大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析作业

大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析大跨度建筑通常是指跨度在30米以上的建筑。我国规范：60m以上的结构为大跨度建筑。类型分为：影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港；工业建筑：飞机装配车间、飞机库等。纵观大跨度建筑的发展史，经历了最早人们用时才来建造穹顶，到中世纪人们使用木材建造，到19世纪具有轻质，高强优点的铁的使用，以及现在对钢铁、混凝土、新型材料等的使用。在20世纪的最后25年里，大跨度建筑结构逐渐占据了举足轻重的特殊地位；大跨度建筑往往是衡量一个国家科技水平的一个重要指标。建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别；结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。建筑的外貌愈来愈紧密地与新材料、新结构、新的施工技术相结合，覆盖空间越来越大。由于大跨度建筑多为公共建筑，人流多，占地面积大，因此一般位于城市边缘或郊区。如今这种结构广泛存在于建筑中，它发展可以总结为以下几点：1）功能复杂，大型文体表演、盛大博览会。2）型材料、新技术、新结构出现。3）钢结构、钢筋混凝土结构。4）结构的技术要求高，成为建筑设计的关键因素。5）材料和结构方法决定了造型的可能性。6）结构构造技术的发展制约了大跨度建筑造型的发展。7）现代大跨度建筑造型已经有较大自由。一、建筑结构与建筑造型结构是在特定的材料和施工技术条件下运用力学原理创造出来的房屋的骨架。而建筑师选择结构形式，需要对各种结构的基本的力学特征和适用范围有深入的了解，才能够自由创作，结构和形式统一。正如以上几结构。大跨度结构形式分类有：1、把结构构件本身作为独立的单元来考虑为平面结构体系：拱，桁架，刚架;2、把结构的所有组成构件协同起来共同跨越空间，作为整体来考虑——整体作用大于单个作用之和，且多向受力比单向受力更发挥材料潜力，空间工作比平面工作更符合力的自然传递路线有空间结构体系：网架、薄膜、折板、悬索。让我们从刚架结构入手了解大跨度建筑。网架结构是一种新型大跨度空间结构。它具有刚度大、变形小、应力分布均匀、能大幅度地减轻结构自重和节省材料等优点。网架结构可以用木材、钢筋混凝土或钢材来做，并且具有多种多样的形式，使用灵活方便，可适应于多种形式的建筑平面的要求。近来国内外许多大跨度公共建筑或工业建筑均普遍地采用这种新型的大跨度空间结构来覆盖巨大的空间。网架结构像框架结构一样，承重系统与非承重系统有明确的分工，即支承建筑空间的骨架是承重系统，而分割室内外空间的围护结构和轻质隔断，是不承受荷载的。在网架结构体系下，室内空间常依照功能要求进行分隔，可以使封闭的，也可以是半封闭或开敞的。当今，空间平板网架结构在我国已有较大发展，而由于网架结构多采用金属管材制造，能承受较大的纵向弯曲力，与一般钢结构相比，可节约大量钢材和降低施工费用（根据有关资料统计，节约钢材约35%，降低施工费用约25%，甚至在某些情况下，耗钢量接近于普通钢筋混凝土梁中的钢筋数量）。因此，空间网架的结构形式，用于大跨度建筑具有很大的经济意义。另外，由于空间平板网架具有很大的刚度，所以结构高度不大，这对于大跨度空间造型的创作，具有无比的优越性。网架结构一般是以大致相同的格子或尺寸较小的单元（重复）组成的。即一种由多根杆件以一定规律通过节点组成的空间结构。常应用在屋盖结构。通常将平板型的空间网格结构称为网架，将曲面型的空间网格结构简称为网壳。网架一般是双层的（以保证必要的刚度），在某些情况下也可做成三层，而网壳有单层和双层两种。平板网架无论在设计、计算、构造还是施工制作等方面均较简便，因此是近乎“全能”的适用大、中、小跨度屋盖体系的一种良好的形式。同时网架是一种由很多杆件以一定规律组成的网状结构。