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1、第三章 大跨度建筑及构造设计,3.1概述 3.2大跨度建筑结构类型及其造型、技术特点 3.3大跨度建筑屋顶构造设计 3.4中庭天窗构造,3.1 概 述,一、大跨度建筑的特征 建筑物的跨度达到30米以上 建筑物的跨度达到60米以上（我国现行钢结构规范规定） 多为公建，人流集中，规模大，占地面积大 施工条件 新材料、新结构、建造技术 需要解决的难题 由于体量增大带来的采光、通风、热舒适度等问题 能源消耗、环境污染问题,二、大跨度建筑的发展历程 古代结构体系 悬挂结构 梁柱结构 券洞 放射形券 出挑 叠涩券 叠涩穹隆 藤条券,拱顶体系 筒形拱（四瓣拱） 交叉拱、十字拱 穹隆顶,拱的施工,尖券、肋骨拱
2、 骨架劵 飞扶壁 尖劵、尖拱,穹窿结构,帆拱（Pendentive）,使集合在一起的穹顶有一个是主要的 加鼓座,d,公元120124年罗马万神庙，天然混凝土浇筑，穹顶直径43.3m，顶端高度43.3m，象征天宇。在现代结构出现以前，是世界上跨度最大的大空间建筑。,1851年伦敦水晶宫，拱顶结构，主要材料为铁和玻璃。,1889年巴黎博览会机械馆 庞大的机械馆长420米、高45米，由20个钢拱门支撑，长达115米的玻璃长廊格外引人瞩目。钢制三铰拱最大截面高3.5米，宽0.75米。陈列馆的墙和屋面大部分是玻璃，继伦敦水晶宫之后又一次造出了使人惊异的建筑内部空间。,19121913波兰布雷斯劳百年厅
3、中心部分是广阔的圆形大空间，直径高达65米，高42米，可以容纳6,000多人。上方是23米高，由钢和玻璃构成的灯笼式圆顶。 1979年 美国底特律的韦恩县体育馆采用圆形平面，直径达266m，是目前世界上跨度最大的钢网壳结构建筑。,1975年上海体育馆 主馆呈圆形，高33米，屋顶钢平板网架跨度直径110米，可容纳观众18000人。,三、大跨度建筑的主要结构类型,结构技术是影响建筑空间形式及造型的重要因素，在大跨度建筑中尤其如此。,按建筑材料和建造方式分为 钢筋混凝土薄壳结构 网架结构 轻钢结构 管桁架结构 悬索结构 膜结构 索-膜结构 混合结构,3.2大跨度建筑结构类型及其造型、技术特点,一、拱
4、结构及其建筑造型 二、钢架结构及其建筑造型 三、桁架结构及其建筑造型 四、折板结构及其建筑造型 五、网格结构及其建筑造型 六、薄壳结构及其建筑造型 七、悬索结构及其建筑造型 八、膜结构及其建筑造型,一、拱结构及其建筑造型 （一）拱的受力特点、优缺点和适用范围 拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。 受力特点：在外力作用下，产生轴向压力和侧向推力。 优点：轴向推力分布均匀，充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，能跨越较大空间。 缺点：侧向推力影响结构的稳定性 适用范围：商场、展览馆、体育馆、散装货仓等,罗马万神庙室内,弧三角拱,哥特建筑尖拱与骨架拱,文艺复兴时期公共会堂帕拉迪奥,代表钢铁时代
5、的埃菲尔铁塔,法国里昂机场高速铁路车站,（二）拱的形式 三铰拱 两铰拱 无铰拱,三铰拱 两铰拱 无铰拱,（三）拱结构的建筑造型 取决于矢高和平衡拱推力的方式 矢高影响建筑的外部轮廓形象。 通常矢高为拱跨的1/71/5，最小不小于1/10。 解决水平推力的几种方式 1.由拉杆承受拱推力 2.由框架结构承受拱推力 3.由基础承受拱推力,由拉杆平衡拱推力武汉体育馆,由框架结构承受拱推力北京崇文门菜市,崇文门菜市场中间跨为售货大厅，屋顶为32m跨的钢筋混凝土两铰拱，两边布置三层高的钢筋混凝土框架以支承两铰拱，三层框架部分为小营业厅。拱为装配式整体结构，拱上铺加气混凝土屋面板，油毡屋面。根据建筑造型要求
