房屋建筑学课件-情境12

【情境描述】我们已经学习过建筑物的结构支承系统的主要作用是传递荷载以及保证建筑物在受力、变形等方面的安全可靠性和稳定性。但是不同类型的结构体系，由于其所用材料、构件构成关系以及力学特征等方面的差异，其所适用的建筑类型是不尽相同的。在设计时，除了合理性以及经济方面的考虑外，还应通过比较和优化，尽量使结构方案能够与建筑设计相互协调、相互融合，以便更好地满足建筑物在空间功能以及美学、风格等各方面的要求。本篇将就不同的结构体系所适用的建筑类型及其原理作一个基本的介绍。在实际的工作中，如能注意不断收集和积累经验，对不同的个案作具体深人的分析和研究，将能在此基础上不断加深理解。任务12.1墙体承重结构所适用的建筑类型墙体承重结构支承系统是以部分或全部建筑外墙以及若干固定不变的建筑内墙作为垂直支承系统的一种体系。根据建筑物的建造材料及高度、荷载等要求，主要分为砌体墙承重的混合结构系统和钢筋混凝土墙承重系统。前者主要用于低层和多层的建筑，而后者则适用于各种高度的建筑，特别是高层建筑。因为在钢筋混凝土承重墙系统中适当布置剪力墙，则剪力墙不仅能够承受垂直荷载，还能够承受水平力，为建筑物提供较大的抗侧力刚度，这对于抵抗侧向风力和地震水平分布力的影响都是十分重要的。

墙承重结构支承系统的墙体布置一般可以分为横墙承重、纵墙承重以及纵横墙混合承重几种类型。无论以其中哪种方式支承来自楼面、屋面的荷载，由于有多道承重墙存在，承重墙上不能留有过多的洞口，以及承重墙墙体位置也不得任意更改等原因，墙承重结构支承系统一般适用于那些在使用周期内室内空间功能和尺度都相对固定的建筑物，而不适用于那些需要经常灵活分隔空间的建筑物，也不适用于那些内部空旷的建筑物。现在将就墙承重结构支承系统的类型特征及墙体布置对建筑空间分隔和利用所产生的影响分别作出论述。知识12.1.1砌体墙承重体系的特点及其所适用的建筑类型混合结构是以砌体墙作为竖向承重体系，来支承由其他材料(例如钢筋混凝土、钢一混凝土组合材料或木构件等)构成的屋盖系统或楼面及屋盖系统的一种常用结构形式。由于墙体材料的来源丰富，施工方便，对建筑平面的适应性强，因此大量应用于低层和多层的民用建筑，特别是住宅、旅馆、学校、托幼、办公用房和一些小型商业用房、工业厂房、诊疗所等的建设中。这些类型的建筑物，有些原本层数就受到限制，例如小学校和托幼等建筑物，考虑使用对象的年龄特征，相关规范规定其层数不得超过3层，因此总高度不会超过抗震规范对于砌体建筑的限制。另外此类建筑常有重复的建筑单元空间，例如教室、旅馆客房、办公室等等，往往需要固定的分隔墙体来划分空间。这些建筑采用混合结构体系，符合砌体以受压为主要力学性能的特征，承重墙布置较为容易，而且施工方便、造价较为低廉。一般来说，采用横墙承重的方式，在纵方向可以获得较大的开窗面积，容易得到较好的采光条件，特别是对于采用纵向内走道的建筑平面，由于走道两侧的房间都是单面采光的，开窗面积就显得尤其重要(图12-1)；反之，如果采用纵墙承重的方式，虽然可以减少横墙的数量，对开放室内空间有一定的好处，但其整体刚度往往不如横墙承重的方案好，纵向开窗面积也受到限制，所以在高烈度地震区应慎重对待。图12-1某横墙承重的混合结构宿舍平面图在实际工程中，混合结构体系的建筑常常采用纵、横墙混合承重的方案，特别是当楼板为现浇钢筋混凝土时，常常会形成双向板;有的混合结构体系的公共建筑则由于室内单个空间较大，楼层结构需要添加梁，也会形成纵、横墙混合承重的结果，甚至于需要在局部添加墙垛(又叫壁柱)以增加墙体的承载能力及稳定性，或者在建筑物内部局部添加柱子，以形成内框架(图12-2)。图12-2某纵横墙混合承重的混合结构办公楼平面图图12-3所示的住宅平面，部分纵墙或横墙没有拉齐，而是错开布置，使得各个房间都能够有直接对外开启的门或窗，用于户内交通的面积也被控制在适当的范围内。图12-3某混合结构多层住宅

