大跨结构选型与构思

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1、大跨结构选型与构思大跨结构选型与构思2012.22012.2物质世界不存在有形态没有结构的物质世界不存在有形态没有结构的物质世界不存在有形态没有结构的物质世界不存在有形态没有结构的 现象，也不存在有结构而无形态的现象，也不存在有结构而无形态的现象，也不存在有结构而无形态的现象，也不存在有结构而无形态的 现象。现象。现象。现象。 建筑必须具备形象，因而也就离不建筑必须具备形象，因而也就离不建筑必须具备形象，因而也就离不建筑必须具备形象，因而也就离不 开结构。开结构。开结构。开结构。建筑设计： 平面空间布局、 建筑造型设计结构选型结构设计： 结构分析、计算、设计结构体系研究结构形态是建筑和结构专业

2、之间的联系，是需要共同关注和把握的内容。结构形态：结构的几何形式结构形态美学形态空间形态大空间建筑设计应该是空间形态、大空间建筑设计应该是空间形态、大空间建筑设计应该是空间形态、大空间建筑设计应该是空间形态、 结构形态与美学形态的统一结构形态与美学形态的统一结构形态与美学形态的统一结构形态与美学形态的统一不同的结构几何形式不同的结构几何形式不同的结构几何形式不同的结构几何形式: : 结构的承载能力不同结构的承载能力不同 营造的内部空间不同营造的内部空间不同 给人的形象感受不同给人的形象感受不同结构的正确性必然有助于取得建筑的美结构的正确性必然有助于取得建筑的美“ “限制能增进艺术限制能增进艺术

3、，而自由放纵则易流于混乱而自由放纵则易流于混乱。 建筑物的重量感建筑物的重量感、重量的传递与其支承的关系重量的传递与其支承的关系， 也就是结构的作用也就是结构的作用，同样是建筑艺术表现力的重同样是建筑艺术表现力的重 要源泉要源泉。许多公认为成功的建筑许多公认为成功的建筑，是通过对结构是通过对结构 体系的袒露和艺术加工而表现建筑美的体系的袒露和艺术加工而表现建筑美的。从大的从大的 形象到细部都可通过直接表现结构体系或结构材形象到细部都可通过直接表现结构体系或结构材 料来塑造建筑美料来塑造建筑美。 忠实表现所应用的技术和材料是获得建筑美的重忠实表现所应用的技术和材料是获得建筑美的重 要途经之一要途

4、经之一。北京奥运会主体育场：北京奥运会主体育场：333*226333*226米，以弯为米，以弯为 主的箱形门式刚架，上下弦都是主的箱形门式刚架，上下弦都是. .* *. . 米的箱形大梁米的箱形大梁, , 次要构件为了形象也用同样次要构件为了形象也用同样 的截面的截面, ,耗钢量达到创纪录的耗钢量达到创纪录的340(618)340(618)公斤公斤/ / 平方米平方米( (优化后优化后). ).国家游泳馆：大跨建筑结构的受力特点大跨建筑结构的受力特点1 1、竖向作用主宰结构、竖向作用主宰结构抵御以重力为主的竖向作用抵御以重力为主的竖向作用 2 2、间接作用效应明显、间接作用效应明显支座位移、温

5、度变化和地面运动支座位移、温度变化和地面运动 3 3、动态作用不可忽视、动态作用不可忽视抗风和抗震抗风和抗震如果两块石板的比例一样，而绝对尺寸如果两块石板的比例一样，而绝对尺寸 不一样，小的一块可以承受它的自重加不一样，小的一块可以承受它的自重加 上活载，而大的一块仅在自重下也将断上活载，而大的一块仅在自重下也将断 裂。西格尔对比例与绝对尺度对结构的裂。西格尔对比例与绝对尺度对结构的 影响所做的形象的描述说明影响所做的形象的描述说明不能简单地把小跨度结构做几何比例上的放大后用于大跨建筑。不能简单地把小跨度结构做几何比例上的放大后用于大跨建筑。不能简单地把小跨度结构做几何比例上的放大后用于大跨建

6、筑。不能简单地把小跨度结构做几何比例上的放大后用于大跨建筑。大跨建筑结构的组成大跨建筑结构的组成1 1、屋面结构、屋面结构、屋面结构、屋面结构是大跨建筑最重要的组成是大跨建筑最重要的组成 部分，它既是建筑内部大空间得以实现的技术保部分，它既是建筑内部大空间得以实现的技术保 证，也是构筑建筑内外形象的关键，自然成为设证，也是构筑建筑内外形象的关键，自然成为设 计的重点。计的重点。 2 2、支承结构、支承结构、支承结构、支承结构是为屋面结构提供必要的是为屋面结构提供必要的 约束条件。为其提供竖向支承担，此外，还通过约束条件。为其提供竖向支承担，此外，还通过 被动约束方式来限制其整体性水平位移。支承