6、，拱的矢高为拱跨的18，即4m。,由基础承受拱推力北京体育学院田径房,北京体育学院田径房面积6200m2，有200m的半圆跑道，100m直跑道及跳跃场地。田径房结构采用钢筋混凝土落地无铰拱，由基础直接承受拱推力，基底呈斜面，更有利于抵抗推力。并将落地拱暴露出来，以强烈的结构自身的韵律来美化室内环境。室内利用高侧窗采光。,二、刚架结构及其建筑造型 （一）受力特点、优缺点和适用范围 刚架结构是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门式结构。 受力特点：梁、柱是刚性结点，在外力作用下，结构受力合理。 优点：结构受力合理，轻巧美观，能跨越较大空间，制作方便。 缺点：刚度较差，当吊车起重量超过100KN时不宜
7、采用。 适用范围：体育馆、礼堂、食堂、菜场,（二）刚架结构的形式 三铰刚架静定结构，刚度稍差，跨度较小 两铰刚架超静定结构，刚度大，跨度较大，不均匀沉降时产生附加内力。 无铰刚架超静定结构，刚度大，跨度较大，不均匀沉降时产生附加内力。,（三）刚架结构的建筑造型,无铰刚架 两铰刚架 三铰刚架 悬臂刚架,单跨不对称刚架 三跨不等高刚架 单跨悬臂刚架,杭州黄龙洞游泳馆不对称刚架,杭州黄龙洞游泳馆采用不对称钢筋混凝土刚架结构，充分利用结构下部空间布置跳水台，刚架下面部分设有吊顶，部分露明，借用结构构件作室内装饰。,三、桁架结构及其建筑造型 （一）受力特点、优缺点和适用范围 桁架是由杆件组成的一种格构式
8、结构体系。 受力特点：杆件与杆件的结合假定为铰结，在外力作用下，杆件内力是轴向力，分布均匀，受力合理。 优点：结构受力合理，材料强度充分利用，减少材料耗量和结构自重，使结构跨度增大。 缺点：梁的材料强度不能充分利用 适用范围：体育馆、影剧院、展览馆、食堂、菜场、商场等公共建筑。,（二）桁架结构的形式 1.用材：木材、钢材、钢筋混凝土 2.形式：三角形、梯形、拱形、无斜腹杆式和三铰拱式 （三）桁架结构的建筑造型 单坡、双坡、单跨、多跨等不同外观和形状,三角形豪式桁架 三角形芬克式桁架 梯形桁架,拱形桁架 拱形无斜腹杆桁架 三铰拱桁架,跨度18米,跨度：1836米， f/L=1/8 1/6,跨度：
9、1530米， f/L=1/8 1/6,跨度：1836米，f/L=1/8 1/6,拱形桁架曲面屋顶 桁架式三铰钢架双坡屋顶 桁架排架平屋顶,梯形桁架单坡屋顶 梯形桁架双坡屋顶 三角形桁架双坡屋顶,北京体育馆三铰拱钢桁架,北京体育馆：容纳6000人，跨度56m，采用三铰拱钢桁架。桁架暴露于比赛大厅，桁架顶部设有天窗，以利采光和通风。,重庆体育馆拱形钢桁架,北京体育馆：容纳6000人，跨度56m，采用三铰拱钢桁架。桁架暴露于比赛大厅，桁架顶部设有天窗，以利采光和通风。,空心管桁架结构上海国际博览中心入口,空心管桁架结构上海国际博览中心内视,空心管桁架结构南京国际展览中心室内,空心管桁架结构 广州白云
10、机场室内,我国首个按国际枢纽机场标准进行规划设计的机场。总建筑面积200000m2。采用大跨度空间巨型钢管桁架屋顶结构，桁架最大高度10m，最大跨度180m，节点部位最多由11根钢管相贯汇集，桁架两端支撑在人字形斜柱上。,空心管桁架结构新加坡国际会展中心室内,跨度为99m的管桁架、扇形分布。空心管桁架结构造型美观，抗风力强，经济性好。虽然空心管桁架结构的单位成本较高，但由于空心管桁架结构标准钢材的屈服强度比普通结构钢要高，具有较高的强度，与网架相比，截面较大。空心管桁架结构自重轻，可以减少运输与安装费用。,张弦梁桁架结构张弦梁结构主要由柔性索和刚性梁或拱、再加上撑杆组成。,张弦梁结构按受力特点
11、可以分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。,上海浦东国际机场航站楼就是采用的张弦梁结构。这是我国第一个采用张弦梁结构的建筑。,张弦梁桁架结构延安车站,日本一家购物中心的屋顶用的张弦梁结构,购物中心屋顶张弦梁结构的大样照片。可以肯定的是上弦杆为空间桁架，配以Y字形的撑杆，从而形成张弦梁。,日本一家游泳馆的馆顶张弦梁结构,四、折板结构及其建筑造型 （一）受力特点、优缺点和适用范围 折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系。,优点：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，可预制装配，省模板，构造简单。 适用范围：大跨度屋顶，也可以用作外墙。,（二）折板结构形式： 1.按波长数
