大跨建筑构造设计

1、大跨建筑构造设计目录u大跨建筑发展历史u大跨建筑结构类型及实例分析u大跨建筑发展前景大跨建筑发展历史 大跨度建筑在古代罗马已经出现，如公元120124年建成的罗马万神庙，呈圆形平面，穹顶直径达433m，用天然混凝土浇筑而成，是罗马穹顶技术的光辉典范。大跨度建筑在古代罗马已经出现，如公元120124年建成的罗马万神庙，呈圆形平面，穹顶直径达433m，用天然混凝土浇筑而成，是罗马穹顶技术的光辉典范。 然而大跨度建筑真正得到迅速发展还是在19世纪后半叶以后，特别是第二次世界大战后的几十年中。例如1889年为巴黎世界博览会建造的机械馆，跨度达到115m，采用三铰拱钢结构；又如1912-1913年在波兰

2、布雷斯劳建成的百年大厅直径为65m，采用钢筋混凝土肋穹顶结构。目前世界上跨度最大的建筑是美国底特律的韦恩县体育馆，圆形平面，直径达266m，为钢网壳结构。我国大跨度建筑是在解放后才迅速发展起来的，20世纪70年代建成的上海体育馆，圆形平面，直径110m，钢平板网架结构。我国目前以钢索及膜材做成的结构最大跨度已达到320m。巴黎世界博览会机械馆波兰布雷斯劳百年大厅上海体育馆大跨建筑结构类型薄壳结构 网架结构网壳结构轻钢结构索结构膜结构桁架结构 壳体结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。优点：优点：壳体能充分利用材料强度，同

3、时又能将承重与围护两种功能融合为一。薄壳结构的优点是可以把受到的压力均匀地分散到物体的各个部分，减少受到的压力。实际工程中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型奇特新颖且能适应各种平面的建筑。缺点：缺点：较为费工和费模板。1 壳体结构各类薄壳结构屋顶各类薄壳结构屋顶扭壳工作原理示意图实例分析：德国汉诺威游泳馆 该建筑屋顶部分主要由两个筒壳结构裁剪而成，且结合了扭壳结构特征的壳体结构。 根据不同的空间需要，将两壳设置为一高一低，一大一小，倾斜相对，分别覆盖在比赛厅和热身池上。且通过两壳之间的高差处理，采用大面积玻璃窗，为室内提供了良好的采光。 该建筑在采光结构和功能等方面相得益彰。2 网架结构

4、 由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构。可用作体育馆、 影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨篷、飞机库、双向大柱距车间等建筑的屋盖。优点：优点：具有空间受力、重量轻、刚度大、抗震性能好等特点；缺点：缺点：是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂。一、交叉桁架体系网架由两组或三组平面桁架组成的网架结构。二、三角锥体系网架适合于正方形、矩形、三角形、梯形、六边形、八边形和圆形等平面形状的建筑。其中分为：三角锥网架、抽空三角锥网架、蜂窝形三角锥网架。三、四角锥体系网架由四角椎体组成的网架结构，有五种形式，分别是：正方四角锥网架、正方抽空四角锥网架、斜放四角锥网架、棋盘形

5、四角锥网架和星型形四角锥网架。四、六角锥体系网架由六角锥体（七面体）组成的网架结构，称为六角锥体系网架。它的基本单位元为6根弦杆，6根弦杆构成的六角锥体。这类网架的一种主要形式即为六角锥网架。网架结构基本分类实例分析：哈尔滨梦幻乐园 建筑屋盖部分采用钢空间网架结构，符合该建筑大空间需求。 屋顶倾斜，在普通网架的基础上采取斜置和弯折的布置方法。同时，根据平面布置进行裁剪组合，使之既符合扇形平面空间的需求，又兼顾了结构网格的布置。3 网壳结构 网壳是以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。优点：

