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1、大跨建筑结构构思与结构选型结构选型是个新课题，课题要求从建筑师的角度出发去考虑问题，在现代科学技术知识的指导下，分析和解释建筑设计中的结构选型问题。所以在讨论各种建筑结构时，我们应尽可能从力学入手。阐明各种结构形式的优缺点、适用范围及设计方案的构思。由于结构选型是个综合的科学问题，所以应该考虑结构、设备、施工等各个专业的配合。随着科学技术的发展和人民生活水平的需要，更加由于计算理论的成熟，大空间建筑越来越受到关注，尤其是大空间的公共建筑，而且它是应用大垮结构的重要市场。充分展示结构技术的最新成就与结构造型的魅力。总之结构与建筑在大空间公共建筑设计中有着密切的促进制约和依存的关系纵观世界，国内外
2、的大型公共建筑都是以大空间结构为前提的，从直接关系人民身心健康的体育建筑，到促进信息交流的博览建筑，再到规模巨大大交通建筑，娱乐设施，剧场音乐院等。这些大规模的公共建筑都需要大跨度的结构来支撑其稳定的发展。尤其在国外大空间建筑已经有了很长的一段历史，建筑技术也比较成熟。而在改革开放以来我国的大空间建筑也层出不穷，且培养出了一大批优秀的建筑设计人员，这也进一步为我国的大空间建筑的建造提供了可能。而且大空间结构也有了很大的发展，结构形式也多种多样，有平面的桁架结构，但大多为空间结构，因为空间结构不但省料，还能充分发挥材料的力学性能，这些结构有网壳结构，薄壳结构，悬索结构，膜结构等好多优秀的空间结构
3、。并且由于网架结构在我国应用的比较早而且相应的技术业发展的比较成熟。并且有了一些专业化的生产和施工厂家。其他结构也应用越来越广泛，正是由于计算机的出现，计算理论的成熟使得壳体的受力特点得以正确的解释。再加之施工技术的发展，让大空间的结构更是发展成为可能。但是，前面已经提到了结构对建筑有一定的作用，包括结构对建筑的制约、建筑与结构的相互促进、结构与建筑的相对关系以及建筑与结构的矛盾。而制约关系中又包括空间和形体、界面和形象、以及形式美的表达。而其矛盾的解决可以依靠新结构的研发和多样化的应用来解决。但这些矛盾的解决要依靠建筑师的协调，协调各工程师来共同完成一个好的设计方案。这就需要专业合作，建筑师
4、设计，结构师及早参与结构构思研究结构计算及落实技术细节，使得通过专业合作后一个崭新的方案应运而生。并且一个设计好坏应用哪几种建筑与结构的关系对方案的形成也是至关重要的。我国建筑教育和建筑师的知识结构存在着薄弱环节，即技术教育重视不够，技术知识不强，建筑师需要学习研究结构形态学。建筑离不开结构，因此我们在设计一个方案前认真的学习并了解结构是很有必要的。结构是对建筑安全的保障体制，他承受来自各方面的力的作用，将力传送给大地，从而减少建筑所承受的迫害。结构的强度可以抵御各种作用而使自身不至于被破坏，结构的刚度是结构抵御自身变形的能力，而结构的稳定是结构维持自身稳定状态的能力。结构按材料分类可分为砌体
5、结构、木结构、混凝土结构以及钢结构，另外还有铝合金结构，复合材料结构，甚至还有纸结构。结构的受力状态分为：拉、压、弯、剪、扭五大类，通常按受力来划分结构类型大多局限于构件或节点这些范围较小的结构布局。从整体作用看，结构按受力方向可分为：抗水平力体系，抗竖向力体系，抗倾覆力体系等。大跨结构主要是要抵御竖向作用。在结构设计时，我们可以按照平面结构与空间结构两类方法布置。而且结构还可以按照形态分为体、线面等结构。我们所说的结构是与力密切相关，力作用于结构，结构在力的作用下会产生相应的变形，如受拉伸长、受压缩短、受弯产生弯曲等。结构的变形曲线与荷载、支座条件、结构布置等有着直接关系，正确把握结构的变形