12、目分：单波和多波折板 2.按结构跨度的数目分：单跨、多跨 3.按断面形式分：三角形折板、梯形折板 4.按构成情况分：平行折板、扇形折板 （三）折板结构的建筑造型 矩形、方形、梯形、多边形、圆形等平面，造型新颖，外观独特,折板结构的组成和形式,折板结构巴黎联合国教科文组织会议大厅,该会议大厅由惹大利著名工程师奈尔维设计，大厅为梯形平面，其屋顶沿大厅纵向布置成扇形折板，和同样是折板的前后山墙相交。折板为两跨，分别为40m和27m。两跨交界处用一根大梁加强折板，大梁由6根柱支托。为加强折板，在折板之间加了一层与之相交的肋板，肋板随折板结构的弯矩图上下波动形成一个曲面，使大厅顶棚呈现出结构的韵律感和空
13、间的深度感。,折板结构巴西圣保罗会堂,扇形折板从会堂中心向四周呈放射布置成圆形.巧妙地运用切割手法形成一圈三角形的外墙，结构形式与建筑造型完美统一。,五、网格结构及其建筑造型 （一）受力特点、优缺点和适用范围 网格是一种由很多杆件以一定规律组成的网状结构。 优点 1.杆件之间互相支撑，形成多向受力的空间结构，整体性强、稳定性好、空间刚度大，有利于抗震； 2.杆件主要承受轴向力，充分发挥材料的强度，节省材料 3.结构高度小，有效利用空间； 4.结构的杆件规格统一，有利于工厂化生产； 5.形式多样，建筑形式丰富多彩。 适用范围：平面形状多样的大跨度公共建筑。,（二）网格结构形式：（课本P199）
14、1.用材：钢网架、木网架、钢筋混凝土网架 2.外形：平板网格（双层，网架）、曲面网格（单层、双层，网壳） 3.构造：单层网格、双层网格、多层网格,（三）网架的类型与尺寸 1.交叉桁架体系的平板网架 交叉桁架体系由两向或三向相互交叉的桁架所构成。 2.角锥体系平板网架,两向交叉桁架的交角大多数为90O，按网架与建筑平面的相对位置，有正放和斜放两种布置方式。,由三个方向的桁架相互以60。夹角组成。它比两向交叉桁架的刚度大，杆件内力更均匀，能跨越更大的空间，但其节点构造复杂。,角锥体系平板网架,三角锥体平板网架：受力更均匀，是大跨度建筑中应用最广的一种网架形式，适合于各种建筑平面形状。,四角锥体平板
15、网架：受力情况不及三角锥体网架，多用于中小型大跨度建筑,六角锥体平板网架：节点处聚集的杆件数目最多，构造复杂，施工麻烦，用钢量较大，一般宜用于60m以上跨度。,（四）网架杆件断面与节点连接,网格排水坡度的形成方法 排水坡度：25。 坡度的形成方法有两种： 网架自身起拱，屋面板或檩条直接搁于网架节点上 在网架上弦节点加焊短钢管或角钢找出屋面坡度,（五）网架结构的建筑造型,网架屋面桂林市体育中心,国家大剧院,国家大剧院,六、薄壳结构及其建筑造型 （一）受力特点、优缺点和适用范围 薄壳结构是用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构。 受力特点：结构呈空间受力状态，主要承受曲面内的轴向力，弯矩和
16、扭矩很小，刚度和强度都非常好。结构厚度仅为跨度的几百分之一。 优点： 结构自重轻、省材料、跨度大、外形多样。 缺点：多数薄壳结构建筑的形体较为复杂，多采用现浇施工；费工、费时、费模板，结构计算较复杂，不宜承受集中荷载。,（二）薄壳结构的形式 1.筒壳 2.圆顶壳 3.双曲扁壳 4.马鞍形壳,筒壳： 由筒面、边梁、横隔构件三部分组成。 横隔构件拱形梁、拱形桁架、拱形刚架等结构形式。 筒壳是单曲面薄壳，形状简单、便于施工、较常见。,圆顶壳：由壳面和支承环两部分组成。 支承环对壳面起到箍的作用，主要内力为拉力。应适当加厚。 壳面径向受压，环向上部受压，下部受拉或压。 圆顶壳可以支承在墙上、柱上、斜拱或斜柱上。 适用于大型公建，如天文馆、展览馆、体育馆、会堂等。,双曲扁壳：由双向弯曲的壳面和四边的横隔构件组成。 受力特点：壳体中间区域
