大跨度建筑构造史上最全面

第四章大跨度建筑构造,本章内容主要的大跨结构类型及造型特点屋顶的构造处理要点天窗设计要点,各类型大跨结构的基本力学原理和特征建筑造型与结构的有机结合。尺度的概念屋顶构造及天窗,学习重点,大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家标准钢结构设计规范、网架结构设计与施工规程将60m以上定义为大跨度结构，计算和构造均有特殊规定。我国目前最大跨度做到340m，以钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。,大跨度建筑构造-概论,界定：30M以上我国现行钢结构规范：60M以上历史万神庙美国底特律韦恩县体育馆（WayneCountystadium）（266m，圆形钢网壳）上海体育馆（110m，圆形钢平板网架）英国千年穹（365m，帐篷结构）,如何选择结构形式造型空间利用的合理性对内部装饰的影响,万神庙,穹顶直径达43.3米。顶端高度也是43.3米。它中央开一个直径8.9米的圆洞。结构为混凝土浇筑，为了减轻自重，厚墙上开有壁龛，龛上有暗券承重，龛内置放神像。神像外部造形简洁，内部空间在圆形洞口射入的光线映影之下宠伟壮观，富有神秘感。,上海体育馆是国内大型的体育馆之一，一九七五年建成使用。主馆呈圆形，高33米，屋顶网架跨度直径110米，可容纳观众18000人。,英国千年穹,整个建筑采用帐篷结构，12根100米高的钢桅杆直刺苍穹，张拉着直径365米，周长大于1000米的穹面钢索网。光是钢索网就用了长达43英里的钢缆。室内最高处为50多米，容积约为240万立方米。屋面材料表面积10万平方米，材料仅为1毫米厚的膜状材料，却坚韧无比。同时它有卓越的透光性，可充分利用自然光。,日本大馆树海圆拱,日本秋叶台文化体育馆,日本东京穹顶以棒球等体育运动的观看为目的，膜屋顶是用空气的压力所支撑的，并由绳索来补强的结构，膜屋顶平面是边长为180米的正方形，空气膜结构有加压送风系统，室内压力比外部气压高300Pa，保持增压状态。,大跨度结构形式可分为两大类,平面结构体系桁架刚架拱（把结构构件本身作为独立的单元来考虑）,空间结构体系网架折板薄壳悬索（把结构的所有组成构件协同起来共同跨越空间，作为整体来考虑整体作用大于单个作用之和，且多向受力比单向受力更发挥材料潜力，空间工作比平面工作更符合力的自然传递路线）,十种常用的大跨度结构形式,拱刚架桁架,网架折板薄壳悬索帐篷薄膜（张拉）充气薄膜悬挑（各种方式的应用和组合）,一、拱结构及其造型,特点结构类型影响造型的因素,一、拱结构及其造型,特点轴向受压（无弯距、只要求材料的受压性能好，可以很薄。相同截面高的拱与梁，由于前者的曲面作用，跨度相差n倍）有横向侧推力,一、拱结构及其造型,结构类型无铰拱、两铰拱、三铰拱木、钢、钢筋混凝土实腹、空腹,一、拱结构及其造型,影响造型的因素矢高f（1/5-1/7不小于1/10）平衡水平侧推力的方式（见下图）由拉杆承受拱推力的建筑造型由框架结构承受拱推力的建筑造型由基础承受拱推力的建筑造型屋面材料的类型（如油毡f不小于1/8）实例,二、刚架结构及其造型,特点结构类型影响造型的因素,刚架结构是由梁和柱组成的结构，各杆件主要受弯。刚架的梁和柱结点主要是刚结点，也可以有部分铰结点或组合结点。,排架的结构:排架由屋架（或屋面梁）、柱和基础组成，柱与屋架铰接，与基础刚接。是单层厂房结构的基本结构形式。排架结构：顾名思义，一排一排的。