6、形态，对于了解内力分布、合理设计构件形式大有裨益。结构的几何组成分析是判断其整体性的好坏的基本方法。对结构我们可以进行分级划分为一级结构或二级结构，但是其分级结果是相对的，比如一个结构单元在一个场合下是一级结构，换一个场合就可能是二级结构。我们在建造大跨度建筑的时候必须要保证其结构的可靠性，包括其承载方面的安全储备，还有涉及正常使用方面的可用性保证及结构的设计保证年限。而结构力学又符合一定的分布规律，如受压杆件的稳定，力与变形的关系等。关于大跨建筑的受力特点：大跨建筑主要承受以重力为主的，其竖向作用主宰结构，间接作用效应也很明显，其动态作用也不容忽视。其次，大跨建筑结构由屋盖结构、支承结构和基
7、础共同组成。对于大跨建筑而言屋盖毫无疑问是建筑造型的主体，有的屋盖还可以延伸落地，使屋盖与维护结构一体化。而屋盖的几何形态多样，分为平面体系和曲面体系两类。平面体系有水平屋面、单坡屋面、双坡屋面、四坡屋面、锯齿形无眠以及折板屋面；曲面体系包括穹顶、筒形拱、扭面等。而这些曲面又有正高斯曲面、负高斯曲面、可展曲面等。这些曲面又是由一些曲线形式如抛物线、双曲线等经过一定的旋转、平移和直纹得来的。这些屋盖可以分为线结构体系、面结构体系和线面组合体系，通过组合可以形成丰富的结构形式。大跨建筑的基本结构形式分为桁架结构、刚架结构、拱结构、壳体结构、折板结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构。桁架结构是
8、从梁式结构发展产生出来的。桁架实质是利用梁截面的几何特征有利因素，利用构件截面的惯性矩和抵抗矩增大的同时而截面面积却相反减少。桁架结构与梁比较优点：扩大了梁式结构的适用范围，可用各种材料制造，由杆件组成体形多样，施工方便。桁架按几何形式分为三角形桁架、梯形桁架、平行弦桁架、折线形桁架和拱形桁架。按其杆件布置方式分为豪式屋架（斜腹杆受压，竖杆受拉。除竖杆用圆钢外其余杆件均用木材构成）和芬克式屋架（三角形刚木屋架和钢屋架的常用形式）。桁架可采用对称或不对称以及半跨形式，可以水平或倾斜放置也可倒置，可采用钢结构、木结构、钢木结构，也可采用钢筋混凝土结构、胶和木结构及其他结构。他可以通过合理的布置形成
9、空间体系也可以通过桁架的纵横搭接形成空间网架，还可以设计成立体桁架索应用于桁架结构时，节点处理也是很有特色的。在解决好索与索、索与压杆的连接构造的同时，也应实现精致美观。对于大跨度桁架，支座应有可靠的构造处理措施。刚架是将梁与柱子通过刚性节点连接起来，形成的刚性节点框架结构，属于平面结构体系。刚架的结构特点在于，梁端存在刚节点，可将梁的端弯矩传给柱子。刚架有多种结构形式，可在多个方面进行变化，以适应建筑节能、美观需要和结构受力合理性的要求。从铰的设置情况看，主要有无铰刚架、两铰架和三铰刚架。从几何形式看刚架有平顶、坡顶和拱顶以及单跨、多跨和单柱悬挑等形式。从截面形式刚架的梁柱截面可根据内力分布
10、情况做相应的高度处理。从结构材料看刚架可采用钢筋混凝土、钢结构、胶合木结构等多种形式。构件形式有实腹和空腹之分。节点和支座的处理也是刚架结构运用的重点之一，对于铰支座，应在构造上尽可能实现转动的灵活性，体现计算、设计和构造处理的一致性。拱结构是一种传统的大跨结构形式。拱结构比桁架结构更具力学优点，因为桁架结构从整体看还是一个受弯构件而拱结构已经根本不是受弯了。它能够利用砖、石、混凝土等脆性材料的抗压性能实现大跨结构。拱结构充分地利用了材料的抗压性能，以制作的水平推力和截面内轴向压力的水平分力所构成的力矩平衡结构的整体性弯矩，且在弯矩最大处的跨中，这种平衡力矩也达到了最大，这就从根本上避免了构件
11、中产生较大弯矩的可能性，同时又以截面内轴向压力的竖向分力来平衡结构的整体剪力，使行构件中的剪力也极小。但拱是有推力的结构。所以公结构的支座应能可靠的承受水平推力。其中有以下方式：利用地基基础直接承受，利用侧面框架结构承受和利用拉杆承受。拱的形式也很多，按铰的设置方式分为三铰两铰和无铰拱；按截面形式分为等截面和变截面；按构件形式分为实心和格构拱。当然还按材料分为混凝土拱，钢拱，砌体拱，木拱和胶合木拱等。拱结构的薄弱点在于它是一种平面结构，整体面外刚度极差，且在压力作用下以产生屈曲现象，因此要使拱截面足够宽 ，也可以设斜向支撑或做成立体格构式拱，提高自身面外刚度。拱是古典建筑常用的形态表达元素，单