6、优点：网壳结构兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性，且薄壳结构与网格结构不能实现的形态，网壳结构几乎都可以实现。结构具有较大的刚度，结构变形小，稳定性高，节省材料。缺点：缺点：曲面外形增加了屋盖表面积和建筑空间,构造处理、支承结构和施工制作均较复杂。常见的网壳结构形式单层网架 双层网架 实例分析：巴塞罗那圣约迪体育馆 圣约迪奥运体育馆屋盖采用空间网壳结构。网壳分为五个部分，中央为双曲扁壳，周圈四篇弯曲的筒壳，整体形成微微起伏的外轮廓，与所在山坡相呼应。 建筑空间和形象处理都以表达屋盖为出发点。比赛厅下沉，波浪形檐口与屋顶的过渡等等。且五块屋盖单元之间的连接部分处理成天窗，用于采光通风，形成光影效果

7、和质地变化清楚的表达了屋盖的结构逻辑。把“梁”中多余材料挖空，形成“桁架”结构，属一维的；把“板”中多余材料挖空，形成“网架”结构，属二维的；把“壳”中多余材料挖空，形成“网壳”结构，属三维的；桁架结构vs网壳结构vs网壳结构4悬索结构悬索结构 悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能，可以做到跨度大、悬索结构 自重小、材料省、易施工。中国是世界上最早应用悬索结构的国家之一，在古代就曾用竹、藤等材料做吊桥跨越深谷。明朝成化年间（14651487年）已用铁链建成霁虹桥。近代的悬索结构，除用于大跨度桥梁工程外，还在体育馆、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋盖结构中应用。悬索结构特点悬索结构特点：1.通过索

8、的轴向拉伸抵抗外荷作用，充分利用钢材强度，自重低。跨度越大，经济型越好。2.施工方便费用低。3.便于建筑造型，容易适应各种建筑平面。4.可创造具有良好的物理性能的建筑空间。5.稳定性差。6.边缘构件和下部支撑必须具有一定的刚度和合理的形式,以承受索端巨大的水平拉力。悬索结构周边构件与屋盖示意图悬索结构周边构件与屋盖示意图1.圆弧周边圆弧周边2.柔型周边柔型周边2.拱形周边拱形周边日本国立代代木竞技场日本国立代代木竞技场 游泳馆的屋面结构式利用一对张拉在两个钢筋混凝土塔柱上，锚固块之间的主钢索形成类似悬索桥的中央结构，在此结构和看台钢筋混凝土框架结构后端之间布置工字刚悬索吊构件组成半刚性曲面悬吊

9、结构。两根主钢索在主跨内顺着屋面张拉方向呈梭型展开为自然采光和人工照明提供了空间。塔柱外侧主钢索斜拉至地下的锚固块，两侧与看台相连的钢筋混凝土支撑结构及与泳池相连的基础梁也延伸至此，起到平衡基础水平力的作用。 篮球馆的主张拉构件从单根主塔柱顶端开始盘旋而下至地面，钢管主张拉构件与钢筋混凝土塔柱之间形成格构式结构，保证整体结构的稳定性。在主张拉钢管和看台钢筋混凝土构架结构后端之间布置工字钢悬吊构件组成半刚性曲面悬吊结构 截面为H型、C型、Z型、U型钢构件（一般构件的厚度小于16mm,其中C型、Z型、U型钢属冷弯薄壁型钢) 连接起来，组成主体承重体系；以各种板材(板材厚度一般小于4mm）作为屋面和

10、墙面，再配以构件、门窗等形成完整的建筑体系。 轻-自重轻、围护结构轻、构件轻、用钢少等。5.轻钢结构轻钢结构轻钢结构的特点：轻钢结构的特点：1、适用范围广，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中。2、施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需30天左右，而若采用钢筋混凝土结构则需要812个月左右。3 、综合经济效益好,我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构。4 、抗震性能好,由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。5 、宜于拆卸搬迁。6 、有利于环保，钢结构

