大跨類公共建筑常用結(jié)構(gòu)選型解析

馮 霖

(四川省明杰設(shè)計顧問有限公司， 四川成都 610023)

顧名思義，大跨建筑的核心是大跨度結(jié)構(gòu)，所以對于大跨建筑設(shè)計來說，與建筑匹配的結(jié)構(gòu)選型尤為重要。大跨度結(jié)構(gòu)不僅僅出現(xiàn)于工業(yè)廠房和庫房設(shè)計中，也普遍應(yīng)用于各種公共建筑，如：機場車站、體育場館、影劇院等，而公共建筑的造型往往比較復雜，建筑形態(tài)設(shè)計如果忽略了結(jié)構(gòu)合理性，結(jié)構(gòu)選型時會增加很多困難，因此建筑師應(yīng)該對大跨度結(jié)構(gòu)的體系做一定了解。大跨度結(jié)構(gòu)的組成包括層蓋結(jié)構(gòu)和主要承重結(jié)構(gòu)，其中尤其能夠表現(xiàn)建筑選型的是屋蓋結(jié)構(gòu)。

1 現(xiàn)代屋蓋結(jié)構(gòu)體系

現(xiàn)代屋蓋結(jié)構(gòu)有以下兩大類型結(jié)構(gòu)體系：

(1)平面結(jié)構(gòu)體系。就是把結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身作為獨立的單元來考慮，假設(shè)整體作用等于單個構(gòu)件作用之和，簡化了結(jié)構(gòu)計算工作。屬于平面結(jié)構(gòu)體系的屋蓋結(jié)構(gòu)有門式剛架結(jié)構(gòu)、薄腹梁結(jié)構(gòu)、平面桁架結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)等。

(2)空間結(jié)構(gòu)體系。就是把所有組成的構(gòu)件協(xié)同起來，跨越空間工作，不僅比平面工作更符合于力的自然傳遞路線，整體作用會大于單個構(gòu)件作用之和，而且多向受力比單向受力更能發(fā)揮材料的潛力。屬于空間結(jié)構(gòu)體系的屋蓋結(jié)構(gòu)有殼體結(jié)構(gòu)、空間桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)等。

這些屋蓋結(jié)構(gòu)形式中，大跨類公共建筑的常用結(jié)構(gòu)一般都屬于空間結(jié)構(gòu)體系，其中空間桁架和網(wǎng)架最為常見，其次是變化多端的膜結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)與膜材進行了結(jié)合，成為張拉膜結(jié)構(gòu)的一種，但也有部分采用輕質(zhì)板材的懸索結(jié)構(gòu)。

2 大跨類公共建筑常用結(jié)構(gòu)選型

2.1 空間桁架

空間桁架是桁架的一種類型，而桁架是從梁式結(jié)構(gòu)發(fā)展出來，用于建筑屋蓋上的承重結(jié)構(gòu)。其本質(zhì)是從受彎構(gòu)件變?yōu)橛蓷U件組成的格構(gòu)體系，從梁的受彎變?yōu)闂U件的軸向受力，受力情況更為有利，材料強度得以充分利用，可以達到節(jié)省材料和減輕自重的效果。桁架具有以下優(yōu)點：

(1)擴大了梁式結(jié)構(gòu)的適用跨度。

(2)桁架可用鋼筋混凝土、鋼、木等多種材料制造。

(3)由桿件組成的桁架形態(tài)多樣。

(4)施工方便，桁架既可以整體制作后吊裝，也可以在施工現(xiàn)場進行桿件拼裝的空中作業(yè)。

早期的桁架因為桿件都在同一個平面內(nèi)，也被稱為平面桁架。隨著技術(shù)的進一步成熟，平面桁架逐漸向空間桁架發(fā)展，最終發(fā)展成為網(wǎng)架?？臻g桁架的優(yōu)點與平面桁架有類似之處，但桿件處于不同平面，剛度和穩(wěn)定性更好，在跨度和靈活性、多樣性上優(yōu)勢更突出，所以在公共建筑中應(yīng)用頗為廣泛，尤其適用于某些屋蓋形態(tài)變化較大的大跨建筑。