由于混合结构墙承重方案的墙体是由小构件砌筑而成的，墙体可以较为容易地砌成直线或各种其他线形，从而建筑立面或形体也可以变得较为丰富(图12-4)。图12-4某混合结构独立式住宅墙多变化知识12.1.2预制装配式钢筋混凝土墙承重体系的特点及其所适用的建筑类型在预制装配的钢筋混凝土墙承重体系中，钢筋混凝土墙板和钢筋混凝土楼板在工厂预制加工后运到现场安装。构件的分块一般比较大，需要重型设备运输和起吊。由于建造的工业化程度较高，构件需要标准化生产，而且对装配节点有严格的结构和构造方面的要求，因此建筑平面相对较为规整，往往以横墙承重居多，使用不够灵活，但能够适应一般的学校、宿舍、旅馆、住宅、办公等建筑的要求(图12-5)。如果加工、运输、施工条件都允许的话，像这类体系还可以在工厂将墙体和楼板预先加工成盒子，再到现场组装(图12-6)。图12-5预制装配式钢筋混凝土墙承重体系住宅示意(a)大型板材装配示意图；(b)北京大板住宅图12-6预制装配式盒子住宅示意知识12.1.3现浇钢筋混凝土墙承重体系的特点及其所适用的建筑类型现浇的钢筋混凝土墙承重体系建筑主体结构在现场整体浇注，墙体布置与预制装配的相比之下较为灵活，横墙承重、纵墙承重、纵横墙混合承重等方案均可选择。由于钢筋混凝土在抗剪、抗弯方面的优越性，这类承重体系往往大量应用于高层建筑，特别是高层的办公楼、旅馆、病房、住宅等建筑中，平面往往呈条形布置。不过出于高层建筑物必须对抗水平侧力方面的考虑，纵墙承重的方案应在适当位置布置横向剪力墙。如果方案采用横墙承重，则其部分内纵墙也可以不做现浇钢筋混凝土，而是可以采用砌体填充墙或者是安装其他的轻质隔墙，这样可以减少结构自重并尽量增加局部空间分隔的灵活性;至于其外墙则可以采用挂板、幕墙等装配式的次体系来完成，立面效果也可以不像纵向有承重墙那样受到制约(图12-7)。图12-7某现浇钢筋混凝土剪力墙体系办公楼安装幕墙如果是采用纵横墙混合承重的方案，则承重墙布置相对灵活，有利于建筑空间的组合。特别在住宅等建筑类型中，可以体现出与上述混合结构住宅同样的组织交通以及布置采光、通风方面的灵活性(图12-8)。图12-8某剪力墙体系高层住宅平面此外，有一种称之为短肢剪力墙的体系较之长肢的剪力墙体系更能够增加建筑空间在使用过程中变动的可能性。图12-9所示的住宅平面利用现浇钢筋混凝土墙体的便利，使得部分承重的短肢墙在纵横两个方向组合成有如异形柱的形式，其间提供了取消某段墙体的可能性(见图中墙体不涂黑的部分)。图12-9某短肢剪力墙体系高层住宅平面任务12.2骨架结构体系所适用的建筑类型骨架承重结构体系与墙承重结构体系对于建筑空间布置的不同在构思上主要在于用两根柱子和一根横梁来取代一片承重墙。这样原来在墙承重结构体系中被承重墙体占据的空间就尽可能地给释放了出来，使得建筑结构构件所占据的空间大大减少，而且在骨架结构承重系统中，内、外墙均不承重，可以灵活布置和移动，因此较适用于那些需要灵活分隔空间的建筑物，或是内部空旷的建筑物，而且建筑立面处理也较为灵活。