正常 大约 是 40 吨 平方米 而主塔楼的旁边是地上1 层 地下 3 层的低矮建筑 这部 分地基的压力仅有 15 吨 平方米 甚至还没有挖掉的土的压力大 耿一然介绍 在 同一个地基上的三种压力竟然相差十多倍 这在北京的建筑史上是非常罕见的 塔楼 的压力足以使地基下陷超过一米 如解决不好 可致使建筑物出现结构变形 管线 爆裂 玻璃幕墙脱 落等问题 2 反弹力可致地基上浮 地基就像漂起来的空盒子 危险性不止在于土 地基压力极小 的低矮建筑部分还要受到地下水的严重影响 耿一然介绍说 由于低矮建筑部分压力 过小 在地下水反弹力的影响下 地基肯定要上浮 另一方面 目前央视工程的地下 水位在地下 15 米左右 但其历史最高水位曾达到地下 3 米 如果地下水位上升 低 矮建筑就会像 空盒子 在水里漂起来 三难悬梁百米空中建楼罕见就像半空出现海 市蜃楼塔楼在百米左右的空中将通过一折成直角的悬挑部分相连接 而这一悬挑部分 实际就是一座约 10 层楼的建筑体 这个建筑体下方没有任何依托 就好像半空中出现 的海市蜃楼 其空间难题可想而知 解决方案一 底板就像雪地上放木板 人站上面不下陷 针对塔楼压力 专家们的解 决 米的钢筋混凝土底板 这样就可以将压力减小到 110 吨 平方米 耿一 然说 这就好像在雪地里放一块大木板 人站上去就不会陷进去 解决方案二 桩柱就像钉子钉入木头 既防下陷又防外拔 在加铺底板的同时 专家 们研究出另一个方案 打桩 将若干混凝土柱子插入地基下面一定 深 度 它一方面可将地下土层 挤 得更密实 增强抗压能力 另一方面 可与周围土层产生强大的摩擦力 就像钉子钉入木头一样 再往下压就 会很困难 耿一然介绍说 普通桩柱已经不能满足要求 将采用一种 直径达 1 米 长达 50 米的桩柱 这么深的桩柱在北京的建筑中将是首 次使用 在地基压力小的地方 也将采用打桩的办法 与前者不同的 是 桩柱在这里的作用是 抗浮 耿一然同样用了 钉子 来打比方 当把钉子钉进木板后 要想把它往外拔也不是件容易的事情 建筑结构选型 4 第二章第二章 桁架与屋架桁架与屋架 举例举例 鸟巢鸟巢 结构形式结构形式 国家体育场是钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式 鸟巢 结构 看台地 下 1 层为混凝土结构 地上 7 层为钢筋混凝土框架 体育馆的外部为钢结构 体育馆屋顶 钢结构上覆盖了双层膜结构 体育馆混凝土看台为剪力墙结构 是用钢筋混凝土墙板来代 替框架结构中的梁柱 能承担各类荷载引起的内力 并能有效控制结构的水平力 这种用 钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构成为剪力墙结构 建筑结构选型 5 施工情况施工情况 1 构件体型大 单体重量重 构件体型大 单体重量重 作为屋盖结构的主要承重构件 桁架柱最大断面达 25m 20m 高度达 67m 单榀最重 达 500 吨 而主桁架高度 12m 双榀贯通最大跨度 145 577 112 788m 不贯通桁架最大跨 度 102 391m 桁架柱与主桁架体型大 单体重量重 2 节点复杂 节点复杂 由于该工程中的构件均为箱型断面杆件 所以 无论是主结构之间 还是主次结构之间 都存在多根杆件空间汇交现象 加之次结构复杂多变 规律性少 造成主结构的节点构造 相当复杂 节点类型多样 制作 安装精度要求高 3 工期紧 工期紧 该工程量大 但安装工期相当短 工程于 2003 年 12 月 24 日开工 于 2007 年底前完工 2008 年 3 月底竣工 