大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

■謝 明 ■尋烏縣建筑設(shè)計(jì)室，江西 尋烏 342200

近年來(lái)我國(guó)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)水平在不斷的發(fā)展和提高，科技領(lǐng)域也得到了飛速的發(fā)展，為了不斷的滿足我國(guó)人民及社會(huì)的物質(zhì)需求，不斷涌現(xiàn)出多種多樣的建筑的結(jié)構(gòu)和類型。就目前情況來(lái)看大跨度建筑建構(gòu)已經(jīng)逐步發(fā)展成為我國(guó)建筑行業(yè)的主要方向，例如會(huì)展中心、體育場(chǎng)館、電影劇院等等功能、形態(tài)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。在常見的大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式共有以下五種分別是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)。

1 大跨度建筑結(jié)構(gòu)概述

1.1 大跨度建筑概念

我們常說(shuō)的大跨度建筑結(jié)構(gòu)一般是指建筑結(jié)構(gòu)的跨度以30m 為界限，超過(guò)這一界限的變?yōu)榇罂缍冉ㄖY(jié)構(gòu)。而我國(guó)目前執(zhí)行的鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范中規(guī)定，這一跨度界限為60m。在現(xiàn)階段的建筑工程中，大跨度建筑結(jié)構(gòu)體系往往被應(yīng)用于體育館、各類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的劇院、會(huì)展中心等等大型的形狀各異的建筑中。從發(fā)展的角度看，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，大空間建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展也會(huì)朝著越來(lái)越復(fù)雜的方向前進(jìn)，進(jìn)而為今后大空間建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更進(jìn)一步的要求和挑戰(zhàn)。

1.2 大跨度建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)成

在常見的大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式共有以下五種分別是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)。除此之外雖然還有一些結(jié)構(gòu)形式，但是基本都是由上述五種基本結(jié)構(gòu)形式相互組合演變發(fā)展而來(lái)，因此由于這些結(jié)構(gòu)的多樣性才造就了如今多姿多彩的建筑空間新結(jié)構(gòu)。

2 常見大跨度建筑結(jié)構(gòu)的形式與設(shè)計(jì)分析

根據(jù)常見的大跨度建筑結(jié)構(gòu)即網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)。我們主要對(duì)這五種結(jié)構(gòu)的形式和設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)分析。

2.1 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在建筑工程施工建設(shè)中是一種與平板網(wǎng)架極為相似的空間桿系結(jié)構(gòu)體系。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在建筑工程施工建設(shè)中承受力基礎(chǔ)是以桿件為主要利用對(duì)象，而后將桿件按照一定的規(guī)則相互組合和搭配，最終形成為一種具備著結(jié)構(gòu)布置的空間構(gòu)架。采用網(wǎng)殼技術(shù)會(huì)使得桿系同殼體形成渾然一體的狀態(tài)，具備極好的壓力感強(qiáng)、傳力性質(zhì)好的建筑工程結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的工程建設(shè)中，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受到了廣泛的關(guān)注，因此其發(fā)展的前景及市場(chǎng)空間潛力巨大。

(1)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形式。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要形式有雙曲面網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼、球面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼等等。

(2)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)。就常規(guī)的情況來(lái)說(shuō)，采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料而做成的結(jié)構(gòu)，從強(qiáng)度的方面出發(fā)計(jì)算，結(jié)構(gòu)的剖面尺寸則可以極大的減小，然而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在荷載的作用之后，則較容易發(fā)生變形，從而破壞其穩(wěn)定性最終導(dǎo)致被破壞。

2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)就是通過(guò)多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式利用節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)結(jié)而形成的一種新型的空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有很多的優(yōu)點(diǎn)例如重量輕、空間受力性好、抗震性能好、剛性強(qiáng)的一種新型的建筑結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要是被應(yīng)用于體育場(chǎng)、會(huì)展中心、大劇院一類的大型建筑物當(dāng)中。

(1)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式分析。在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式分析中，主要可以從兩向網(wǎng)架、三角錐、四角錐體組成以及六角椎體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其具體內(nèi)容如下:①兩向網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。現(xiàn)階段在施工中較為常見的是兩向斜向放網(wǎng)架、兩向校正放網(wǎng)架、以及三向網(wǎng)架等形式。②三角錐組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。現(xiàn)階段在施工中較為常見的是抽空三角錐網(wǎng)架(分Ⅰ型和Ⅱ型)、三角錐網(wǎng)架、蜂窩形三角錐網(wǎng)架等型式。③四角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。現(xiàn)階段在施工中較為常見的是斜放四角錐網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、星型四角錐網(wǎng)架、單向折線型網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架等型式。④六角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。現(xiàn)階段在施工中較為常見的是正六角錐網(wǎng)架。

