大跨建筑结构构思与结构选型

1、大跨建筑结构构思与结构选型大跨建筑结构构思与结构选型读书笔记大空间公共建筑结构与建筑有着密切的关系 , 建筑的形象及构筑 , 以及建筑的空间 , 都与结构形式息息相关。结构本身制约着建筑的外观造型 , 影响着建筑的构筑方式以及建设成本 , 在一定程度上影响或限制了设计师的构思。但就是 , 如果掌握各种结构形式的特点并很好地利用 , 就可以由被动变主动 , 创作出别具特色的建筑作品。总之 , 建筑与结构在大空间公共建筑设计中有着很强的依存、 制约与促进的关系。在我国 , 自从实施改革开放政策以来 , 大空间建筑发展迅速 , 并出现了很多闻名世界的建筑。其中 , 体育建筑就是重要的一份子。例如深圳

2、体育馆与吉林冰球馆 , 都以其特殊的造型与结构形式被人们所熟知。博览建筑也因其重要的作用迅速发展 , 其中由于功能要求 , 大空间博览建筑如雨后春笋般出现。还有交通建筑 , 特别就是航空港建筑发展迅速 , 规模巨大。几乎我国各省市中心城市都建设起现代化机场候机楼。这些机场采用了各种结构形式 , 造型多种多样 , 成为现代空间结构的一个重要展示场。 国外经济发达国家的大空间公共建筑有着更长的历史与卓越的成就 , 罗马小体育馆与利雅得体育场、墨西哥城咖啡厅都以其独特的造型、 结构形式与新材料新技术的应用得到世界各国的关注。 现实表明 , 大空间建筑的构筑都与结构形式关系密切 , 不同的结构形式有着

3、各自的特点 , 我们只有掌握了它们的优点与缺点 , 才能更好的利用它们 , 创作出更好的作品。大跨建筑结构构思与结构选型1、大空间建筑的构筑与结构形式一、网架结构优点 : 用钢量比桁架等平面结构少得多, 重量轻 ,施工简便 ( 螺栓球节点 ), 工期短 , 造价低 , 抗震性能好 , 刚度大等等。适用范围 : 广泛 , 小至一二十米的雨篷, 大至上百米的屋盖。网架结构对建筑平面空间布局的制约相对较小, 外观轻快平直 , 对建筑体型影响也较小 , 给建筑创作留有较大的构思余地。发展现状 : 在我国 , 经过多年的研究与大量实践的检验修正, 网架结构设计理论已比较成熟,并培育了比较强大的设计与理论

4、研究队伍, 足以胜任各种网架结构设计任务。施工技术较成熟 , 经验丰富 , 并形成了专业化生产与施工的厂家。二、网壳 优点 : 靠空间体形受力 , 工厂生产构件现场组装的施工方便、快速 , 受力合理 , 刚度大 , 自重轻 , 体形美观多变 , 技术经济指标好。 形式 : 球面网壳、双曲面扁网壳、柱面网壳、扭网壳 ( 双曲抛物线面网壳 ), 并有多种组合形式。 缺点 : 因为网壳结构只有保持合理的空间体形才具备受力合理的特点 , 所以 , 对建筑的平面空间形状有很强的制约作用 , 对建筑体形有决定性的影响。三、悬索结构受力特点 : 将结构内力的拉压分开, 分别由长于受拉的钢索与长于受压的钢筋混

5、凝土或木结构承受拉力与压力 , 发挥各自专长。 优点 : 受力合理 , 耗材省。建筑轮廓流畅 , 形体优美。 我国发展现状 : 轮辐式双层索系、双曲抛物面索系、索桁架平面索系、索桁架空间索系、单层平面索系、伞形单层辐射索系、悬挂索网、斜大跨建筑结构构思与结构选型拉屋盖 , 以及组合式索网屋盖。四、薄膜结构优点 : 材质轻薄透光、表面光洁亮丽、形状飘逸多变。缺点 : 膜材造价较高 , 使用寿命相对较短。大跨结构发展的动因与条件1 、 经济发展与社会需求2、材料 3、计算理论 4、计算工具 5、施工技术2、建筑与结构 大空间公共建筑与结构的依存与制约关系十分显著 , 其强度远大于一般中小跨度建筑