2.2 網(wǎng)架

和空間桁架一樣，網(wǎng)架同樣是由平面桁架發(fā)展而來的一種屋蓋結(jié)構(gòu)，平面桁架是單向受力的平面結(jié)構(gòu)，如果幾個平面桁架互相交叉結(jié)合起來就形成網(wǎng)架。由此可知，網(wǎng)架就是由復雜的桿件系統(tǒng)組成的超靜定次數(shù)極高的空間結(jié)構(gòu)，它具有各向受力性能，其支承跨度比桁架進一步增大，而材料消耗卻比桁架減少，是大中型跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的一種理想的結(jié)構(gòu)型式。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

(1)網(wǎng)架是多向受力的空間結(jié)構(gòu)，比單向受力的桁架適用跨度更大。

(2)由于網(wǎng)架的整體空間作用，桿件互相支持，剛度大穩(wěn)定性好，網(wǎng)架具有各向受力性能，應(yīng)力分布均勻，更為節(jié)省鋼材。

(3)網(wǎng)架是高次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全度特別大，倘若某一構(gòu)件受壓屈曲，也不會導致破壞。

(4)網(wǎng)架屋蓋的網(wǎng)格形式，在屋面鋪設(shè)覆蓋材料和天花裝飾、燈具布置時更為方便，也適用于多種建筑平面形狀，包括圓形、方形、多邊形等，因此應(yīng)用非常廣泛。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)按外形的不同，可分為曲面網(wǎng)架和平面網(wǎng)架兩類。

曲面網(wǎng)架的外形具有單曲或雙曲等各種曲面形狀，利用一定的起拱度來實現(xiàn)外力的空間傳遞。曲面網(wǎng)架可以是單層曲面網(wǎng)格，也可以是雙層曲面網(wǎng)格，其結(jié)構(gòu)機理與殼體差不多，相當于殼體挖空，所以它也被稱做“網(wǎng)殼”。網(wǎng)殼也具有殼體結(jié)構(gòu)的一些短板，比如施工精度要求較高，空間有一些浪費，在建筑平面為矩形時，要考慮承受側(cè)向推力等。不過隨著國家經(jīng)濟文化的發(fā)展，對公共建筑標識性的要求更高，需要在其造型風格上有更多變化，而曲線型建筑有別于一般城市中大量方盒子的風格也比較突出，所以目前在大跨類公共建筑中，有著曲面的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑是很常見的。

平面網(wǎng)架是從外形定名，它不是平面結(jié)構(gòu)而是空間結(jié)構(gòu)，為避免名稱上容易誤解，我們一般稱之為“平板網(wǎng)架”。平板網(wǎng)架是由平行弦桁架交叉組成，是雙層平面網(wǎng)格。它是無推力的空間結(jié)構(gòu)，不存在材料去對付推力的問題，是一種合理經(jīng)濟的網(wǎng)架形式，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。按網(wǎng)格的組成形式，平板網(wǎng)架可以劃分為三大類。

(1)是由平面桁架系組成的網(wǎng)架，包括兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、兩向斜交斜放網(wǎng)架、三向網(wǎng)架等。

(2)是由四角錐體組成的網(wǎng)架，包括正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架、星形四角錐網(wǎng)架等。

(3)是由三角錐體組成的網(wǎng)架，包括普通三角錐網(wǎng)架、蜂窩形三角錐網(wǎng)架等。

網(wǎng)架與空間桁架相比，對屋蓋形態(tài)的要求更高，需要相對規(guī)整平滑，同時因為是多向受力，需要的支撐面也更多，靈活性要差些，但在它適用的范圍內(nèi)較桁架更為經(jīng)濟。

網(wǎng)架選型涉及的因素很多，如具體工程的平面形狀和尺寸大小、網(wǎng)架的支承方式、荷載的種類及量級、屋面構(gòu)造和材料、建筑造型、功能要求以及網(wǎng)架的制作安裝方法等。上述因素都應(yīng)在選型工作中進行認真的綜合比較，以便能選擇出符合實際情況，而且技術(shù)經(jīng)濟效果更好的網(wǎng)架形式。只有空間作用好，構(gòu)造簡單，贅余桿件少的網(wǎng)架才能取得最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟效果。

2.3 膜結(jié)構(gòu)