(2)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)包括傳力途徑方便、空間工作、工程質(zhì)量較高、穩(wěn)定系數(shù)好、平面布置靈活、生產(chǎn)效率高、可裝飾程度高、美觀性好等等。基于上述優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代化的建筑工程施工建設(shè)中應(yīng)用非常廣泛，雖然網(wǎng)架結(jié)構(gòu)技術(shù)在很多的大型建筑工程項(xiàng)目中得到了很多的應(yīng)用，但是任何一項(xiàng)技術(shù)都不可能滿足所有工程的施工要求，因此該項(xiàng)技術(shù)本身也存在著一定的缺點(diǎn)，例如桿件制作紛繁復(fù)雜、桿件數(shù)量多等等。

2.3 薄殼結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)

(1)薄殼結(jié)構(gòu)的形式。薄殼結(jié)構(gòu)按建造材料可分為鋼薄殼、鋼筋混凝土薄殼、復(fù)合材料薄殼、磚薄殼等。薄殼結(jié)構(gòu)按曲面形成可分為移動(dòng)殼與旋轉(zhuǎn)殼。

(2)薄殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。薄殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有剛度大、強(qiáng)度高、省材料、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

2.4 懸索結(jié)構(gòu)

(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:雙向單層懸索結(jié)構(gòu);輻射式單層懸索結(jié)構(gòu);單向單層懸索結(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);單向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu);預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。

(2)懸索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。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)。

2.5 膜結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)

(1)膜結(jié)構(gòu)按其支承方式可分為，骨架支撐膜結(jié)構(gòu)、氣承式、復(fù)合膜、懸掛膜結(jié)構(gòu)。

(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。

3 大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 大跨度建筑結(jié)構(gòu)桁架的設(shè)計(jì)

桁架是由桿件組成的一種網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)體系。桿件相互之間鉸合在一起，當(dāng)收到外力作用之時(shí)，單棍桁架的整體性較好，且上、下弦桿件之間焊接的接頭少，因此不容易發(fā)生焊接變形。尤其是整榀桁架制作過(guò)程較快、幾何偏差小，可以有效的降低二次倒運(yùn)，既節(jié)省的時(shí)間成本又減少了制作成本。因此可以采用流水線的生產(chǎn)方式來(lái)提高鋼結(jié)構(gòu)桁架的制作效率及機(jī)械化程度。除此之外，為了盡可能的減少鋼結(jié)構(gòu)桁架的工作量，而且為了方便后期的運(yùn)輸，因此要盡可能的將桁架的數(shù)量減少。一榀桁架可以進(jìn)行分時(shí)段進(jìn)行焊接工作，且盡可能的避開節(jié)點(diǎn)。

3.2 大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式的選擇

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式的選擇時(shí)我們主要從兩個(gè)方面進(jìn)行即剛、柔混合結(jié)構(gòu)和剛性混合結(jié)構(gòu)。其中剛?cè)峄旌象w系包括混合吊掛、混合張拉、混合加勁以及半剛性懸掛四種類型。剛性混合結(jié)構(gòu)常見的是拱梁結(jié)合、拱桿結(jié)合以及梁桿結(jié)合三種形式。

3.3 大跨度建筑結(jié)構(gòu)的高度和寬度比控制

需要將大跨度建筑結(jié)構(gòu)的高度寬度比控制在一個(gè)科學(xué)、合理的范圍之內(nèi)，當(dāng)超過(guò)這一范圍時(shí)就要進(jìn)行相關(guān)研究，采取必要的措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

大跨度建筑結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)就是性價(jià)比高、承載力相對(duì)較大、適用范圍廣。但缺點(diǎn)是氣施工的環(huán)節(jié)較多，對(duì)技術(shù)工藝要求也較高，整體性很強(qiáng)，特別是在大跨度彎頂和橋梁等設(shè)計(jì)之中。

［1］王超.淺析大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2013(12):39-39.

［2］劉永建.大跨度拱支結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與施工技術(shù)研究［D］.天津大學(xué)，2012.