關于多層大跨超長混合建筑結構設計探究

趙　宇

(山西省煤炭建設監理有限公司，山西太原　030006)

關于多層大跨超長混合建筑結構設計探究

趙宇

(山西省煤炭建設監理有限公司，山西太原030006)

摘要:采用文獻資料法和描述性研究法，以多層大跨超長混合建筑為研究對象，闡述了大跨空間結構的具體分類方法，探討了多層大跨超長混合建筑結構設計過程中主要的設計方式，為多層大跨超長混合建筑結構設計提供了思路。

關鍵詞:建筑結構，結構設計，大跨空間

0　引言

建筑結構設計對建筑本身而言具有極為重要的意義和價值。分析和研究各類建筑結構設計的根本目的是應用經濟效益最高的創作手法，確保建筑結構的各項作用和功能在預定期限內能夠達到并保持最佳狀態。建筑技術的日新月異和建筑經濟的發展使得多層大跨度建筑結構在我國得到了長足發展。同時，建筑結構也呈現出越來越多的種類。故而，多層大跨超長混合建筑結構設計的探究顯得尤為重要。

1　大跨空間混合結構的分類

大跨空間混合結構在不同研究方向下有著不同的劃分方式。按照大跨空間混合結構的材料進行分類，可將其詳細地分為木質材料結構、鋼筋材料結構、鋁合金材料結構以及多種材料綜合的復合型材料結構等。而按照大跨空間混合結構的布置進行分類，又可以分為空間結構與平面結構兩種。其中，平面結構在主要構件平面上集中體現了外部的荷載作用和內部的支座反力，而空間結構則是在三維空間的基礎上實現了對外荷作用的接收和釋放。按照大跨空間混合結構的形態來分類，則可以分為面系結構、骨架結構和實體結構等。這三種結構在形態上的不同都可以根據混合結構截面的尺寸大小進行區別和分辨。

除上述三種主要分類方式以外，近幾年還興起另外兩種按照大跨空間混合結構在力上的改向差異而劃分的新型混合結構，即剛性混合結構和剛柔混合結構。剛性混合結構的構成部件主要由梁單元體系、拱單元體系和桿單元體系三者混合構成(或是三者中的任意兩者混合構成)。作為混合結構中最具代表性的剛柔混合結構則主要通過協調融合剛性結構中特有的抗彎曲能力、柔性結構中特有的抗拉伸能力等綜合性的能力，進而有效提升大跨空間整體性混合結構的性能和功效。近年來的研究文獻和相關資料中已經對新型剛柔混合結構進行了科學合理的劃分，將其分為混合加勁體系、混合張拉體系、混合型吊掛體系和半剛性懸掛體系四種大跨空間混合結構類型。

然而，不管是哪種分類，亦或哪種類型的大跨混合結構，在多層大跨超長混合建筑的結構設計中都需要綜合應用不同的受力構件。將形態不同和功效不同的構件聯合起來，使之成為一個統一和諧的整體。一般情況下，大跨空間的混合機構內部至少會存在兩個或兩個以上的結構體系，每一個結構系統都必須保證傳力和受力的平衡，并且實現子系統和子系統之間的相互協作，進而實現整體結構體系的平衡。只有這樣才能有效確保多層大跨超長混合建筑在力學傳導上的穩定性和安全性。

2　多層大跨超長混合建筑結構設計的創作方式

2.1并列式的結構設計創作手法

多層大跨超長混合建筑結構設計中的并列( Combination)指的往往是多親子結構或雙親子結構都非常完整和齊全的一種受力機制類型形態。混合建筑結構在這種受力作用下，子結構之間的力傳遞會遵循各自結構特點獨立完成荷載的接收、力的傳遞與負荷的釋放等，進而在優勢上取長補短、協調互補。多層大跨超長混合建筑并列結構設計中多親子結構或雙親子結構之間跨越的距離很近，支點位置基本上大致相同。

根據混合建筑結構提供彈性支點的不同方式進行劃分，可以將多層大跨超長混合建筑結構設計過程中的并列創作手法分為支撐式并列和吊掛式并列兩種。兩種并列的創作手段在彈性支點供力方式上的具體差異如圖1所示。

圖1　多層大跨超長混合建筑結構設計中的兩種并列創作手段

從圖1可以看出，支撐式并列指的是“子結構(一)”以下部支撐方式為“子結構(二)”提供彈性支點。多親子結構和雙親子結構及其連接構件均為剛性實體，依據子結構相互之間的審美目的和功能需求決定子結構間的關系是平行還是垂直。考慮到多層大跨超長混合建筑結構設計在形態上和力流上的雙重要求，通常情況下設計師會利用拱單元體系的結構為其他單元體系結構類型提供多個彈性支點。這種支撐式并列的創作手段因其自身良好的力學指標和跨越能力而受到了結構設計師的廣泛喜愛。

另一方面，吊掛式并列是一種將支撐式并列的創作手段直接翻轉過來的創作手段。除供力方式不同之外，其向“子結構(二)”提供多個彈性支點的“子結構(一)”也不再是剛性實體，而是極具柔軟性的實體。由于懸掛體本身是一個單點質量塊，且具有一定的尺度結構。所以，大多數時候可以直接將整個混合吊掛體系看作由吊掛式并列方式構成的一種結構整體。

