淺論大跨度結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用

林炳良

【摘要】隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，大跨度結(jié)構(gòu)由于具有重量輕、材料強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)韌性和塑性好，施工周期短、制造簡便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種大型標(biāo)志性建筑中。本文主要針對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析和討論。

【關(guān)鍵詞】大跨度結(jié)構(gòu)；建筑工程；應(yīng)用；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

1、大跨度結(jié)構(gòu)

所謂大跨度結(jié)構(gòu)，是指橫向跨越60米以上空間的各類結(jié)構(gòu)形式的建筑的總稱。在古羅馬時(shí)代就已有大跨度結(jié)構(gòu)建筑的雛形。在進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著新型高強(qiáng)度輕質(zhì)量的建筑材料（如合金鋼、特種玻璃、特種合金等）和高分子合成材料的發(fā)展，極大地減輕大跨度結(jié)構(gòu)自重的同時(shí)又顯著增強(qiáng)了其強(qiáng)度和韌性，其應(yīng)用變得日益廣泛。目前為止，大跨度結(jié)構(gòu)多用于民用建筑中的影劇院、體育館、展覽館、大會(huì)堂、航空港候機(jī)大廳及其他大型公共建筑以及工業(yè)建筑中的大跨度廠房、飛機(jī)裝配車間和大型倉庫等，其在應(yīng)用中所帶來的實(shí)際價(jià)值也受到人們的交口稱贊。

2、大跨度結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用

2.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)用

一般的，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是指由多根桿件按照某種規(guī)律的幾何圖形通過節(jié)點(diǎn)連接起來的空間結(jié)構(gòu)，其中雙層或多層平板形的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)就稱為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架，這種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)通常是采用鋼管或者型鋼材料制作而成的。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)就是重量輕、剛度大和抗震性能好，同時(shí)此結(jié)構(gòu)在施工安裝時(shí)操作簡便，再加上由于網(wǎng)架桿件和節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)定型化、商品化以及可以在工廠中進(jìn)行批量生產(chǎn)，因此有利于提高生產(chǎn)效率；事實(shí)上，網(wǎng)架靈活的平面布置更加利于吊頂以及一些管道、設(shè)備的安裝。隨著人們對(duì)審美要求的不斷提高，網(wǎng)架造型輕巧、美觀、大方和便于建筑處理、裝飾的特點(diǎn)在很大程度上滿足了人們的要求。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要形式包括平面桁架系組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、四角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、三角錐組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和六角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具體使用哪種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)要根據(jù)實(shí)際情況分析后進(jìn)行選擇，因?yàn)椴煌慕Y(jié)構(gòu)使用范圍不同，為使其充分發(fā)揮作用，所以建筑設(shè)計(jì)過程中，大跨度結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)認(rèn)真考慮。

與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)比較簡單。通常將曲面形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，由于網(wǎng)殼層數(shù)的區(qū)別，又有單層網(wǎng)殼和雙層網(wǎng)殼之分。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)較為突出，這種結(jié)構(gòu)具有桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特性，其桿件比較單一，受力也較為合理，而且剛度大，跨越能力強(qiáng)，既可以通過小型構(gòu)件進(jìn)行組裝，又不需要大型機(jī)械設(shè)備，因此安裝方便，經(jīng)濟(jì)合理，不論是建筑平面還是空間曲面，都可根據(jù)創(chuàng)作的要求來選取。而網(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。它的結(jié)構(gòu)形式可以分為球面網(wǎng)殼、雙曲面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼等。隨著建筑設(shè)計(jì)的要求不同，對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形式選擇也是設(shè)計(jì)者必須要慎重研究決定的。

2.2懸索結(jié)構(gòu)應(yīng)用

由于鋼的強(qiáng)度很高，很小的截面就能夠承受很大的拉力，因而在本世紀(jì)初就開始用鋼索來懸吊屋頂結(jié)構(gòu)。懸索在均勻荷載作用下必然下垂而呈懸鏈曲線的形式，索的兩端不僅會(huì)產(chǎn)生垂直向下的壓力，而且還會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)的水平拉力。單向懸索結(jié)構(gòu)為了支承懸索并保持平衡，必須在索的兩端設(shè)置立柱和斜向拉索，以分別承受懸索所給予的垂直壓力和水平拉力。單向懸索的穩(wěn)定性很差，特別是在風(fēng)力的作用下，容易產(chǎn)生振動(dòng)和失穩(wěn)。