主要用于单层厂房，由屋架、柱子和基础构成横向平面排架，是厂房的主要承重体系，再通过屋面板、吊车梁、支撑等纵向构件将平面排架联结起来，构成整体的空间结构。,二、刚架结构及其造型,受力特点：刚结点（与排架结构对比）：大大减少梁的跨中弯距在竖向荷载作用下能减少梁的跨中弯距在水平作用下能减少柱内弯距刚架结构轻巧，可以节省钢材和水泥结构下部的空间增大倾斜的横梁使建筑的外轮廓富于变化,特点结构断面小，外形简洁，可暴露结构构件门型刚架中部向上微翘有利于综合利用室内空间，扩大净空高度适用于40m跨度以内，动荷载不能太大（吊车10T，远小于排架）适用范围：体育馆、礼堂、食堂、菜场等,二、刚架结构及其造型,结构类型无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架,二、刚架结构及其造型,三、桁架结构及其造型,特点结构类型造型,桁架由以铰接三角形为单元(空腹桁架是刚接四边形)、不承受垂直于杆轴的荷载的杆件组成的格构体系空腹桁架:桁架通常由上下弦杆和腹杆组成，普通桁架（称之为实腹桁架）的腹杆由斜腹杆和（竖）直腹杆组成，但往往建筑师不希望出现斜腹杆影响其造型和采光，那么去掉斜腹杆以后剩下由直腹杆和上下弦杆组成的桁架即为空腹桁架。,三、桁架结构及其造型,特点格构形，全部节点均为铰接，每一杆件受力均为轴向力。受力时考虑施于节点，可避免使杆件受弯。优点省材受力明确自重轻，可跨越较大空间便于安装运输缺点结构高度较大，需增强稳定性桁架结构的建筑造型用于屋顶的承重结构，可设计为单坡、双坡、单跨、多跨等外观形状,三、桁架结构及其造型,类型按构成三角形结构高度最低1/5-1/218m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。,三、桁架结构及其造型,三、桁架结构及其造型,实例,四、网架结构及其造型,特点结构类型网架尺寸杆件断面节点连接造型,四、网架结构及其造型,特点杆件互相支撑，形成多向受力的空间结构优点空间刚度好（多向受力，整体性好）自重轻跨度大（受力合理，节省材料）杆件规格统一为有限的几种，易于工厂化生产有利于选型、适于各种屋面形状杆件之间互相起支撑作用,形成多向受力的空间结构,杆件主要承受轴向力整体性好、稳定性好、空间刚度大、有利于抗震充分发挥材料的强度，节省材料结构高度小，可有效利用空间,四、网架结构及其造型,类型按外形平板、曲面按层数单层、双层、多层按材料木、钢、钢筋混凝土,四、网架结构及其造型,平板网架构造简单：双层平板，无侧推力，只需简单支座可覆盖各种形式平面交叉桁架体系（两向或三向；正放与斜放）角锥体系（三角锥、四角锥、六角锥）适用范围：用于建造大跨度公共建筑的屋顶，适用于多种平面形状。,网架结构及其造型,角锥体系平板网架,四、网架结构及其造型,尺寸网格高度（高跨比）约1/15网格尺寸采用钢筋混凝土屋面板时3m3m杆件断面与节点连接,四、网架结构及其造型,影响造型的因素网架形式支座方式,四、网架结构及其造型,四、网架结构及其造型,五、折板结构及其造型,特点结构类型造型实例,五、折板结构及其造型,特点L1/L21短折板L212米L1/L21长折板薄、省材；预制装配（装配整体式）；构造简单,1、受力特点及适用范围受力特点：折板结构由折板和横隔构件组成折板结构呈空间受力状态，具有良好的力学性能结构厚度薄、省材料、构造简单适用范围：可用来建造大跨度屋顶，也可用于外墙2、折板的结构形式：单波和多波；单跨和多跨；三角形及梯形折板3、折板结构的建筑造型结构简单，可预制装配施工，广泛用于建筑中，造型新颖