和支撐式并列的創作方式相比，吊掛式并列的承載體系形式更加靈活多變，比如鋼拱承載體系、鋼柱承載體系、桁架承載體系和混凝土塔柱的承載體系等;吊掛式并列的形式也有懸掛和斜拉這兩種類別;斜拉型的吊掛式并列還下設有五種不同的斜拉形式。吊掛式并列方式中多種多樣的創作形式使得多層大跨超長混合建筑結構設計過程中的造型手段豐富多樣。

2.2連接式的結構設計創作手法

連接式結構是多親子結構或雙親子結構在形態結構和受力機制保持不變的情況下，根據結構中各個段落的受力特點，以及不同力學要求，而選取不同連接方式。

例如，利用截面或向量作用下結構體系的懸臂式特點，或者膜形態作用下結構體系的輕質特點進行連接，并從中產生和創作出不同于傳統混合結構的全新形態。在眾多的連接方式中，多層大跨超長混合建筑結構設計主要有兩種連接手段，分別是單側懸臂式連接和雙側支點式連接。兩種連接的差異如圖2所示。

圖2　多層大跨超長混合建筑結構設計中的兩種連接創作手段

從圖2可以看出，單側懸臂式連接為多層大跨超長混合建筑的結構設計提供了一種全新思路。首先根據各個段落的不用力學要求，對結構中起作用的長度進行比對，從而選用不同類型的單側懸臂式連接體系，以此強化結構體系控制力的可行性與合理性，發揮出單側懸臂式連接在多層大跨超長混合建筑結構設計中的最大潛力。單側懸臂式連接對力流的控制精準度較高，不僅連接形式較為豐富，且對不同結構形式的嫁接關系處理也很容易形成建筑物的視覺焦點。

雙側支點式連接和單側懸臂式連接最大的不同是在多層大跨超長混合建筑結構設計有所不同。這一創作手段的發展具有相對比較長的歷史，最早可以追溯到介于連續梁模式和懸臂梁模式之間的格貝梁模式。在多層大跨超長混合建筑結構的形態和功能愈發繁瑣和復雜的情況下，雙側支點式連接已經成為混合建筑結構設計體系中一種相當常見的創作手段。最典型的一種雙側支點式連接方式是為了滿足多層大跨超長混合建筑在造型和功能上的需求，而在整體結構中的某一段落選擇和提取出可以承載這些需求的其他類型子結構。例如，日本下關市唐戶市場和大阪著名的游泳館都是采用這種創作手段來進行混合建筑結構設計。

2.3疊合式的結構設計創作手法

多層大跨超長混合建筑結構設計中的疊合( Superposition)指的是多親子或雙親子不同的結構類型，以平行或交叉方式放置在整個起作用的區域，利用共同執行力的改向作用而形成的一種設計方法。這種多層大跨超長混合建筑結構設計創作手段可以在最大程度上發揮出不同結構類型的力學優勢。即便在混合建筑中的多親子結構或雙親子結構保留著原有的類型形態和受力機制，混合建筑結構內部力量的分布也會參照各個子結構在受力特點上的差異進行科學合理的配比，通過使不同的子結構承擔起不同的傳力機制以達到優化體系的目的。根據疊合式創作手段在多層大跨超長混合建筑結構設計中布置方式和坐標方向上的不同，可以將其分為平行式疊合和交叉式疊合這兩種創造方式。兩種疊合式創作手段的具體受力如圖3所示。

圖3　多層大跨超長混合建筑結構設計中的兩種疊合創作手段

從圖3可以看出，平行式疊合指的是混合建筑的多親子結構或雙親子結構在坐標方式上保持一致，并且利用不同結構類型的受力特點承擔不同屬性結構應力的一種設計方式。比如，將具有相反撓曲性質的“子結構(一)”和“子結構(二)”進行重疊混合，“子結構(一)”因疊合而發生的變形會被“子結構(二)”的變形所阻止或壓制，以此對混合建筑的結構應力實施主動性的控制和管理。

交叉式疊合則是指混合建筑的多親子結構或雙親子結構不在同一個坐標方式上，而是以交叉式疊合造型所獨有的受力特點承擔不同屬性結構應力的一種設計方式。這種設計方式的主要優勢就在于通過更為復雜的交叉形態將多層大跨超長混合建筑的結構變成一個更加有機整合的受力整體。

3　結語

多層大跨超長混合建筑結構設計的流程主要包括了建筑概念、系統優化、智能評估和建造，無論哪一設計流程中都要綜合參考并列、連接和疊合等多種創作手法的適用性和實用性進行多層大跨超長混合建筑的結構設計。另一方面，多層大跨超長混合建筑結構設計更能彰顯建筑物的時代特征，突出顯著優勢。因此，多層大跨超長混合建筑結構設計是現代建筑設計和審美提高的重要方法之一。

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Exploration on multilayer large-span super-long mixed building structure design

Zhao Yu
( Shanxi Coal Construction Supervision Limited Company，Taiyuan 030006，China)

Abstract:Using the literature material method and description research method，taking the multilayer large-span super-long mixed building as the research object，this paper elaborated the specific classification methods of large-span spatial structures，discussed the main design ways in multilayer large-span super-long building structure design process，provided thought for multilayer large-span super-long mixed building structure design.

Key words:building structure，structure design，large-span space

作者簡介:趙宇(1985-)，男，工程師

收稿日期:2015-11-24

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0036-02

中圖分類號:TU318

文獻標識碼:A