7、体被动约束方式来限制其整体性水平位移。支承体 系通常还用于构筑建筑的辅助空间，也是建筑立系通常还用于构筑建筑的辅助空间，也是建筑立 面的组成部分拱、壳体、网壳等屋面结构也常常面的组成部分拱、壳体、网壳等屋面结构也常常 作落地处理，屋面与支承融为一体。作落地处理，屋面与支承融为一体。 3 3、基础、基础、基础、基础多埋于地下多埋于地下目前，许多屋面直接落地或通目前，许多屋面直接落地或通 过斜撑、支杆来传力时，都采过斜撑、支杆来传力时，都采 用柱墩外露形式，拉索的地锚用柱墩外露形式，拉索的地锚 一端也是采用实体墩子。柱墩一端也是采用实体墩子。柱墩 作为基础的地面延伸部分，体作为基础的地面延伸部分，

8、体 现了结构的一部分功能，其造现了结构的一部分功能，其造 型对于建筑的使用功能和美学型对于建筑的使用功能和美学 效果也有值得推敲的余地。效果也有值得推敲的余地。屋面的形态分类屋面的形态分类平面体系平面体系平面体系平面体系 水平屋面、水平屋面、 单坡屋面、双坡屋面、单坡屋面、双坡屋面、 四坡屋面、锯齿形屋四坡屋面、锯齿形屋 面以及折板屋面等，面以及折板屋面等， 属于平面体系。它们属于平面体系。它们 均由平面裁切组合而均由平面裁切组合而 成。成。曲面体系曲面体系曲面体系曲面体系 穹顶（圆球面、穹顶（圆球面、 椭球面、旋转抛物面等）、椭球面、旋转抛物面等）、 筒形拱（圆拱、抛物线拱、筒形拱（圆拱、抛

9、物线拱、 悬链线拱等）、扭面（双悬链线拱等）、扭面（双 曲抛物线扭面和其它鞍形曲抛物线扭面和其它鞍形 曲面）等属于曲面体系。曲面）等属于曲面体系。 穹顶型、筒拱型、扭面型穹顶型、筒拱型、扭面型 这三种基本形态，分别对这三种基本形态，分别对 应着正高斯曲面、零高斯应着正高斯曲面、零高斯 曲面和负高斯曲面。曲面和负高斯曲面。此外，还有一些由多此外，还有一些由多 个曲面和平面相贯、个曲面和平面相贯、 组合形成的形态复杂组合形成的形态复杂 的屋面形式。的屋面形式。曲面的形成方法曲面的形成方法运用给定的一条曲线或直线，按某种规则运用给定的一条曲线或直线，按某种规则 进行旋转或移动，是形成规则曲面的传统进

10、行旋转或移动，是形成规则曲面的传统 方法。这种方法比较直观，而且对于壳体方法。这种方法比较直观，而且对于壳体 结构来说，这与将来的支模施工步骤相似结构来说，这与将来的支模施工步骤相似旋转曲面的形成旋转曲面的形成旋转曲面的形成旋转曲面的形成将一条平面曲线作为母线，绕将一条平面曲线作为母线，绕 其所在的平面内一给定轴线进其所在的平面内一给定轴线进 行旋转，即形成旋转曲面。不行旋转，即形成旋转曲面。不 同形状的母线便形成了不同形同形状的母线便形成了不同形 态的曲面。态的曲面。平移曲面的形成平移曲面的形成平移曲面的形成平移曲面的形成将一条竖向曲线作为母线，沿将一条竖向曲线作为母线，沿 另一条由竖向曲线

11、所构成的导另一条由竖向曲线所构成的导 线平行移动，即形成平移曲面。线平行移动，即形成平移曲面。 母线与导线的弯曲方向相同，母线与导线的弯曲方向相同， 将形成正高斯曲面；若方向相将形成正高斯曲面；若方向相 反，则形成负高斯曲面。反，则形成负高斯曲面。直纹曲面的形成直纹曲面的形成直纹曲面的形成直纹曲面的形成 将一条直线作母线，沿着由两将一条直线作母线，沿着由两 条固定曲线（或直线）所构成条固定曲线（或直线）所构成 的导线移动，且移动时母线须的导线移动，且移动时母线须 始终保持某种运动规则，如平始终保持某种运动规则，如平 行于某一参照平面或绕轴转动行于某一参照平面或绕轴转动 等，这样形成的曲面为直纹