知识12.2.1框架体系的特点及其所适用的建筑类型框架结构体系是骨架承重体系中最常用的一种。其主要结构承重构件为板、梁和柱，也分为横向框架承重、纵向框架承重以及纵横向框架混合承重几种。无论采用哪种承重形式，即便出于结构稳定性方面的需要，结构体本身也总是双向均需由梁搭接，这样就决定了柱网的对位关系。如果建筑平面在小距离内有过多的转折，在转折处需要频繁增加新的梁或柱，即采用梁挑梁的方式或者是在一棍框架中再增加新的柱子以与其他框架形成新的对位关系，那么这些新增的构件无疑会对建筑平面的灵活布置起到一定的影响，也增加了结构布置的麻烦。尤其是像住宅的平面，往往不会太过规整，使用框架结构不一定方便。因此，框架结构对于建筑布局灵活性的意义主要还是体现在那些内部需要较多的大空间，空间平面对位较为规整，空间使用功能经常变更而可能重新分隔，上下楼层之间空间分隔难以一一对应因而很难用墙来承重的公共建筑中，例如商场、办公楼、学校、医院、宾馆、交运站点等等(图12-10)。当然，框架成角度对位或者采用折梁、曲梁等，也会为建筑形态的变化提供方便，或者可以达到既满足建筑设计的需要，又简化结构方案的目的(图12-11、图12-12)。图12-10某框架结构档案馆平面图(a)二层平面；(b)一层平面图12-11某饭店建筑框架呈扇形排列图12-12某银行建筑框架成角度交叉排列

除此之外，合理布置框架结构的梁柱还体现在选择合适的柱距以及形成合适的主、次梁的关系。这在结构设计方面有助于控制荷载的分布并达到经济的目的，而在建筑设计方面，则更注重符合使用功能的建筑参数以及变更的可能。例如办公楼经常采用7.2m的开间，以便需要时可以分隔成两间宽度较为合适的小办公室。有时，有些有地下停车场的大型的公共建筑，柱网除了应当考虑其上部空间的使用方便及分隔可能性外，还应兼顾地下车库车辆出人、转弯的可能性及高的制约因素，对其下部的空间在视觉方面也有较大的影响。例如在图12-13所提供的实例中，暴露的结构梁对空间形态的影响以及对使用净高，特别是楼梯上部的净高制约，都是在设计中必须认真考虑的。有的时候许多公共建筑在梁底下还需设置许多设备，如水、电、空调管道等等，为此常常需要吊顶。图12-13某大型体育馆室内知识12.2.2框剪、框筒等体系的特点及其所适用的建筑类型全框架的结构体系在建筑物的空间刚度方面较为薄弱，用于高层建筑时往往需要增加抗侧向力的构件。如果是平面呈条形的建筑物，一般可以通过适当布置剪力墙来解决，通常称之为框剪体系(图12-14)。如果是平面为点状的建筑物，则可以通过周边加密柱距使其成为框筒，或将垂直交通枢纽如楼、电梯等组合布置为刚性的核芯筒，在其四周用梁、柱形成外围结构，以在得到大面积的灵活使用空间的基础上取得更加良好的通风和采光条件(图12-15)。图12-14某框剪体系高层旅馆平面图12-15某框筒体系高层办公楼平面

对于采用框剪体系的建筑物，剪力墙的布置除了满足结构方面的需要外，最好还能够与建筑空间的布置相协调，尽量发挥框架原有的灵活性。对于采用框筒等体系的建筑物，筒体在垂直方向的适当变形，可以造成丰富的建筑体型。例如某船厂技术中心大楼外框对称性的弧形走向，造就了建筑外形的独特个性(图12-16)。此外，在筒体的平面形状上做文章(图12-17)，或者利用若干筒体的组合以及它们在高度方向上的不同设置(图12-18)，都会得到不同一般的效果。