6、, 其关系更应深入探讨。( 一) 结构对建筑的制约其主要表现 : 1、 空间与形体 2 、 界面与形象 3 、 形式美的表达（二） 建筑与结构的相互促进 大空间公共建筑对结构的最主要要求就就是形式多样化 , 为建筑创作提供得心应手的手段 , 这就是建筑对结构的最大促进。 反之 , 当结构技术取得突破 , 就为建筑设计创造了更大的创作余地 , 促进建筑的发展。（三） 结构与建筑的相对关系 建筑创作的核心在于创造人工空间 , 满足人们的物质与精神需要 , 结构创作的核心就是实体 , 就是构筑空间的有形物质。 空间与实体相互依存 , 但空间就是主角 , 就是建筑的目的 , 实体就是服务于空间的物质手

7、段。可见其主从地位分明。（四） 结构与建筑的矛盾 建筑创作贵在创新 , 个性化则就是其重要的体现。个性化要求不仅在于它与周围其她建筑应有明显的大跨建筑结构构思与结构选型区别 , 更在于它与同类建筑相比有自己的鲜明个性 , 不落雷同 , 这可能就是大空间公共建筑创作的最大难点。 建筑个性化创作直接涉及到结构 , 要求结构形式灵活多样 , 为建筑创作提供较广泛的自由选择与加工改造的余地。然而 , 现实情况就是流行的结构形式同需要相比很有限, 同多样化的需求差距较大 , 矛盾比较突出。这或许就就是大空间公共建筑与结构的最本质的矛盾3、建筑师与工程师建筑工程就是多学科知识的凝聚与多种专业技术的综合 ,

8、 它既需要专业分工与细化 , 做精深的技术工作 , 更需要专业间的密切合作 , 创作出融合协调的作品。一、建筑师职责 ( 一) 建筑构思必须牵涉到结构构思 , 其建筑构思需要与结构构思同步进行。 这两种 构思只能都由建筑师来完成。 ( 二) 建筑造型应该正确反映结构形态 , 构筑的建筑形体既应经济合理 , 也应正确表 达力的传递 , 形式与技术紧密结合。 ( 三) 建筑师肩负主持工程设计重任 , 应积极协调各专业技术的交叉与矛盾 , 使之成为相互合作的综合产品。 总之 , 建筑师在结构构思与结构选型方面负有主导作用 , 既要有一定的概念性结构知识与掌握构思方法的共同语言 , 也要有同结构工程师

9、密切合作 , 互相理解、支持、礼让等精神。二、结构工程师的任务( 一) 工程师应及早参与结构构思( 二)完成结构计算及落实技术细节大跨建筑结构构思与结构选型三、专业合作 ( 一 ) 扩展知识 , 建立合作基础 ( 二) 研究结构形态, 发展边缘学科4、大跨结构的基本知识及其运用（一） 结构的要素及其相互关系 1 、 结构离不开力的作用 2 、结构在力的作用下会产生一定的反应 , 这主要体现在结构的变形上。3、 结构系统本身就是作用- 系统 - 反应这一关系链中的关键环节。（二）结构的基本概念结构的形态 , 一方面取决于建筑的功能与造型要求 , 另一反面取决于结构的受力情况。1 、 结构的受力(

10、1) 直接作用 直接以力的形式对结构产生作用 (2) 间接作用 就是由于地面运动、结构变形、温度变化、材料性能改变 ( 材料老化、 变性) 等因素引起结构内部发生力的作用。2 、 荷载的分类(1)按作用时间分为恒荷载、活荷载、偶然荷载。(2)按分布情况分为集中荷载、分布荷载。(3)按作用性质分为静力荷载、动力荷载。3、结构的效应内力 指结构在直接或间接作用下, 其内部各组成部分之间产生的力的相互作用, 包括轴力、剪力、弯矩、扭矩。可通过内力对于面积的集度 - 应力来反映。变形 指结构相对于自身的形状改变 , 包括长度、挠度与角度的变化。 可用变形对于长度的集度- 应变来表达。 位移 指结构的整

11、体性位置变化 , 还可用来描述结构上某一点的位置变化 , 包括倾斜、滑移、整体沉陷与局部沉陷等。 4 、 结构的约束 体现在两方面 : 支座条件 位于结构的支撑部位 , 须通过外力提供平衡条件。有铰支、固定、滑动与弹性支座等形式。构造条大跨建筑结构构思与结构选型件 位于结构内部 , 以构造手段控制结构变形。 另外 , 用于降低结构动力效应的主动控制或被动控制手段 , 也可瞧作就是一种约束。 5 、结构的性能 结构的强度 指结构的承载能力 , 即结构能够抵御某种作用而不至于破坏的能力。取决于材料强度、构件形式、结构构成方式、结构的受力状态。 结构的刚度 结构抵抗变形的能力。对大跨度建筑结构 ,