12、曲等，这样形成的曲面为直纹曲 面。直纹曲面中，有单直纹曲面。直纹曲面中，有单直纹曲 面，如锥面、柱面、劈锥曲面；面，如锥面、柱面、劈锥曲面； 还有双直纹曲面，这种曲面在还有双直纹曲面，这种曲面在 两个方向上存在直纹，如扭面、两个方向上存在直纹，如扭面、 双曲线面，这对钢筋混凝土壳双曲线面，这对钢筋混凝土壳 体中钢筋的双向配置很有好处体中钢筋的双向配置很有好处构筑曲面，除了上述采用构筑曲面，除了上述采用 母线运动来形成曲面的方母线运动来形成曲面的方 法之外，还可以有更多方法之外，还可以有更多方 法，如通过模型试验、施法，如通过模型试验、施 工要求、艺术造型和自然工要求、艺术造型和自然 界生物及非

13、生物形态来构界生物及非生物形态来构 筑相应的曲面。计算机辅筑相应的曲面。计算机辅 助设计（助设计（CADCAD）为曲面形）为曲面形 态的形成提供了十分便捷态的形成提供了十分便捷 的技术条件的技术条件大跨建筑的结构大跨建筑的结构形态与建筑造型形态与建筑造型形态与建筑造型形态与建筑造型“带着枷锁跳舞”“带着枷锁跳舞”“带着枷锁跳舞”“带着枷锁跳舞”圣地亚哥圣地亚哥 卡拉特拉瓦卡拉特拉瓦体育馆体形简图体育馆体形简图（一）桁架结构（一）桁架结构桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、 体育馆和桥梁等

14、公共建筑中。体育馆和桥梁等公共建筑中。这里这里的桁架的桁架体育馆和桥梁等公共建筑中。体育馆和桥梁等公共建筑中。这里这里的桁架的桁架 指指的的是是桁架梁，桁架梁，是格是格构构化化的的一种一种梁式结构。梁式结构。指指的的是是桁架梁，桁架梁，是格是格构构化化的的一种一种梁式结构。梁式结构。 由由于大于大多多用于建筑的屋用于建筑的屋盖盖结构，桁架结构，桁架通通常常由由于大于大多多用于建筑的屋用于建筑的屋盖盖结构，桁架结构，桁架通通常常 也也被称作被称作屋架。屋架。也也被称作被称作屋架。屋架。拱形立体桁架拱形立体桁架首都机场候机楼外景首都机场候机楼外景首都机场候机楼内景首都机场候机楼内景日本大阪关西国际

15、机场候机楼日本大阪关西国际机场候机楼 建筑师皮阿诺建筑师皮阿诺屋盖结构本身并不复杂，是常见的轻型钢桁架，跨中隆起，跨端之外屋盖结构本身并不复杂，是常见的轻型钢桁架，跨中隆起，跨端之外 悬挑，另一端则是弧形落地刚架，屋盖连续而富变化，动感较强，其悬挑，另一端则是弧形落地刚架，屋盖连续而富变化，动感较强，其 实施方案要比当初的投标方案完美流畅简洁得多。这种在高低和曲直实施方案要比当初的投标方案完美流畅简洁得多。这种在高低和曲直 方面追求变化而取得的造型效果同样生动有趣。方面追求变化而取得的造型效果同样生动有趣。索桁架索桁架该馆由主馆和副馆两该馆由主馆和副馆两 部分构成，两部分都部分构成，两部分都

16、覆盖着单曲屋面，屋覆盖着单曲屋面，屋 盖结构并不复杂，都盖结构并不复杂，都 是采用的索桁架体系。是采用的索桁架体系。 但其巧妙之处在于将但其巧妙之处在于将 索桁架的两个跨端变索桁架的两个跨端变 作由钢斜柱支撑，这作由钢斜柱支撑，这 样就缩短了桁架索的样就缩短了桁架索的 拉伸跨度，使得结构拉伸跨度，使得结构 高度降低，同时两个高度降低，同时两个 端部的侧立面也有相端部的侧立面也有相 应的造型处理，使之应的造型处理，使之 能够反映出内部结构能够反映出内部结构的交接关系。的交接关系。酒田市综合体育馆。酒田市综合体育馆。吉林冰球馆吉林冰球馆 吉林冰球馆屋盖结构是以索桁架为基础，经吉林冰球馆屋盖结构是以索桁架为基础，经 过移位、提升、置换构件三个步骤而完成。过移位、提升、置换构件三个步骤而完成。 索桁架本为平面结构，如果将其上下索错开索桁架本为平面结构，如果将其上下索错开 即形成空间索系，但屋盖面积增加过多，在即形成空间索系，但屋盖面积增加过多，在 多雪地区受力不利且屋面排水有待解决。为多雪地区受力不利且屋面排水有待解决。为 此，在稳定索受力特点不