11、建筑是对城市环境影响最小的一种结构之一，在西方已被广泛采用，所以有“绿色建筑”之称。 钢结构示意图钢结构示意图1.单跨双坡排架(CSl)等截面柱，柱底固接、梁端铰接的节点设计，抗变形能力强，适合于软土地基上的建筑物2.单跨双坡刚架(CS3)具有类型CS2的特点。等截面柱，底端固接的节点设计，承受更大的支座弯矩，适合有吊车荷载的建筑物。 3.单跨双坡刚架(MSl)内柱的设计，使结构达到更大的屋面跨度，通常3672M，更经济的设计。 4.多跨多坡刚架(MGl)具有类型MSl的特点。复跨多坡或多跨多坡的设计，适合多种使用类型建筑物的需要。 5.高低跨刚架(MG2)具有类型MSl的特点。且外形构造灵活

12、，适合于成套组合式厂房。 法国里昂火车站法国里昂火车站“飞鸟飞鸟”造型造型1.火车站的外部造型 火车站的顶部采用钢结构，使建筑的显得有轻盈和向上的感觉。2.火车站大厅入口在车站大厅的入口前，V形混凝土拱座连接着4条钢拱的底端。它们凌空而起更能突出建筑物的轻盈！3.火车站大厅中间的一对长120米，最高处离地面40米的钢拱沿着客运站屋顶线构成屋脊。两边的两条钢拱横跨120米4.大厅穹顶及悬挑平台这个宛如教堂建筑的穹顶，使大厅看起来更像一个光影交错的冥想空间。悬挑平台采用的是预应力钢筋混凝土形似“5.站台桁架站台顶部采用的是桁架结构，刚桁架结构自重轻，可以满足火车站的大跨度结6.站台支撑结构形式采用

13、钢结构支撑，将支撑形式设置成V字形。顶部采用拱形结构使结构受力达到最稳定的状态。6 膜结构 膜结构又叫张拉膜结构（Tensioned Membrane structure）， 是以建筑织物，即膜材料为张拉主体，与支撑构件或拉索共同组成的结构体系，以其新颖独特的建筑造型，良好的受力特点，成为大跨度空间结构的主要形式之一。 膜结构(Membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，膜结构车棚是由多种高强薄膜材料及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。是建筑结构中最新发展起来的一种

14、形式，自从1970年代以来， 膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。 膜结构是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气，使室内外产生一定压力差（一般在1030水柱之间）,室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而实现较大的跨度。张拉摸结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型。慕尼黑奥林匹克体育场千年穹顶大阪世界博览会美国馆膜结构建筑特点：

15、1 跨度大2 施工方便3造型美观4造型美观5费用低膜结构结构形式膜结构结构形式：1 张拉膜结构2 重启膜结构3 框式膜结构实例分析：水立方 北京市政府将在城市北侧，城市中轴线的北端位置上兴建一片新区域奥林匹克公园。国家游泳中心位于奥林匹克公园的中心位置，占地6.295公顷，长宽尺寸大约是305米乘以230米。水立方与鸟巢遥相辉映新材料的应用 立面的双层皮结构由一系列小的单元组成，每个单元的外面都覆盖着一层薄膜- 双层聚四氟乙烯（ETFE）。ETFE薄膜气泡可在现场外预制，并装在面板上。面板通过独立于支撑结构的可调部件进行提升，并装配在立面上。当面板就位后，将为气泡充气的通风管附着在面板上，并连

16、接到气泵进行充气。材料性能 Material Performance1. 阻燃材料，熔点为275摄氏度2. 优秀的隔热保温性能3. 良好的自洁性4. 轻质，每层仅0.2MM厚5. 良好透光性能6. 正常使用寿命30年。包层安装立面照明立面照明 世界上最大的立面照明系统，明年节省:550000千瓦时/年，￥500000。7桁架结构 桁架结构（Truss structure）中的桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构。桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。 桁架的历史演变 只受结点荷载作用的等直杆的理想铰结体系称桁架结构。