它具有下列优点：杆件之间互相起支撑作用，形成多向受力的空间结构，故其整体性强、稳定性好、空间刚度大，有利于抗震；当荷载作用于网架各节点上时，杆件主要承受轴向力，故能充分发挥材料的强度，节省材料；网架结构高度小，可以有效的利用空间；结构的杆件规格统一，有利于工厂化生产；网架形式多样，可创造丰富多彩的建筑形式。网架结构主要用来建造大跨度公共建筑的屋顶，适用于多种平面形状，如圆形、方形、三角形、多边形等各种平面建筑。网架结构的特点：1网架结构是高次超静定空间结构。2空间刚度大、整体性好、抗震能力强，而且能够承受由于地基不均匀沉降带来的不利影响。3网架结构的自重轻，用钢量省；4既适用于中小跨度，也适用于大跨度的房屋；5同时也适用于各种平面形式的建筑，如：矩形、圆形、扇形及多边形。6网架结构取材方便，一般采用Q235钢或Q345钢，杆件截面形式有钢管和角钢两类，以钢管采用较多，并可用小规格的杆件截面建造大跨度的建筑（因为网架结构能充分发挥材料的强度，节省钢材）。7另外，网架结构其杆件规格统一，适宜工厂化生产，为提高工程进度提供了有利的条件和保证。它既可用于体育馆、俱乐部、展览馆、影剧院、车站候车大厅等公共建筑，近年来也越来越多地用于仓库、飞机库、厂房等工业建筑中。网架结构形式可分为：1按结构组成，通常分为双层或三层网架；2按支承情况分，有周边支承、点支承、周边支承和点支承混合等形式；3按照网架组成情况，可分为由两向或三向平面桁架组成的交叉桁架体系、由三角锥体或四角锥体组成的空间角锥体系等等。网架按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架。双层网架是由上弦、下弦和腹杆组成的空间结构，是最常用的网架形式。三层网架是由上弦、中弦、下弦、上腹杆和下腹杆组成的空间结构。当网架跨度较大时，三层网架用钢量比双层网架用钢量省。但由于节点和杆件数量增多，尤其是中层节点所连杆件较多，使构造复杂，造价有所提高。双层网架的常见形式有：1、平面桁架网架：两向正交正放网架、两向正交斜放网架、三向网架2、四面锥体系网架：正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、斜放四角锥网架、星形四角锥网架、棋盘四角锥网架3、三角锥体体系网架：三角锥网架、抽空三角锥网架、蜂窝形三角锥网架两向正交斜放短桁架对长桁架有嵌固作用，受力有利，角部产生拔力，常取无角部形式。两向斜交斜放适用于两个方向网格尺寸不同的情形，受力性能欠佳，节点构造较复杂。三个方向的平面桁架相互交角60，比两向网架刚度大，适合大跨度，常用于正三角形，正六边形平面。正放四角锥网架空间刚度较好，但杆件数量较多，用钢量偏大。适用于接近方形的中小跨度网架，宜采用周边支承。鸟巢就是采用了正放四角锥正放抽空四角锥网架，将正放四角锥网架适当抽掉一些腹杆和下弦杆。斜放四角锥网架，上弦网格呈正交斜放，下弦网格为正交正放。网架上弦杆短，下弦杆长，受力合理。适用于中小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的矩形平面。星形四角锥网架星形网架上弦杆比下弦杆短，受力合理。竖杆受压，内力等于节点荷载。星形网架一般用于中小跨度周边支承情况。三角锥网架上下弦平面均为正三角形网格，上下弦节点各连9根杆件。当上、下弦杆和腹杆等长时，三角锥网架受力最均匀：整体性和抗扭刚度好，适用于平面为多边形的大中跨度建筑。保持三角锥网架的上弦网格不变，按一定规律抽去部分腹杆和下弦杆。抽杆后，网架空间刚度受到削弱。下弦杆数量减少，内力较大。抽空三角锥网架适用于平面为多边形的中小跨度建筑。上弦网格为三角形和六边形，下弦网格为六边形。腹杆与下弦杆位于同一竖向平面内。节点、杆件数量都较少，适用于周边支承，中小跨度屋盖。蜂窝形三角锥网架本身是几何可变的：借助于支座水平约束来保证其几何不变。网架支撑方式与建筑造型有：1、拱形网架支撑在两排列住上2、穹形网架支撑在周边柱上。网架结构的使用原则：网架的选型应结合工程的平面形状、建筑要求、荷载和跨度的大小、支承情况和造价等因素综合分析确定。平面形状为矩形的周边支承网架，当其边长比(长边／短边)小于或等于1.5时，宜选用正放或斜放四角锥网架，棋盘形四角锥网架，正放抽空四角锥网架，两向正交斜放或正放网架。