論大跨度建筑結構形式與設計

趙 宇

(山西省煤炭建設監理有限公司，山西太原 030006)

0 引言

大跨度建筑的靈魂都是基于力學的原理和自然的靈感，如喬木樹冠、貝殼等，存在于自然界的許多事物，都為人類的創造提供了范本。大跨度結構的建筑樣式繁多，如穹頂結構、張拉結構、卡斯藤結構、樹狀結構、開合結構、膜結構等。人們不再滿足設計簡單的建筑，而是逐漸往受力更大、跨度更大、空間利用更合理、更加美觀等方向發展。人們對建筑空間結構要求的變化，其實反映的是人類建筑的發展，只有將精確的計算和新穎的設計相互結合，所建造的建筑才能滿足人們需求。

1 剛架結構形式及特點

剛架結構可以根據其不同的特點分為三種:無鉸剛架、兩鉸剛架、三鉸剛架。前兩種屬于超靜定結構，剛架的結構剛度比較大，但若是地基條件比較差，產生不均勻沉降時，剛架結構容易產生附加內力。而三鉸剛架則與之相反，屬于靜定結構，當其處于條件較差的地基環境時，剛架不會產生附加內力。但是三鉸剛架的剛度卻不如前兩種結構好，所以三鉸剛架一般被跨度較小的建筑采用，無鉸剛架和兩鉸剛架則用于跨度比較大的建筑結構，可以形成高低跨、懸挑跨、多跨和單跨等風格不一的建筑外形。

剛架是指柱和橫梁整體連接的結構，介于柱和橫梁都是剛性節點，同時在豎向荷載的作用下，柱體對橫梁有一定的約束作用，從而能夠減少橫梁的跨中彎矩。同樣橫梁對柱體的約束力可以減少柱內的彎矩。剛架通常較為輕巧，也可以節約水泥和鋼材等。大部分剛架都能在建筑中得到合理地應用，并且可以增加結構下面的空間。剛架結構在屋頂上應用，可使建筑輪廓多樣變化，制作也非常方便，所建成的大跨度建筑也是輕巧、美觀，在生活中的應用十分廣泛，如禮堂、體育館等需要大空間體積的建筑。同時剛架結構也可以在工業建筑中發揮它的作用。

2 網殼結構形式及特點

網殼結構主要有雙曲面網殼結構、雙曲拋物面網殼結構、球面網殼結構、圓柱面網殼結構等。一般情況下，這類結構大都是由輕質、高強度的材料建成，從而可以大幅度減少它的剖面尺寸。網殼結構是一種類似平板網架空間的桿系結構體系。在施工建設的過程中，采用桿件作為主要的受力基礎，依照一定的規矩進行排列組合，繼而形成具備一定結構的構架。這種結構具有壓力感強、傳力性能好等特點，其是有殼體和桿系的完美結合。網殼結構很容易在荷載的壓力下導致變形從而失去其穩定性，最終遭到破壞。目前這一結構形式得到人們很大的關注，有著極大的市場需求和發展前景。

3 拱形結構形式及特點

拱形結構在中國的歷史上由來已久，有趙州橋等杰出的代表。拱形是呈現出曲面的形狀。拱形結構可以充分地利用材料的韌度和強度，在外力作用下，盡量將拱內的彎矩值降到最低，壓力均勻分布，是一次能跨度較大的空間結構。但是為了保持拱形結構的穩定性，需要在拱形建筑下設置堅固的支座來抵消結構所產生的橫向推力。通常會在拱形結構的兩側建立兩道后墻來支撐結構。也正是因為拱形結構的特點，在設計時應采用抗壓力性能較好的材料進行施工。在我國古代多采用磚石等材料，而現代建筑中用混凝土和鋼材代替了磚石，將拱形結構的跨度提高到了百米以上的長度。