12、刚度的好坏直接反映在挠度、支座滑动、风作用下屋面的颤动幅度等方面。 结构的稳定 结构维持自身稳定状态的能力。主要体现在承载力的稳定与结构形态的稳定。二、结构的分类（一）按结构材料分类( 最常用 ) 1 、砌体结构由砖石混凝土等各种砌块组成。多用于拱、穹顶与支撑、围护结构。 2 、木结构 以木材为主要结构材料 , 可用于刚架、拱以及大量网格结构。 3 、混凝土结构 通常配置钢筋。多用于以承受压力为主的结构。有现浇与装配形式。 4 、钢结构钢材的抗拉、抗压强度都很高, 适用范围较广。此外 , 还有铝合金结构、复合材料结构、纸结构、索结构、膜结构。（二）按结构受力分类 结构的受力状态分为 : 拉、压

13、、弯、剪、扭五大类。从整体作用来瞧 , 结构按受力方向分为 : 抗水平力体系、 抗竖向力体系、抗倾覆力体系等。大跨结构主要就是要抵御竖向作用。（三） 按结构的空间布置分类 结构布置可按平面结构与空间结构两类方法布置。 1 、 平面结构 假定结构的作用力及其位移与变形都在结构所处的平面内。 优点 : 结构传力路线明确 , 构件的合理大跨建筑结构构思与结构选型型式易于判断与确定 , 也易于同建筑的形态要求与吻合。2 、 空间结构 将结构定义为三维空间受力结构体系。 与结构实际工作情况更加接近 , 设计结果也更为经济。 此外 , 结构还可按形态分为体、 线、面等结构。三、 结构的力学规律 与造型相关

14、的主要的结构原则 : ( 一) 力的分布与描述 力就是物体间的一种作用。 包含外力与内力。 内力就是用于描述构件内部力的分布情况的一种物理量。 ( 二) 力与变形的关系 结构的变形曲线与荷载、 支座条件、结构布置等都有直接关系。 ( 三) 受压构件的确定 ( 四) 结构的整体性 几何不变的结构就是稳定体系 , 有静定与超静定之分。 四、 结构的构成 结构单体 : 能够维持结构形态稳定的最小单位。 对结构可进行分级划分 :( 框架结构 ) 一级结构 : 支撑柱与主梁或屋架构成的结构骨架。 二级结构 : 梁、柱、屋架等。 三级结构 : 屋架或大梁内部的腹杆、弦杆或受拉、受压部件。结构的可靠性 包括

15、 : 承载力方面的安全储备 , 正常使用方面的可用性保证、结构的设计保证年限。5、大跨建筑的结构特点一、大跨建筑结构的受力特点( 一) 竖向作用主宰结构大跨结构的竖向作用首先就是来自结构自重、屋面覆盖材料与建筑附属固定设施的重量等不变荷载的作用, 其次来自作用于屋面结构的人员、施工荷载、风、积雪、积灰等可变荷载的直接作用, 还有因地震导致的大跨建筑结构构思与结构选型竖向地震力与脉动风压引起的结构竖向振动等间接作用。 ( 二) 间接作用效应明显 ( 三) 动态作用不可忽视二、大跨建筑结构的组成 1 、屋盖结构 覆盖大空间且直接承担屋面荷载的结构 2 、支承结构 支承屋盖结构并将力传给基础的结构。

16、 3 、基础 与地基直接接触并承接上部结构作用的结构或构件。 ( 一) 屋盖结构 减小结构自重、提高结构刚度就是结构选型与优化设计的目的所在。屋盖结构就是大跨建筑土建投资的重点 , 对经济指标的影响比重也最大。 屋面的覆盖方式包括全覆盖与半覆盖。 ( 二)支承结构 支承体系的设置与屋盖结构的选型设计直接相关。 主要就是为了提供竖向支承 , 还通过被动约束方式来限制其整体性水平位移。 ( 三) 基础 基础采用何种形式、提供何种反力 , 与上部结构有着密切关系。三、大跨建筑结构的几何形式(一) 曲面的几何形式及其构成方法 1 、 简单曲面的几何描述主曲率 : 曲率中数学上最大与最小的两个极值。两个主曲率方向就是彼此正交的。高斯曲率 k: 曲面上任一点的两个主曲率的乘积。k=0单曲面或零高斯曲面; k 0双曲面 k0正高斯曲面 ;k0负高斯曲面可