，具有独特外观,五、折板结构及其造型,类型断面外形,折板结构及其造型,折板结构及其造型,六、薄壳结构及其造型,特点结构类型,薄壳结构及其造型,类型筒壳、球壳、扁壳、鞍形壳,1、受力特点及适用范围受力特点：用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构呈空间受力状态，主要承受曲面内的轴向力，弯距和扭距很小混凝土强度得到充分利用，有很好的强度和刚度具有自重轻、省材料、跨度大、外形多样的优点适用范围：薄壳结构可用来覆盖各种平面的建筑屋顶，但其体型复杂又采用线浇施工，且结构计算较复杂，不宜承受集中荷载，这些缺点影响其推广。2、薄壳的结构形式：筒壳、圆顶壳、双曲扁壳、鞍形壳等3、薄壳结构的建筑造型：以各种几何曲面图形为基本特征，在造型上独具特色，给人以新奇感，突出建筑个性。,薄壳结构及其造型,薄壳结构及其造型,罗马万神庙结构体系,薄壳结构及其造型,罗马小体育宫结构体系,薄壳结构及其造型,筒壳结构：长短筒壳,薄壳结构及其造型,KimbellMuseum,薄壳结构及其造型,双曲面壳体,薄壳结构及其造型,广州星海音乐厅,HangingmembranesbyHeinzIsler,自由壳体的构想,自由壳体的构想,IndoorTennisCenterinHeimberg,Switzerland,薄壳施工,IndoorTennisCenterinHeimberg,Switzerland,薄壳施工,IndoorTennisCenterinHeimberg,Switzerland,薄壳施工,国家大剧院,网格壳体:钢结构,国家大剧院,网格壳体:索膜穹顶,索膜穹顶,薄壳结构及其造型,薄壳结构及其造型,薄壳结构及其造型,薄壳结构及其造型,薄壳结构及其造型,七、悬索结构及其造型,特点结构类型,悬索结构及其造型,特点分工明确索网：钢索，只受力边缘构件：梁、桁架、拱等支承结构造型新颖、跨度大、施工简便,1、受力特点及适用范围受力特点：由索网、边缘构件、下部支撑结构三部分组成只承受轴向拉力，既无弯距也无剪力索网的边缘构件是索网的支座，索网通过锚固件与固定在边缘构件上索网结构能充分发挥材料的力学性能，利用钢索受拉、钢筋混凝土边缘构件受弯，能节省大量材料，减轻结构自重适用范围：悬索索网结构由于受力合理，自重轻，能跨越巨大的空间而不需在中间加支点。建筑功能灵活，在大跨度建筑中应用广泛。2、悬索结构形式：单层曲面、双层曲面、双曲面轮辐式、双曲面鞍形3、悬索结构的建筑造型：以几何曲面为特征，但有自身特点，表现在两方面：悬索只能受拉，不能受压，外形呈凹曲面悬索由两造不同材料的构件组成（索网、边缘构件），其变化能创造出与基本形式截然不同的造型,七、悬索结构及其造型,类型单层单曲面双层单曲面轮辐式鞍形,悬索结构及其造型,类型单层单曲面双层单曲面轮辐式鞍形,悬索结构及其造型,类型单层单曲面双层单曲面轮辐式鞍形,悬索结构及其造型,悬索结构及其造型,悬索结构及其造型,悬索结构及其造型,八、帐篷薄膜结构及其造型,特点撑杆+篷面,实例,1、受力特点及适用范围受力特点：利用骨架、网索将各种现代薄膜材料绷紧形成建筑空间的一种结构薄膜不能承受荷载，绷紧后承受拉力且任何状态下保持，否则会失稳轻巧柔软、采光好、构造简单、安装快、便于拆迁、外形千姿百态适用范围：适用于各种建筑平面，主要用于临时及半永久建筑：博览会、体育建筑、文娱演出等其它临时建筑2、张拉薄膜结构的设计要点：薄膜面料应选择轻质、高强、耐高低温、防火性好、具有一定透明度的材料拉索布置应使薄膜表面呈方向相反的双曲面，且对拉索施加预应力保证不松弛应布置足够的拉索使其表面形成连续曲面，并使其表面有足够的坡度尽可能地减少室内的撑杆或支架，以免防碍内部空间的使用3、张拉薄膜结构的建筑造型：张拉薄膜结构只有在受拉绷紧的状态下才能保持结构的稳定，其型体全部由双曲面构成。