图12-16某船厂技术中心楼外框在垂直方向有变化图12-17某框筒结构办公楼核心筒跟随建筑外形作变化图12-18美国芝加哥西尔斯大厦的束筒框架结构布置及体型变化（c）（a）（b）知识12.2.3板柱体系的特点及其所适用的建筑类型板柱体系的特点是直接用柱子来支承楼板。因为取消了结构梁，所以板底平整，减少了建筑对吊顶的需要，也减小了平面结构构件所占据的空间，可以降低层高，而且其内部空间分隔不会受到梁的影响，故而具有相对较大的自由度。但因为这类结构以接近正方形的双向板为最合理，而且板面活载(均布荷载)在一定的范围内才较经济，所以适用于那些使用荷载合适的商场、图书馆、仓储、多层轻型厂房等类型的建筑物。此外，由于板柱体系结构柱的柱距大约在5~7m左右时较为适中，因此也可用于住宅、办公等建筑类型。板柱结构体系可以有柱帽，也可无柱帽。由于构件受力的特点，纵横两面边跨楼板出挑较为合理，这时建筑立面布置可以较少受到结构柱的限制。图12-19为某有柱帽板柱结构体系档案馆的剖面图，采用现浇工艺施工。图12-20为某办公楼的平面图，利用装配式的施工工艺，可以部分取消中间的平板，达到室内空间局部跃层的效果，而且立面也能够做到丰富多变。图12-19某现浇板柱体系档案馆剖面(b)某装配式板柱体系办公楼施工方案(a)某装配式板柱体系办公楼建筑方案图12-20某装配式板柱体系办公楼平面及施工工艺示意知识12.2.4单层刚架、拱及排架体系的特点及其所适用的建筑类型1.单层刚架单层骨架结构梁柱之间为刚性连接的是刚架，但在梁跨中间可以断开成为铰接，这样就比较容易根据建筑需要布置通长的高出屋面的采光天窗或采光屋脊。另外，刚架在结构上属于平面受力体系，可以将一个建筑物的各福刚架呈平行或放射状排列，也可以按照一定的规律依次改变同一建筑物的各福刚架的尺寸，这样生成的建筑造型比较活泼。不过刚架结构在平面外的刚度较小，通常适用于跨度不是太大(例如钢筋混凝土刚架在18m左右)，檐口高度也不是太高(例如钢筋混凝土刚架在l0m左右)的内部空旷的单层建筑。图12-21某刚架结构车站这类建筑有小型室内体育场馆、展示场所、车船客运站、库房等等(图12-21)。如果在这些建筑内部需要设置起吊设备，则最好采用吨位较小的轻型吊车，以免其制动时对结构造成影响。2.拱刚架结构的梁和柱的作用与成折角的连续梁相仿，如果这样的梁和柱在平面内按照某一曲率成为连续的弯曲构件时，就形成了拱。拱与刚架相似，也可以做成三铰拱、两铰拱和无铰拱。但是拱的受力情况以轴力为主，比刚架更加合理，更能充分发挥材料的性能。因此人类在建筑活动的早期就学会了用拱券来实现对跨度的要求。图12-22是古罗马人常用的拱券形式。直到现在，拱仍是经常出现在建筑物造型中的元素，只是随着建筑材料及结构力学的发展，现代的拱用钢筋混凝土、钢(包括实腹及格构系列)等材料，往往可以做到更大的跨度，甚至可以作为某些大型空间结构屋盖，例如大型体育场馆屋面系统的支撑构件或者周边构件，在整体上造成强有力的视觉中心，实现结构与建筑的完美结合。图12-23是用两个平行拱作为支承构件来支撑悬索屋面的实例；而图12-24中的两个交叉拱则主要是用作屋面索网的边缘构件的。此外，通过同一建筑物中结构拱排列位置的变化，也可以适应不同的建筑平面，并造就丰富的建筑体型(图12-25、图12-26、图12-27)。至于采用拱这种结构方案所产生的水平推力，可以结合建筑方案妥善处理。图12-22早期罗马人在律筑中使用的拱券图12-23两片刚性拱支撑屋面索网及其边缘构件图12-24两片交叉拱作为索网边缘构件图12-25美国蒙哥马里体育馆用平行拱支承屋面覆盖圆形平面（b）（a）图12-26墨西哥马达莱纳体育中心体育宫用四道相交的拱支承屋面，覆盖接近正方形的平面图12-27法国某大学建筑由不断转变排列角度的落地拱生成（b）（a）3.