淺析大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)
摘 要：大跨度建筑體系中所存在的核心，便是空間結(jié)構(gòu)技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展，幾乎代表著一個(gè)國(guó)家建筑科學(xué)體系的水平。而大跨度結(jié)構(gòu)本身所呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)形式是多元化的，主要涉及到五大空間結(jié)構(gòu)以及各種不同類(lèi)型的組合空間。本篇文章主要針對(duì)大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式以及設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面詳細(xì)的探討。
關(guān)鍵詞：大跨度建筑；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；膜結(jié)構(gòu)；懸索結(jié)構(gòu)；薄殼結(jié)構(gòu)
前言
在我國(guó)當(dāng)前科技技術(shù)持續(xù)發(fā)展的狀況下，建筑本身的形式開(kāi)始持續(xù)性的創(chuàng)新，這對(duì)于滿足各種不同類(lèi)型的建筑工程來(lái)說(shuō)，起到了至關(guān)重要的作用。大空間結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸成為了建筑結(jié)構(gòu)體系的熱門(mén)，但是大空間所需要考慮的承重、荷載因素更多，因此也更為復(fù)雜。大跨度建筑本身實(shí)際上還包括了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)等幾種主要的空間結(jié)構(gòu)形式。并且多種不同的結(jié)構(gòu)形式還可以互相的演變、發(fā)展，這也是現(xiàn)今大跨度結(jié)構(gòu)如此豐富的原因。下文主要針對(duì)大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式以及設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面詳細(xì)的探討。
一、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)
通過(guò)多跟不同的桿件，來(lái)嚴(yán)格的依據(jù)相關(guān)規(guī)律、幾何圖形等措施，利用節(jié)點(diǎn)連接的方式，使得空間結(jié)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)變成為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式，在這其中，所使用的多層平板網(wǎng)格、雙層平板網(wǎng)格等方賣(mài)弄的結(jié)構(gòu)，也就被稱之為是網(wǎng)架。這方面的結(jié)構(gòu)一般都是通過(guò)高強(qiáng)度的鋼材、鋼管等材料制造而成的。
1.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式
1.1.1平面桁架系組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：兩向正交正放網(wǎng)架、兩向斜交斜放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、三向網(wǎng)架等型式。
1.1.2四角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、棋盤(pán)形四角錐網(wǎng)架、星型四角錐網(wǎng)架、單向折線型網(wǎng)架等型式。
1.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)
空間工作，傳力途徑簡(jiǎn)捷；重量輕、剛度大、抗震性能好；施工安裝簡(jiǎn)便；網(wǎng)架桿件和節(jié)點(diǎn)便于定型化、商品化、可在工廠中成批生產(chǎn)，有利于提高生產(chǎn)效率；網(wǎng)架的平面布置靈活，屋蓋平整，有利于吊頂、安裝管道和設(shè)備；網(wǎng)架的建筑造型輕巧、美觀、大方，便于建筑處理和裝飾。
二、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)
曲面形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，有單層網(wǎng)殼和雙層網(wǎng)殼之分。網(wǎng)殼的用材主要有鋼網(wǎng)殼、木網(wǎng)殼、鋼筋混凝土網(wǎng)殼等。
2.1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形式
主要有球面網(wǎng)殼、雙曲面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼等。
2.2網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)
通常情況下，通過(guò)高強(qiáng)度、輕質(zhì)量材料所制造而成的結(jié)構(gòu)，本身如果說(shuō)依照強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行計(jì)算，那么在這其中所存在的剖面尺寸也就可以大幅度降低，但是如果說(shuō)這類(lèi)結(jié)構(gòu)受到荷載影響，就有可能由于變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，而引發(fā)失穩(wěn)或者是破壞現(xiàn)象。但是殼體結(jié)構(gòu)，則是極為合理的外形，其本身不僅能夠?qū)τ趦?nèi)部的應(yīng)力加以分配，并且還可以保證穩(wěn)定性，因此，即便是殼體結(jié)構(gòu)厚度不高的情況下，依然可以對(duì)于較大的空間面積進(jìn)行覆蓋。
殼體結(jié)構(gòu)的剛度，取決于它的合理形狀，而不像其他結(jié)構(gòu)形式需要加大結(jié)構(gòu)斷面，所以材料消耗量低；其靜載也不像其他結(jié)構(gòu)形式那樣隨跨度增大而加大，所以其厚度可以做得很��；該結(jié)構(gòu)的承重和無(wú)蓋合而為一，使其更加經(jīng)濟(jì)有效，且在建筑空間利用上越加充分。
三、膜結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)