相比空間桁架和網(wǎng)架，膜結(jié)構(gòu)算是比較新的一種大跨結(jié)構(gòu)形式，雖然也是空間結(jié)構(gòu)體系的一種，但它與其他空間結(jié)構(gòu)形式頗為不同。除了骨架支承式膜結(jié)構(gòu)，在張拉膜結(jié)構(gòu)和充氣式膜結(jié)構(gòu)中，作為建筑面層的膜材也是結(jié)構(gòu)支承的部分，設(shè)計時一方面要考慮它的圍護作用，另一方面要考慮它的力學性能與受力情況，選材工作相對復雜。設(shè)計師需要對膜材的分類和特性、產(chǎn)品的各種屬性指標以及膜結(jié)構(gòu)不同支承方式的優(yōu)缺點都有一定了解，在此基礎(chǔ)上才能把握好建筑設(shè)計的要點，與結(jié)構(gòu)形式相匹配。膜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于博覽、體育、景觀等建筑類型中，對豐富公共建筑形態(tài)起了很大作用。

3 案例分析

作者結(jié)合曾參加和接觸過的一些大跨類公共建筑項目，對其中結(jié)構(gòu)選型如何與建筑設(shè)計配合的情況做一個介紹，通過這些實際工程的案例分析，進一步加深了解。

(1)案例1。重慶袁家崗體育中心游泳、跳水館(圖1)位于重慶市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)奧林匹克體育中心內(nèi)。建筑設(shè)計采用兩館分設(shè)，空間造型整合為一體的方式。館內(nèi)設(shè)有一個25 m×50 m(2.4～3.2 m深)國際標準游泳池、一個16 m×25 m短池(兼訓練池)、一個25 m×25 m×5.5 m跳水池。能承接國際國內(nèi)的游泳、跳水、水球和花樣游泳等比賽。游泳館、跳水館分別可容納觀眾1 925人和605人。

圖1 重慶袁家崗體育中心游泳、跳水館

游泳跳水館屋蓋造型新穎，兩館組合平面形狀為梭形，在其中部斷開使兩館屋蓋部分完全獨立，各館屋蓋均為一端大懸挑而另一端為開口邊的半梭形平面形狀。屋脊和屋檐均為圓弧線，屋蓋為沿屋脊和屋檐移動的變直徑圓弧形成的空間曲面。完整的梭形長軸為208 m，短軸82 m。兩館網(wǎng)殼投影面積分別為7 918 m2和4 864 m2，短向跨度為 66 m，兩端懸挑長度分別為32.75 m和28.80 m。屋蓋結(jié)構(gòu)采用四角錐焊接空心球節(jié)點鋼管網(wǎng)殼，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用大直徑嵌巖樁。

(2)案例2。重慶袁家崗體育中心體育場(圖2)是重慶市為舉辦2004年亞洲杯足球賽而興建的大型體育設(shè)施，能容納觀眾6萬人，總建筑面積63 000 m2。根據(jù)建筑造型設(shè)計，作為主看臺的東西看臺上空各設(shè)置了一個平面投影為梭形的罩棚，該罩棚南北兩落地點直線距離312 m，東西方向最大寬度78 m，最大懸挑長度68 m，最高點距地約60.3 m，單塊罩棚覆蓋面積為17 900 m2。罩棚結(jié)構(gòu)表面是一個光滑完整的曲面，與先期修建的游泳跳水館屋蓋外形相協(xié)調(diào)，顯得輕盈飄逸。

圖2 重慶袁家崗體育中心體育場

本工程看臺框架基礎(chǔ)采用大直徑人工挖孔樁，罩棚采用了超大跨度非閉合狀球面空間雙層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼落地支座采用重力式抗推基礎(chǔ)。網(wǎng)格形式為雙向平行弦等厚度空間鋼管網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(僅在兩端落地支座附近局部區(qū)域采用三角錐網(wǎng)格，以滿足建筑造型需要)，并在網(wǎng)殼前端設(shè)置了一榀加勁桁架以增加開口邊結(jié)構(gòu)剛度。為進一步保證網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定，增加結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)變形，調(diào)整網(wǎng)殼內(nèi)力分布使荷載就近傳向支座，在網(wǎng)殼上下弦平面內(nèi)結(jié)合燈橋、馬道布置，沿環(huán)向和徑向均增設(shè)了若干條斜向支撐加強帶。沿網(wǎng)殼上弦平面周邊設(shè)置斜腹桿，形成前后兩條交匯的拱形邊緣構(gòu)件，進一步提高了網(wǎng)殼的整體性。該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計達到了世界先進水平，結(jié)構(gòu)和建筑的完美配合使項目獲得了國家金獎。

(3)案例3。青島國信體育中心分為體育場、體育館、綜合訓練館、游泳跳水館、網(wǎng)球中心、媒體中心、全民健身廣場及立體車庫、備用館等八個區(qū)域，其中青島國信體育館(圖3)位于體育中心的西北側(cè)，分為普通館和冰雪館兩部分，國信體育館曾舉辦過第十一屆全國運動會花樣滑冰比賽以及蘇迪曼杯羽毛球公開賽等比賽。