拱形結構的矢高對建筑的輪廓有較大影響。矢高較小的拱形結構，多是扁平狀的，起伏變化較小，但是拱身的軸力和水平方向的推力較大，相反矢高較大的拱形結構多是立體狀的，起伏變化較大，而水平方向的推力和軸力較小，施工起來消耗的材料很多，拱形內部空間較大，所以要綜合考慮建筑的要求、耗材、防水結構等方面，可以設計單高低跨、多跨、單跨等不同的造型，建造出實用美觀的建筑。此外，還可以在拱形的兩側建立框架來抵消水平方向的推力，框架要有相應的剛度以保證框架和拱腳之間不會產生傾斜或水平位移。

4 懸索結構形式及特點

懸索結構按照索的層數和布置防線不同分為以下幾種:預應力索網結構、輻射式預應力懸索結構、輻射式單層懸索結構、單向雙層預應力懸索結構、單向單層懸索結構、單向雙層預應力懸索結構、雙向單層懸索結構等等。懸索結構是用能承受拉力的索作為基本承重元件，并參照一定的規律組合而成的結構。懸索結構中的鋼索多采用高強度的鋼絲合成的平行鋼絞線、鋼絲束和鋼纜繩等，同時也可以采用型鋼、鋼板、圓鋼或者帶鋼等材料構建結構。懸索結構與支撐系統和屋面系統共同構成懸索屋蓋。

懸索結構僅僅是利用索的軸向拉伸來抵御荷載的作用力，使用中可以充分地利用鋼材的強度和韌度，不會出現剪刀效應和彎矩現象。懸索結構的布置靈活多樣，可以適用于多種建筑結構，得到眾多設計師的喜愛。

5 網架結構形式及特點

網格結構，顧名思義是將桿件材料參照一定的形式將節點連接起來所形成的一種新型的空間結構。它具有剛度大、重量小、受力性能好、抗震等優勢。將網格結構使用在體育場館、展覽中心等大型建筑物中還會有良好的視覺體驗。網格結構分類包括兩向錐體的網架結構、三角錐體的網架結構、四角錐體網架結構、六角錐體網架結構。詳情見表1。

網格結構在一些大型的建筑工程中使用的最多，穩定性好、傳力途徑便利、質量高、效率高、使用靈活方便、易于裝飾等是它所具備的競爭力，但同時也有一定的不足之處，如節點處的桿件多，制作流程十分復雜，其優勢并不能滿足設計中的要求。

表1 網格結構的種類、特點分析表

6 薄殼結構形式及特點

薄殼結構按照使用的材料可以分為混凝土薄殼、鋼薄殼、復合材料薄殼、磚薄殼等;按照曲面的形成可以分為移動殼和旋轉殼。殼體的結構具備了十分優秀的承載能力，能夠以較薄的厚度承載較大的荷載壓力，主要是因為殼體合理的幾何形狀，充分發揮了材料的剛度和強度，來承受壓力。正是這個原因使得薄殼結構成為一種剛度較大、節約建筑資源、經濟合理的結構形式，從而獲得了設計師的青睞。

7 桁架結構形式及特點

桁架結構也是由桿件形成的一種建筑結構，因此桁架結構的受力比較均勻，充分利用材料的強度。與梁結構相比較，桁架結構的軸向力即為桿件內力，然而梁結構的內力是彎矩，受力也不能均勻分布，因此，桁架結構比梁結構更加合理科學。桁架結構適用于大型商場、菜市場等建筑，通常是采取的矩形的平面形式，統一規格，減小結構材料的損耗和自重，增加跨度，利于施工的安排。

8 結語

近些年來的建筑水平迅速提高，許多大跨度建筑已經融入了人們的生活當中，給城市景觀增色不少。新型的材料和新穎的技術更新換代的速度明顯提高，一種技術往往還沒有趨于成熟，就很快被淘汰了。人們對建筑的創新意識與日俱增，其中建筑結構的創新占據了主要的地位。大跨度結構建筑在各方面設計的更加合理、完善，建筑行業得到了空前的發展。我國正在這方面努力跟上世界的步伐，需要建筑行業的從業人員提高自身水平，學習國內外的建筑設計經驗，從而能建造出帶有中國色彩的大跨度建筑。

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［3］常 健，鄧中美.大跨度建筑的外觀形式與結構體系［J］.建筑科技，2002(15):13-15.