工期紧 与土建施工交叉作业 平面场地紧张 4 单纯从结构角度看 单纯从结构角度看 将格构式钢架用于如此大的跨度并不十分理想 其梁柱连接部位及 建筑结构选型 6 跨中部位受力均较大 导致结构用钢量过大 也使结构永久荷载所占比例过高 因此在 2004 年曾对设计方案进行过一次调整 即取消原有的可开启屋盖 并相应扩大了屋顶开口 这样调整仍然保持了 鸟巢 的设计理念 但用钢量减少了 22 3 相应也提高了结构的 安全性 第三章第三章 刚架结构与排架结构刚架结构与排架结构 举例举例 某厂房某厂房 结构形式结构形式 建筑结构选型 7 第四章第四章 网架结构网架结构 举例举例 水立方水立方 结构形式结构形式 国家游泳中心工程地上钢结构墙体和屋盖为新型多面体的空间钢架结构体系 多面体 建筑结构选型 8 的空间钢架结构几何构成的理论基础是 气泡理论 即用两种不同的单元体 一种是 14 面体 另外一个为 12 面体 将三维空间细分为若干小部分 每个部分的体积相等但保证接 触表面积均最小 这种多面体组合被称为 wp 多面体 水立方 结构几何体的基本模型是基于优化改良的多面体组合建立起来的 其几何 体是这样形成的 首先生成一个比水立方建筑的的更大的多面体阵列 再把这个阵列围绕 0 0 0 1 1 1 矢量轴旋转 60 在多面体阵列中切出 176 5389m 176 5389m 29 3789m 立方体的建筑外形 然后在立方体的内部挖去内部使用 空间 这样便切出了屋盖和墙体结构 多面体单元在两个切割平面上切出的屋盖结构的上 弦 下弦杆件和墙体结构内外表面弦杆 两个切割平面之间的多面体棱边便为结构的腹杆 新型多面体空间刚架结构最基本的特点是其几何构成不同于传统的空间 传统网格结 构都是由简单基本单元 例如三角锥 四角锥等 组合而成 而这种新结构则由复杂的类 WP 多面体单元填充的实体减去不需要的空间而得到 基本类 WP 多面体单元一个角点 即结构 中的节点 上只有四条边 即结构中的杆件 与之相连 而传统网架一个节点上至少有 6 根杆件 与之相连 角点形式只有三种 一共只有四种边长 类 WP 多面体阵列经旋转 切割形成结构 的屋面和墙面后 与表面上节点相连的杆件数最多为 6 根 施工情况施工情况 对整个施工现场的轴线网进行测量 杆件的定位采用全站仪三维投点法 确定杆件一 端三维坐标点 将三维坐标输入全站仪 运用三台全站仪实测坐标取平差值 以同样方法 确定杆件另一端三维坐标 调整框架安装精度 达到规范允许偏差范围内 建筑结构选型 9 第五章第五章 高层建筑结构高层建筑结构 举例举例 香港汇丰银行大厦香港汇丰银行大厦 结构形式结构形式 悬挂结构悬挂结构 结构设计的重点是 衣架计划 的设计方案 整个地上建筑用四个构架支撑 每个构 架 包含两根桅杆 分别在五个楼层支撑悬吊式桁架 桁架所形成的双高度空间 成为每一群 楼层的焦点 同时还包含了流通和社交的空间 每根桅杆是由四根钢管组合而成 在每层 楼使用矩形托梁相互连接 这种布局使桅杆违到最大承载力 同时把桅杆的平面面积降到 最小 另外 将建筑的钢结构特点裸露在外立面上 使得整个建筑具有现代的以及强有力的气息 主体结构的主要承重构件为自基础延伸至不同高度处的两列巨型钢立柱 每列 4 个共 8 个 用它们承受全楼的重力荷载和水平荷载 每个立柱的平面尺寸为 4 8mX 5 1m 由 4 个圆钢管柱组成 钢管柱间每隔 3 9m 层高 均连以矩形截面加肋钢梁 形成空腹桁架式 的竖向构件 各楼层的重力荷载由 5 个在不同高程上设置的 两层高伸臂桁架 分别承受 具体做 法是在次桁架的中部和两端部共悬吊 