薄膜結(jié)構(gòu)本身也由于自身的材料特性，被稱之為織物結(jié)構(gòu)，該材料是上世紀(jì)中期所發(fā)展出來(lái)的一種大跨度空間結(jié)構(gòu)。其主要是采取材質(zhì)柔軟、優(yōu)良的軟織物來(lái)作為材料使用，并且其膜內(nèi)所存在的空氣壓力起到了支撐性的效果，或者說(shuō)直接采取柔性鋼索、剛性支撐結(jié)構(gòu)的形式，來(lái)表現(xiàn)出相應(yīng)的預(yù)張力，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)具有剛度的、覆蓋面積大的空間結(jié)構(gòu)。
3.1膜結(jié)構(gòu)按其支承方式的不同，一般包括：
在跨度較大的情況下，可以采取氣承式結(jié)構(gòu)，也就是直接在建筑物的內(nèi)部空間中，注入相應(yīng)的空氣，一般情況下，屋面所表現(xiàn)出的拱度都較低，這是為了能夠使得氣壓減少。而在大跨度的情況下，白呢可以直接在建筑的對(duì)角位置上，布置上相應(yīng)的交叉鋼索，如此一來(lái)，便能夠起到良好的膜面加勁效果。但是對(duì)于氣脹式的空間膜結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，則是直接制造成周?chē)耆芊庑问降膱A形雙層結(jié)構(gòu)，在充氣之后，能夠形成相應(yīng)的飛碟狀；或?qū)⒛げ淖鞒砂雸A形圓筒，充氣后如同半個(gè)輪胎，以此為單元組合成各種屋蓋。該膜結(jié)構(gòu)主要用在跨度較小的臨時(shí)性建筑上。
3.1.2懸掛膜結(jié)構(gòu)-一般采用獨(dú)立的桅桿或拱作為支承結(jié)構(gòu)將鋼索與膜材懸掛起來(lái)，然后利用鋼索向膜面施加張力將其繃緊，這樣就形成了具有一定剛度的屋蓋。
3.1.3骨架支撐膜結(jié)構(gòu)-這是以鋼骨架代替了空氣膜結(jié)構(gòu)中的空氣作為膜的支撐結(jié)構(gòu)，骨架可按建筑要求選用拱、網(wǎng)殼之類(lèi)的結(jié)構(gòu)，然后在骨架上敷設(shè)膜材并繃緊，適用于平面為方形、圓形或矩形的建筑物。
3.2膜結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)
自重輕、跨度大；建筑造型自由豐富；施工方便；具有良好的經(jīng)濟(jì)性和較高的安全性；透光性和自結(jié)性好；耐久性較差。
四、懸索結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)
4.1懸索結(jié)構(gòu)形式
懸索結(jié)構(gòu)按索的布置方向和層數(shù)分為：?jiǎn)蜗騿螌討宜鹘Y(jié)構(gòu)；輻射式單層懸索結(jié)構(gòu)；雙向單層懸索結(jié)構(gòu)；單向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)；輻射式預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)；雙向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。
4.2懸索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
懸索結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是僅通過(guò)索的軸向拉伸來(lái)抵抗外荷載的作用，結(jié)構(gòu)中不出現(xiàn)彎距和剪力效應(yīng)，可充分利用鋼材的強(qiáng)度；懸索結(jié)構(gòu)形式多樣，布置靈活，并能適應(yīng)多種建筑平面；由于鋼索的自重很小，屋蓋結(jié)構(gòu)較輕，安裝不需要大型起重設(shè)備，但懸索結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)理論與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，比較復(fù)雜，限制了它的廣泛應(yīng)用。
五、薄殼結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)
建筑工程中的殼體結(jié)構(gòu)多屬薄殼結(jié)構(gòu)（學(xué)術(shù)上把滿足t/R≤1/20的殼體定義為薄殼）。
5.1薄殼結(jié)構(gòu)的形式
薄殼結(jié)構(gòu)按曲面形成可分為旋轉(zhuǎn)殼與移動(dòng)殼；按建造材料分為鋼筋混凝土薄殼、磚薄殼、鋼薄殼和復(fù)合材料薄殼等。
5.2薄殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
殼體結(jié)構(gòu)具有十分良好的承載性能，能以很小的厚度承受相當(dāng)大的荷載。殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度主要是利用了其幾何形狀的合理性，以材料直接受壓來(lái)代替彎曲內(nèi)力，從而充分發(fā)揮材料的潛力。因此殼體結(jié)構(gòu)是一種強(qiáng)度高、剛度大、材料省的即經(jīng)濟(jì)又合理的結(jié)構(gòu)形式。
除以上幾種空間結(jié)構(gòu)外，尚有組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、管桁結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)、點(diǎn)連接玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等幾種常用空間結(jié)構(gòu)，都有自身的特點(diǎn)和實(shí)用范圍。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提便是充分的了解各種結(jié)構(gòu)的選型特點(diǎn)，正確的選型，才能跟好的進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)。
六、結(jié)語(yǔ)
綜上所述，在現(xiàn)代社會(huì)飛速發(fā)展的過(guò)程中，建筑行業(yè)已經(jīng)能夠?yàn)槿藗兲峁└永硐氲目臻g結(jié)構(gòu)以及大跨度結(jié)構(gòu)形式，空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展，實(shí)際上從某種角度反映出了人類(lèi)建筑歷史的變化。在針對(duì)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)要采取科學(xué)合理的方式、計(jì)算理論、程序措施等來(lái)執(zhí)行精確地分析，并且在空間結(jié)構(gòu)形體的設(shè)計(jì)工作中，也不能夠單單對(duì)對(duì)于美觀方面加以重視，還應(yīng)當(dāng)要確保結(jié)構(gòu)本身所表現(xiàn)出的合理性、工程成本等多方面因素。■
參考文獻(xiàn)
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