形体随撑杆及索网的位置、方向、部位等变化而变化。,九、充气薄膜结构及其造型,类型气承式气肋式,实例,1、受力特点及适用范围受力特点：利用薄膜材料制成气囊，充气后形成建筑空间，并承受外力在任何情况下都必须处于受拉状态才能保持结构的稳定充气薄膜结构兼有承重和围护双重功能，简化了建筑造型薄膜充气后均匀受拉，能充分发挥材料的力学性能适用范围：体育馆、展览馆、餐厅等，且特别适合于防震救灾等临时性及永久性建筑2、充气结构形式：气承式：鼓风机不断向气囊送气，保持正压就可维持体形。气肋式：以密闭的充气薄膜做成肋，并达到一定的刚度以便承重，在各气肋的外面在敷设薄膜作围护，形成一定的建筑空间。3、充气薄膜结构的建筑造型：充气薄膜结构的建筑形体由向外凸出的双曲面构成充气薄膜结构的建筑造型随建筑平面形状和固定薄膜的边缘构件形式而变化,十、悬挑结构及其造型,要点考虑倾覆力矩；出挑构件的结构形式多样实例,1、受力特点及适用范围受力特点：将梁、板、桁架等构件从支座处向外作远距离延伸形成空间悬挑结构所覆盖的空间使其周边不出现承重墙柱悬挑结构会产生倾覆力距，允许跨度比较小适用范围：体育馆、雨棚、观演厅等2、悬挑结构形式：梁板结构：悬挑长度不大轻型结构：悬挑距离较远3、悬挑结构的建筑造型：单面悬挑的建筑造型双面悬挑的建筑造型伞状悬挑的建筑造型,悬挑结构及其造型,悬挑结构及其造型,大跨度建筑构造-屋顶构造,大跨度屋顶设计要求：结构轻；水流路线长应保证防排水；保温隔热等热工要求屋顶构造组成承重结构、基层、防水层有檩方案、无檩方案,防水材料橡胶卷材涂膜金属瓦屋面彩色压型钢板屋面,大跨度建筑构造,大跨度建筑屋顶构造,大跨度建筑屋顶构造,大跨度建筑屋顶的特点：,跨度大，故要求自重轻应选择质轻高强的材料与构造做法多为大型公共建筑，故要求耐久性好、使用年限长应选用耐久性材料和构造方法空间大、要求高，故防水保温隔热性能要求较高大量人群聚积，故防火安全要求高多为重要标志性建筑，故屋顶造型能力要求较高,大跨度建筑屋顶构造屋顶的构造组成：承重结构,屋面基层,有檩方案,无檩方案保温层或隔热层防水层（保护层）,大跨度建筑屋顶构造,大跨度建筑屋顶构造,几种防水层的构造做法：,卷材防水层,涂膜防水层,金属瓦防水层,彩色压型钢板防水层,大跨度建筑构造,卷材防水层,大跨度建筑屋顶构造1.卷材防水层：三元乙丙橡胶卷材用cx404胶粘接基层和卷材背面同时刷胶拼接处搭接100并用丁基橡胶粘接面再涂银色涂料以反射阳光,三元乙丙橡胶卷材：-4080使用范围广，抗拉好，不易开裂，使用年限长，但价高,大跨度建筑构造,涂膜防水层,大跨度建筑屋顶构造2.涂膜防水层：,优点：,涂膜防水层能够适应任何复杂的计取面形状使用寿命较长屋面自重轻，施工简便,但:,涂膜厚度比较薄，容易破损,大跨度建筑屋顶构造2.涂膜防水层：,有胎布的情况（铺有玻璃丝布的涂膜防水屋面）：,如：再生橡胶沥青涂料、氯丁胶乳沥青涂料、氯磺化聚乙烯涂料等基层要求平整、强度较高、无裂纹、无尖锐转角、屋面坡度3-25%屋面基层易开裂部位应留分格缝、并填防水油膏，上再铺玻璃丝布一布三涂、二布四涂、或二布六涂保护层-涂银色防水涂料等、或粘石英砂等、或铺地砖等,无胎布的情况（不铺玻璃丝布的涂膜防水屋面）：,如：聚氨酯涂膜防水层（抗拉强度和延伸率大的防水涂料）通常为双组涂料，按1：1.5配合拌匀用塑料或橡胶刮板刮涂两次,大跨度建筑屋顶构造,涂膜防水层P142：,大跨度建筑屋顶构造,涂膜防水层：,大跨度建筑屋顶构造涂膜防水层细部构造P143：,大跨度建筑屋顶构造涂膜防水层细部构造：,大跨度建筑构造,金属瓦防水层,大跨度建筑屋顶构造,3.