3 根吊杆分别承受 4 7 层楼盖的荷载 并将它们传递 给巨型立柱 3 全楼东西向的稳定由上述 5 个两层高的桁架来保证 而南北向的稳定 则靠设置在巨型立柱中间的 5 排双层交叉支撑提供 举例举例 约翰汉考克大厦约翰汉考克大厦 建筑结构选型 10 结构形式结构形式 框架结构框架结构 汉考克大厦建筑结构属于巨型框架结构 整幢结构用巨柱 巨梁和巨型支撑等巨型杆 件组成空间桁架 相邻立面的支撑交汇在角柱 形成巨型空间桁架结构 其受力体系为巨 型桁架结构以及巨型框架结构 这种结构是由大型构件 巨型梁 巨型柱和巨型支撑 组成 的 主结构与常规结构构件组成的次结构共同工作的一种结构体系 巨型结构的结构特点 从平面整体上看 巨型结构的材料使用正好满足了尽量开展的原则 可以充分发挥材料性 能 从结构角度看 巨型结构是一种超常规的具有巨大抗侧刚度及整体工作性能的大型结构 是一种非常合理的超高层结构形式 从建筑角度看 巨型结构可以满足许多具有特殊形态 和使用功能的建筑平立面要求 因此这种结构更加适合汉考克大厦严肃 刚强的外形 第六章第六章 拱结构拱结构 举例举例 悉尼歌剧院悉尼歌剧院 结构形式结构形式 澳大利亚悉尼歌剧院采用预制的预应力混凝土落地三铰拱结构 其拱身是尺度特别大 的箱形拱 悉尼歌剧院在外观整体上看 有由十对壳体组成的 3 组白色壳状屋顶 两个剧 院占用两组大的壳体 另外一组小壳体为餐厅 其中歌剧厅 音乐厅与休息厅并排而立 建筑结构选型 11 各由四块巨大的壳状屋顶覆盖 这些壳状屋顶依次排列 前三个一个盖着一个 面向海湾 依抱 最后一个则背向海湾侍立 可以认为 单个壳体之间的组合是其屋顶的基本组成成 分 与巨大的壳形屋顶相协调的是底部高达 19 rn 的基座 这为屋顶结构提供了一个有效 地抗侧推力的手段 图 1 在扇形肋拱间形成的空的部位的结构组合上 采用梁板式结构体 系 以拱肋的主体结构为基础 于拱肋上搭梁 并且因交接处应力的集中 在结构交接处 的部位梁截面较厚 从而形成了这样的一个传力体系 来自屋面板的压力传递给梁 再传 递给作为主体结构的拱肋 最后传至大石座基础 施工情况施工情况 建筑结构选型 12 第七章第七章 悬索结构悬索结构 举例举例 东京代代木国立综合体育馆东京代代木国立综合体育馆 结构形式结构形式 首先是一个类似悬索桥的系统 它是吊起整个巨大屋面的主要构件 它决定了结构的 尺度 它的安全也决定了整个结构的安全 然后 两边各有一个半圆形的钢筋混凝土刚性 环被从主缆上伸出的众多钢缆吊离地面 与地面形成一个倾角 整个体育馆的基本形态就 是这样 当然实际的样子要复杂一些 主要的变化在于 丹下先生没有把主缆的锚锭放在 中轴线了 而是顺时针转了一个角度 并且两边吊起的也不是半圆 而是各在端部伸出一 个尖角直通主缆的锚锭 这样才形成了最终的像是两个错开的半圆的样子 另外 在众多 吊索的中央可能增加了一道圈梁 以制造出现在这样的屋面曲线 旁边的小体育馆的结构 构成更加简单 总的来讲它就像是一个人在用力的拽起一个圆环 但与下面的图中表现的 样子不同的是 背索没有直接连到主塔上 而是从后面绕出来 在主塔身前绕了一圈之后 连到了塔尖上 建筑结构选型 13 第八章第八章 薄壁空间结构薄壁空间结构 举例举例 巴黎戴高乐机场第二空港楼巴黎戴高乐机场第二空港楼 E 厅厅 结构形式结构形式 混凝土筒壳混凝土筒壳 登机楼为一预制系统 4m 宽的基本单元依次就位并装配到一起 40cm 厚的混凝土壳 承受压力 而钢制的弧形肋受拉 两种结构之间的距离取决于角动量 双层透明玻璃组成 的玻璃表面可以保证水密性 以