12、拱多以圆拱和抛物线拱为主，多拱组合形式多样，通过并列和交叉等组合方式形成整体。壳体结构为薄壁空间的一种，包括球壳、筒壳、双曲扁壳和扭壳等多种形式。它们的共同特点在于通过发挥结构的空间作用，把垂直与壳体表面的外力分解为壳体的薄膜力，再传递给支座，弥补了板、壳等薄壁构件的面外薄弱性质，以比较轻的结构自重和较大的结构刚度及较高的承载能力实现结构的大跨度。壳体曲面形态可以采用高斯曲率进行分类，如球壳上各点的高斯曲率均大于零，筒壳上各点的高斯曲率均等于零，扭面上各点的高斯曲率均小于零。此外，壳体壳根据母线的移动方式分为旋转曲面、平移曲面和直纹曲面，还壳按照展开性质分为可展曲面和不可展曲面。壳体结构的优点
13、为：材料节省，经济，而且自重铰小，为大跨度提供有利条件，曲板的曲面多样化，为建筑造型提供非富多彩的创造条件。球壳、筒壳、扁壳和扭壳都有各自不同的受力特点，如球面壳可以是圆球面壳、椭球面壳等，由于在平面内的投影是个圆形，很适合圆形及正多边形平面的建筑，且受力也比较合理，可以材尽其用。像筒壳分为长壳和短壳，适合于矩形平面。长壳的受力特点相似于曲线截面梁，而短壳则相似于拱。扁壳则为双向微弯平板，但与平板相比其受力更为合理。扭壳则为受力状况最理想的一个，在均部荷载作用下，壳体中各点的应力状态相同，均处于纯剪力状态。折板结构通过薄壁板的空间组合所形成的构件，其横向抗弯和抗剪的能力都大为增强。折板的形态与
14、多波筒壳有些相似，它们的受力特性也有一定的共性，内力分布与跨度和波长之比很有关系。折板的受力首先有小跨折板承受外力，横向传给折缝，然后，在以折板梁的方式，纵向传给支座。折板有带边梁和无边梁，截面为V形或有水平段的【】形、Z形。因为他有一定的面外抗弯刚度，在纵向也能承担纵向压力，所以他能有很好的工作性能。网架结构构造简单，重量轻，强度搞，通过单元的组合变化来实现形态复杂、规模宏大的空间结构。其按照构成方式可分为平面构成与立体构成两种。前者是用平面桁架通过交叉方式形成的空间结构，后者则是由空间形式的基本单元发展而成。网架的主要结构形式分为交叉平面桁架体系网架、角锥体系网架、倒置的正六角锥单元组成的
15、六角锥网架。网壳结构是由杆件构成的曲面网格结构，通常从外观形态上分为筒壳、球壳和扭壳等形式。网壳中的杆件可以承受拉力和压力，其受力情况分布与壳体薄膜相似。具有较好的面外抗弯性能，能够降低非均部荷载和结构几何缺陷等带来的不利影响，提高结构抗压稳定性和承载力。悬索结构是主要以索来跨越大空间的结构体系，与拱的结构形式在于发挥砖、石和混凝土等材料的抗压性能相类似，悬索结构形式的特点在于他能够充分发挥钢材的抗拉强度。悬索在以承担均布外荷载为主是，索的几何形式通常是以抛物线来描述。悬索结构的主要承重构件就是索。由于采用较高强度的钢绞线或钢丝绳，因而自重轻强度大，且能跨很大的跨度。但应该注意对水平支座水平反
16、力的处理，采用合理的支座形式，且边缘构件不可少。悬索结构的形式按布置方式分为单层索体系和双层索体系以及鞍行索网体系和劲性索体系。边缘构件对保持索系的张力、维持结构形态稳定起着重要作用，可以说，是边缘支撑构件决定了悬索结构的形态。膜结构是以薄膜材料为张拉构件形成的空间结构体系，有充气膜结构和张拉膜结构两种，其多采用由人工纤维加粘合层制成的高强织物。膜结构的支撑方式包括周边支撑和中间支撑，都有刚性和柔性支撑之分，且其支撑条件是决定膜结构形态的重要因素。其他还有一些新型的结构体系如树状结构、张弦梁、开闭结构和大跨度胶合木结构等。随着科学技术的发展，许多新型结构陆续产生，如树状结构、张弦梁、开闭结构、大跨度胶和木结构等。另外，建造大跨建筑还需要建筑师的结构构思与了灵感和创意，需要深刻了解建筑造型。其中结构构思的主要依据是建筑空间，合理的建筑空间是结构构思不能忽视和脱离的根本依据，悖离它，结构构思将是无源之水，无本之木。建筑构思中有关建筑布局、形体构建、体量权衡、尺度处理问题都是筒环境条件有所关联。所以，建筑构思