对中小跨度，也可选用星形四角锥网架和蜂窝形三角锥网架。平面形状为矩形的周边支承网架，当其边长比大于1.5时，宜选用两向正交正放网架，正放四角锥网架或正放抽空四角锥网架。当边长比不大于2时，也可用斜放四角锥网架。平面形状为矩形、多点支承的网架，可选用正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架，两向正交正放网架。对多点支承和周边支承相结合的多跨网架还可选用两向正交斜放网架或斜放四角锥网架。平面形状为圆形、正六边形及接近正六边形且为周边支承网架，可选用三向网架，三角锥网架或抽空三角锥网架。对中小跨度也可选用蜂窝形三角锥网架。对于大跨度结构：优选三向交叉网架和三角锥网架对于平面交叉桁架体系而言，平面形状为方形或接近方形宜采用正交正放形式；平面形状为矩形时，宜采用正交斜放形式；不推荐采用斜交斜放形式。对四角锥体系网架而言，正放受力均匀，刚度最好；正放抽空节约钢材，便于采光、通风；斜放和星形有利于充分发挥材料的强度。当平面形状为三边形、六边形或圆形时，三角锥体系网架是首选。其中，三角锥网架刚度最大；抽空三角锥次之，但用料节省、构造简单；蜂窝形刚度最差，选用时应与周边支承相结合。支承方式选择：周边支承适用于大、中跨网架；点支承布置灵活，适用于大柱距的厂房、仓库；混合支承适用于飞机库或装配车间。网架结构的支承方式与节点1周边支承是在网架四周全部或部分边界节点设置支座(图a，b)，支座可支承在柱顶或圈梁上，网架受力类似于四边支承板，是常用的支承方式。为了减小弯矩，也可将周边支座略为缩进，如图(c)2点支承网架受力与钢筋混凝土无梁楼盖相似。为减小跨中正弯矩及挠度，设计时应尽量带有悬挑，多点支承网架的悬挑长度可取跨度的1／4～1／3(如图)。3周边支撑与点支承结合平面尺寸很大的建筑物，除在网架周边设置支承外，可在内部增设中间支承，以减小网架杆件内力及挠度。二、网架结构实例分析1、A380机库位于首都机场3号航站楼的北侧,其施工单位是北京建工集团,结构设计方案由中国航空工业规划设计研究院提供。该工程总建筑面积6.4万m2,局部地上3层,地下1层,由机库大厅和附楼两部分组成,其中机库大厅跨度2m*176.3m,进深110m,屋盖顶标高+39.800m。建成后可同时容纳4架A380空中客机或两架A380和4架B747大型客机,是目前世界上最大的飞机维修库。屋盖结构为3层焊接球型钢网架,总面积3.9万m2,总质量约为7000t,采用地面组拼、一次整体提升到位的施工方案,其一次提升面积和重量均堪称世界之最。在机库建设中屋盖结构的整体提升无疑是最大的技术难点。机库结构平面图和结构立面图如图所示，其中机库大门处网架边梁设计成一箱形的空间桁架两跨连续钢梁，宽9.5m，高11.5m。2、50年代后期上海同济大学曾建造了装配整体式钢筋混凝土单层联方网架壳形结构建筑，大厅部分净跨度为40米，外跨度54米。上海文化广场的改建设计采用钢结构球节点平板型网架，1970年建成。3、新奥尔良的路易斯安那超级圆顶体育馆是世界上最大的室内体育场。它建于1975年，是美国路易斯安那州新奥尔良市市中心的一座巨大圆形建筑。给人印象最深的是它那高耸外弯、厚实无窗的弧型墙，墙的上端冠以世界上有史以来最大的圆顶，盖住了整个体育场。圆顶直径达210米，体育场占地总面积为21万平方米。三、总结：大跨度建筑的利与弊利：近二三十年来，各种类型的大跨度建筑所取得的成就，已有力地说明了新技术革命为人们所带来的效益。它使人们的梦想成真，并使这类本来受技术条件制约极大的建筑居然能在建筑技术与建筑艺术有机结合中产生多姿多彩的艺术风貌，令人耳目一新。弊：但是目前看来，要增加建筑的跨度在技术上并非是不可解决的事，问题是造价不成比例的飙升是否值得，以及由于建筑过大、人口在一个建筑某一段时间内的过于集中而产生的一系列其他问题，例如建筑在日常运作中过分依靠能源，与人们在交往与进出的高峰时间中所形成的建筑内部与建筑对城市的交通压力等。因此问题不是越高越大就越好，而是究竟要建多大与多高。大跨度建筑迅速发展的原因一方面是由于社会发展使建筑功能愈来愈复杂，需要建造高大的建筑空间来满足