為了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力，還可以采用雙層懸索或雙向懸索。雙層懸索結(jié)構(gòu)平面呈圓形，索分上下兩層，下層索承受屋頂全部荷載，為承重索；上層索起穩(wěn)定作用，為穩(wěn)定索，上下兩層索均張拉于內(nèi)外兩個(gè)圓環(huán)上而形成整體。這種形式的懸索結(jié)構(gòu)承重索與穩(wěn)定索具有相反的彎曲方向，這兩種索交織成索網(wǎng)，經(jīng)過預(yù)張拉后形成整體，具有良好的穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力。

懸索結(jié)構(gòu)除跨度大、自重輕、用料省外還具有平面形式多樣（除可覆蓋一般矩形平面外還可以覆蓋圓形、橢圓、正方形、菱形乃至其他不規(guī)則平面的空間），使用的靈活性大、范圍廣；由多變的曲面所形成的內(nèi)部空間既寬大宏偉又富有運(yùn)動(dòng)感；主剖面呈下凹的曲面形式，曲率平緩，如處理得當(dāng)既能順應(yīng)功能要求又可以大大節(jié)省空間和空調(diào)費(fèi)用；形式變化多樣，可以為建筑形體和立面處理提供新的可能性。在荷載作用下，懸索結(jié)構(gòu)體系能承受巨大的拉力，因此要求設(shè)置能承受較大壓力的構(gòu)件與之相平衡。

2.3拱卷結(jié)構(gòu)應(yīng)用

拱卷結(jié)構(gòu)是當(dāng)前建筑發(fā)展中最為常見的結(jié)構(gòu)形式，其被廣泛的應(yīng)用在西方建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，在古希臘最為常見，其建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和發(fā)展的前提基礎(chǔ)，更是當(dāng)前建筑發(fā)展中的主要施工措施和施工完善體系。人類大約在兩千多年前，就有擴(kuò)大室內(nèi)空間的要求。在古代建筑施工的過程中，由于建筑技術(shù)手段和施工工藝的欠缺，使得在建筑施工的過程中對(duì)空間利用不夠完善。古代建筑室內(nèi)空間的擴(kuò)大是和拱結(jié)構(gòu)的演變發(fā)展緊密聯(lián)系著的，是通過拱門形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)的連接和變化。人類為了謀求更大室內(nèi)空間在建筑施工的過程中采用各種技術(shù)分析手段和控制措施對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和管理。拱卷結(jié)構(gòu)技術(shù)是羅馬建筑最大的特色及成就，它對(duì)歐洲建筑做出了巨大的貢獻(xiàn)。羅馬建筑典型的布局方法、空間組合、藝術(shù)形式和風(fēng)格以及某些建筑的功能和規(guī)模等等都是同拱卷結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。

拱形結(jié)構(gòu)在承受荷重后除產(chǎn)生重力外還要產(chǎn)生橫向的推力，為保持穩(wěn)定，這種結(jié)構(gòu)必須要有堅(jiān)實(shí)、寬厚的支座。例如以筒形拱來形成空間，反映在平面上必須有兩條互相平行的厚實(shí)的側(cè)墻，拱的跨度越大，支承它的墻則越厚。很明顯，這必然會(huì)影響空間組合的靈活性。為了克服這種局限，在長期的實(shí)踐中人們又在單向筒形拱的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造出一種雙向交叉的筒形拱。

結(jié)語：

隨著當(dāng)前社會(huì)技術(shù)的不斷發(fā)展，在建筑施工的過程中各種結(jié)構(gòu)形式不斷的變化，大跨度建筑結(jié)構(gòu)體系逐步成為當(dāng)前建筑施工中的主要應(yīng)用形式。大跨度結(jié)構(gòu)不僅能提供十分優(yōu)秀的承載力，而且自重輕，能夠節(jié)約大量的建筑材料，為建筑工程節(jié)約成本。大跨度結(jié)構(gòu)的可控性很強(qiáng)，讓設(shè)計(jì)師有很大的發(fā)揮余地，未來大跨度結(jié)構(gòu)會(huì)具有極強(qiáng)的市場競爭力。

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