排架排架与刚架的主要区别在于其梁或其他支承屋面的水平构件，如屋架等，与柱子之间采用的是铰接的方式。这样一福榻排架之间在垂直和水平方向都需要选择合适的地方来添加支撑构件，以增加其水平刚度，而且在建筑物两端的山墙部位，还应该添加抗风柱，这使得排架建筑物的轴线定位与一般建筑物都不同。但排架能够承受大型的起重设备运行时所产生的动荷载，因此排架结构常用于重型的单层厂房。任务12.3空间结构体系所适用的建筑类型空间结构各向受力，可以较为充分地发挥材料的性能，因而结构自重小，是覆盖大型空间的理想结构形式。知识12.3.1常用的空间结构体系常用的空间结构体系有薄壳、网架、悬索、膜等等，以及它们的混合形式。1.薄壳薄壳属于空间薄壁结构，又可分为曲面壳和折板两种。对建筑而言，结构本身就形成了“面”，而且可以切削。图12-28所示的罗马小体育宫，用Y形的斜柱支撑钢筋混凝土网状扁球壳结构，立面富有韵律感，接近60m的顶盖显得较为轻盈。图12-29和图12-30所示的两个餐厅，则分别用相同的薄壳直接落地组合而成，结构干净利落，且富有动感。在图12-31~图12-33所示的建筑物中，折板可以用作顶盖，也可以用来作为垂直支承构件。图12-28罗马小体育宫圆形网状扁球壳屋顶图12-29用八个双曲抛物面薄壳拼成了洛斯马纳提拉斯餐厅图12-30用三个相同的扭壳构成某疗养所的餐厅图12-32折板成角度铺设用作建筑物的屋面图12-31折板水平铺设用作建筑物的屋面图12-33折板作为支承某体育馆屋顶的垂直构件(a)立面；(6)剖面2.网架网架由许多杆件按照受力的合理性有规律地排列组合而成，可以分为平板网架和网壳两种。网架空间整体性好。平板网架杆件正交、斜交后可以形成不同的平面形状，使用相当灵活，在需要时结构杆件可以暴露，例如图12-34所示的斜向搁置的平板网架，上弦覆盖玻璃，在日照下，杆影流动，取得了良好的感官效果。网壳相当于格构化的薄壳，但由钢杆件组成的网壳一般比混凝土薄壳的自重要小得多，除了用作大空间的顶盖外，还可以整体化地围合空间(图12-35)。图12-34用大片网架覆盖的走道形成半室外空间的感觉图12-35网壳与主体结构脱开，自成体系地作为围护结构而存在3.悬索悬索结构利用钢材良好的受拉性能，用高强钢丝做拉索，加上高强的边缘构件以及下部的支承构件，使得结构自重极大地减小，而跨度大大地增加，除了稳定性相对较差外，是比较理想的大跨屋盖结构形式。对于建筑而言，由于拉索显示出柔韧的状态，使得结构形式轻巧且具有动感。图12-36所示的某单曲面双层拉索结构体系的产品展示馆，结构的形态就是建筑的造型，连建筑物两端墙面的倾斜角度也是由拉索锚固端的角度决定的。图12-37所示的美国耶鲁大学冰球馆采用一个落地的刚性拱以及边缘构件来张拉交叉的索网（a）（b）图12-36某悬索结构产品展示馆（a）某悬索结构产品展示馆透视；(b)某悬索结构产品展示馆室内图12-37耶鲁大学泳球馆4.膜在上文关于网架的一节中曾经提到可以把网架结构看成格构化的薄壳，同样，我们也可以反过来想像把索网结构的索细化加密，直到交织成一张薄膜。膜在本质上也是受拉构件，它像薄壳一样，兼有承重和围护的双重功能。其材料必须是高强纤维的交织物，例如聚醋类的织物，或者是以聚四氟乙烯为涂层的无机材料织物，如钢纤维、