金属瓦防水层：,它是用镀锌铁皮瓦或铝合金瓦作防水层,优点：,屋面自重轻、防水性能好、使用年限长,但:,瓦材拼接多、费工费时、造价高,大跨度建筑屋顶构造,金属瓦屋面构造层次：,大跨度建筑屋顶构造,金属瓦屋面划分（瓦材最大尺寸2米）,大跨度建筑屋顶构造,金属瓦屋面瓦材的拼缝形式,大跨度建筑屋顶构造,铝合金瓦屋面实例：,大跨度建筑屋顶构造,镀锌铁皮瓦屋面实例：,大跨度建筑构造,彩色压型钢板防水层,大跨度建筑屋顶构造4.彩色压型钢板防水层：它是用防腐性能很高的彩色压型钢板作屋面防水层,优点：,质轻高强、施工安装快且易、色彩艳丽、质感强、艺术效果好,但:,造价高,（四）、彩色压型钢板屋面,根据彩板的功能分为单层彩板和保温夹芯彩板。,大跨度建筑构造-屋顶构造,彩色压型钢板屋面材料形式,大跨度建筑构造-屋顶构造,彩色压型钢板屋面材料形式,（四）、彩色压型钢板屋面,根据彩板的功能分为单层彩板和保温夹芯彩板。1、规格：板宽：5001500板长：12m板厚：单层彩板：0.41.0mm保温夹芯彩板：常用50100mm2、编号：,2、编号：由产品代号和规格尺寸组成。,压型钢板代号：YX波高：35mm波间距：125mm单块板有效宽度：750mm编号：YX35-125-750(V125),硬质聚氨酯夹芯板代号：JYJB波高：42mm波间距：333mm单块板有效宽度：1000mm编号：JYJB42-333-1000,3、连接与接缝构造：,（）、彩板连接：彩板大多直接支承于檩条（槽钢、工字钢或轻钢）上。檩条间距：一般为1.53.0m。屋面板的坡度：与降雨量、板型、拼缝方式有关。一般不小于3。,（2）、接缝构造：a、搭接缝；b、与檩条连接：c、卡扣缝；d、卷边缝,（2）、接缝构造：A、纵向连接：,构造要点:纵向搭接应位于檩条处，且每块板伸入支座长度50mm,故搭接处改用双檩或檩条一侧加焊通长角钢；纵向搭接长度：坡度10%：200mm；坡度10%：250mm；搭接部位设密封胶带。,（2）、接缝构造：B、横向连接：,搭接缝构造要点:搭接处设密封胶带。搭接方向宜与主导风向一致。P150,保温夹芯板屋面细部构造,中庭天窗设计,中庭：建筑物内部的空间，其最大的特点是形成具有位于建筑物内部的“室外空间”。是建筑设计中营造一种与外部空间既隔离又融合的特殊形式，或者说事建筑物内部环境分享外部自然环境的一种方式。中庭是一个多功能大厅，既是交通枢纽，又是人们交往活动的中心，被称为“共享大厅”。“四季大厅”小岛、水景、绿色植物，充足的自然光。,大跨度建筑构造-中庭天窗构造,中庭天窗设计要点：1、中庭的形式及设计要求2、中庭的消防安全设计3、中庭天窗构造,（一）中庭的基本形式,（二）中庭的设计要求,1、节能要求：太阳能通风（风循环）、保温（控制中庭规模）、隔热,2采光要求，庭院本身的比例长、宽、高之间的比例关系（中庭的室形指数）,尽量利用自然采光采光方式、透光材料、构造技术。右图表示了中庭的室形指数与地面获得直射光数量的关系。宽敞低矮的中庭，地面获得的直射光数量较多。窄而高的中庭，地面获得的直射光数量较少。所以天空越是不明亮的地区，中庭的室形指数就应该大些。