17、它是由一些杆轴交于一点的工程结构抽象简化而成的。桁架在建造木桥和屋架上最先见诸实用。古罗马人用桁架修建横跨多瑙河的特雷江桥的上部结构（发现于罗马的浮雕中），文艺复兴时期，意大利建筑师（帕拉迪奥 Palladio）也开始采用木桁架建桥出现朗式、汤式、豪式桁架。英国最早的金属桁架是在1845年建成的，适合汤式木桁架相似的格构桁架，第二年又采用了三角形的华伦式桁架 。沈阳奥体中心上海大剧院内力特征 受力特点是结构内力只有轴力，而没有弯矩和剪力。这一受力特性反映了实际结构的主要因素，轴力称桁架的主内力。实际结构（如钢筋混凝土屋架，铆（栓）接或焊接的钢桁架桥）中由于结点的非理想铰结等原因，还同时存在微小

18、的弯矩和剪力（理想铰接没有），对轴力也有很小的影响（因结点刚性和桁架杆横截面积与惯性矩比值的大小而异，一般减小5%0.1%），称为次内力。 考虑桁架各结点的平衡，结点承受汇交力系作用，逐次建立各结点的投影平衡方程，可求出所有的未知杆力，这种方法称结点法，最适用于简单桁架。求解时宜根据组成特点先判定零杆，并尽可能避免解联立方程。有时只需求少数杆件内力或者对于联合桁架和复杂桁架，结点法无法奏效时，需用截面法。有选择地截断杆件（一般不超过三杆）以桁架的局部为平衡对象，考虑其中任一部分平衡，由平衡方程即可求得所需杆件轴力。对于某些桁架（如K式桁架），联合应用结点法和截面法更有效。对于杆件很多的复杂桁架

19、或空间桁架，最好的选择应是计算机方法。实例：天津奥林匹克中心体育场 天津奥体中心体育场是一座不规则的椭圆形建筑，状如水滴，而用金属和玻璃为主要材料制成的明亮夺目的银色。 “外衣”线条流畅，使这个场馆有着水滴一般的晶莹感。让人惊叹的是，这座场馆临水而建、依水而起，四面被一汪碧水所包围，远远望去，这座场馆就像在水中溅起的一颗水珠。体育场银光闪闪的曲面由外弧里弧共896条圆弧、近万个节点合成而成。屋面采用了聚碳酸酯板材智能化屋面系统，自上而下分为顶层阳光板、中间层金属板和临地面层高墙玻璃三个部分，具有很高的透光率及重量轻、抗冲击、隔热、防结露、节能等特点，与相同厚度的传统板材相比，可节省25%的能源

20、。结构设计构思 屋顶桁架选用V字形平行弦桁架，悬挑结构，以表现体育场地的动感与轻快。该体育场成为天津市重大体育活动的中心场地和标志性建筑。天津奥林匹克体育中心体育场基础为高强混凝土预应力管桩，主体为钢筋混凝土框架结构，屋顶桁架选用V字形平行弦桁架，悬挑结构。主桁架最大跨度117m，主、环桁架均为平面 管桁架结构形式，桁架最大安装高度达53m，整个钢屋盖由主桁架、子桁架、二道环形桁架及水平、垂直支撑、檩条组成，总用钢量约13000t。主桁架上口定位采用柱帽杆固定于看台柱顶支座上，下口定位采用落地形式。该工程的特点，决定了整个工程施工的难度非常高。本工程主体钢屋架呈双曲面，各点标高不一，主要构件超重、超长，主桁架跨度较大，而且在屋盖内四周都是看台混凝土结构，在混凝土结构施工期间大型机械不能以常规方式在屋盖下进行作业，另外，主桁架的最大安装标高都在53m左右，安装高度较高，吊装难度大。工程的特点及新技术应用 1. 结构新颖，利用钢结构桁架及柱构成富有表面张力的曲面外形，宛如一滴晶莹的露珠，与周围环境相协调，构件种类多，构造复杂，体积庞大。钢结构壳形屋盖为体育场提供了大面积、高空间的良好使用条件。 2. 建筑物长向为406.8M，短向为293.1M ，看台主体平面结构超