综述，获得良好的采光，除设计好天窗本身外，还必须考虑到：中庭尺度、四周墙面反光性质、色彩深浅、景观设计,3、气候控制要求,在不同类型及不同地区的建筑中，中庭可以具备不同的气候调节特性，使建筑物地区气候的影响与中庭的使用相结合。1、采暖中庭：适用于常年寒冷气候较长的地区。2、降温中庭：使用于建筑内部要求保持不受高温，高湿以及强烈日晒影响的情况下。3、可调温中庭：在不同季节有采暖和降温的特性。,大跨度建筑构造-中庭天窗构造,中庭的消防安全设计1、中庭的防火分区可参照高层民用建筑设计防火规范(GB50045)对高层建筑中庭防火措施的规定:中庭防火分区面积应按上下层连通的面积叠加计算，当超过一个防火分区时，应采取以下防火措施：(1)房间与中庭回廊的门应设自动关闭的乙级防火门；(2)与中庭相连的过厅通道，应设乙级防火门或耐火极限大于3h的防火卷帘门分隔；(3)中庭每层回廊应设有自动灭火系统，其喷头间距不小于2m，不大于3.8m，中庭高度超过8m时，还应增水幕设备；(4)中庭每层回廊应设火灾自动报警设备；回廊:在建筑物门厅、大厅内设置在二层或二层以上的回形走廊。,2、中庭的防排烟（1）必须使中庭空间能有效地排烟。a自然排烟：不依靠机械设备，通过中庭上部开启窗口的自然通风方式排烟。b机械排烟：机械设备对建筑物内部加压的方式使烟气排出室外。中庭的机械排烟途径可以有两种：(1)对安全楼层加压，不对中庭加压，通过中庭排烟或将烟从中庭外部排出。(2)对安全楼层加压，并对中庭加压，使烟从危险楼层直接向外排出。（2）应按规定设排烟设施:净空高度小于12m的室内中庭可采用自然排烟措施，其可开启的平开窗或高侧窗的面积不小于中庭面积的50%。不具备自然排烟条件及净空高度超过12m的室内中庭设置机械排烟设施。此外，还要在中庭顶棚、走道、周围房间等部位设有烟感探测器。同时还要采取隔离措施，保证周围房间的烟火不窜入中庭空间。,大跨度建筑构造-中庭内部排烟,加压送风管道上的防火阀的动作温度应为70,大跨度建筑构造-中庭天窗构造,中庭天窗构造中庭围护结构有时也可以采用在大跨度建筑中发展起来的织物篷幕结构充气结构与张拉结构。织物的透光性较差，在较强的天空亮度下半透明性的织物可以使中庭产生少量的扩散光照度；织物可以具有良好的反射性能，一般白色界面的织物白天可以反射掉约百分之七十的日光热量，具有整体建筑节能的特点，同时夜间照明比较经济。在织物围护的中庭中，应避免弧面的声反射聚焦给室内使用带来的影响，在造型设计和构造处理中减少不良的声学效果。在中庭采光处理中，最常用的是金属骨架玻璃采光天窗的方式。,大跨度建筑构造-中庭天窗构造,材料的选择：采光天窗主要由骨架、透光材料、连接件、胶结密封材料组成。天窗透光材料的选择：安全要求、透光性能、耐久性、热稳定性、抗冲击性能。在需要防眩光处理的天窗中，也可以选择具有漫反射功能的透光材料来避免眩光的产生。,中庭天窗构造中庭的常用材料,骨架材料,型钢、轻钢、铝合金等,连接与密封材料,透光材料,夹层玻璃,丙烯酸酯有机玻璃聚碳酸酯有机玻璃镀膜、中空、双层等覆盖材料,不透光材料,帐篷薄膜结构充气薄膜结构等,大跨度建筑构造-中庭天窗构造,中庭天窗形式的选择按进光的形式不同玻璃顶、侧天窗。选择形式的依据：自然条件：纬度、日照、避免室内过热技术条件：中庭的规模、屋顶结构型式、建筑造型要求常见天窗形式:1.棱锥形天窗2.斜坡式天窗3.拱形天窗4.圆穹形天窗5.锯齿形天窗6.其他形式的天窗,大跨度建筑构造-中庭天窗构造,1.棱锥形天窗,大跨度建筑构造-中庭天窗构造,2.斜坡式天窗玻璃面的坡度一般为15-30，坡长一般在15