圖3 青島國信體育館

體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋是由60塊三角形平板網(wǎng)架(網(wǎng)格空間構(gòu)成形式采用三角錐)組成空間折板球形網(wǎng)殼，外形像一顆鉆石巧妙地鑲嵌于整個橢球狀鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)之中。屋蓋投影面積14 122 m2，展開面積18 284 m2，跨度 110 m，周邊最大懸挑長度11 m，沿圓周共設(shè)36個支座，支承于下部鋼筋混凝土人字形格構(gòu)柱上，并由柱帽形式支撐整個網(wǎng)殼。從空中俯看體育館外形像一顆鉆石一樣閃閃發(fā)亮，所以得名“鉆石體育館”。

(4)案例4。成都東客站(圖4)是成都市的大型綜合性鐵路客運樞紐，其站房總建筑面積約11萬m2，近期旅客發(fā)送量20.7萬人/d，辦理客車374對，遠期旅客發(fā)送量37.6萬人/d，辦理客車560對。站房建筑總高度40.9 m，采用了立體式的建筑設(shè)計理念，候車、乘車和地鐵換乘分別位于不同的建筑層內(nèi)，從下到上依次設(shè)計為地鐵層、站臺層、高架候車層及屋蓋層。

圖4 成都東客站

地鐵層和站臺層采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，高架候車層和屋蓋層采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。高架候車層和屋蓋層結(jié)合建筑功能和空間需要，分別采用了與之相適應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)體系。高架候車層的主要柱網(wǎng)尺寸為21 m×21.5 m，最大柱網(wǎng)尺寸達到24 m×25.3 m，采用鋼結(jié)構(gòu)框架，為滿足車站站房建筑復雜的設(shè)備管線需要，框架梁采用平面桁架形式，桁架高度為3 m。屋蓋南北方向最大跨度達150 m，并在兩邊分別懸挑27 m，結(jié)構(gòu)總寬度204 m。根據(jù)建筑室內(nèi)的空間造型需要和結(jié)構(gòu)自身的受力特點，采用了空間管桁架形式，沿南北向分別布置了兩種不同高度和形式的桁架，并在東西方向的必要位置布置了聯(lián)系桁架。不僅充分的滿足了建筑室內(nèi)的空間及造型要求，同時也有效地利用了大跨度空間結(jié)構(gòu)的特性，充分發(fā)揮了各部分結(jié)構(gòu)的性能。站房東西主入口外側(cè)各布置了兩個臉譜柱，既作為屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架的支座，同時也是建筑設(shè)計的地域文化元素。

(5)案例5。成都雙流國際機場(圖5)是中國西南地區(qū)重要的航空樞紐港和客貨運集散基地。機場T2航站樓工程采用指廊集中式布局，由一個主樓中央處理大廳通過連廊統(tǒng)領(lǐng)四個指廊。

圖5 成都雙流機場

T2航站樓下部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面形式采用單元重復式，由一對傾斜主拱和三向柱面網(wǎng)殼組成的“竹葉”構(gòu)成屋面結(jié)構(gòu)基本單元。大廳拱跨125.2 m，匯交于最低點的斜拱間距32 m，在最高點“竹葉”間距為4 m，在拱中部建筑幕墻外側(cè)布置有梭形斜柱一道。指廊和連廊拱跨38 m，匯交于最低點的斜拱間距16 m，在最高點“竹葉”間距為4 m，在指廊端部拱跨漸變至58 m。結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑功能設(shè)縫，將大廳、連廊、指廊分為七個相對部分，完全相同的標準單元分別組成大廳、指廊和連廊屋面，主拱通過網(wǎng)殼共同形成屋面剛度。沿 “竹葉”邊設(shè)置的主拱傾斜，使屋面結(jié)構(gòu)縱橫向動力特性相近。與主拱相連的網(wǎng)殼拉桿為主拱平面外穩(wěn)定提供支撐。單跨拱形結(jié)構(gòu)使出發(fā)區(qū)形成無柱空間，為航站樓布局提供足夠的靈活性，易于適應(yīng)航空公司運營變化的需求，同時也為人行道和汽車道提供拱形遮篷。單層網(wǎng)殼有效地減小屋面結(jié)構(gòu)的高度，并與T1建筑結(jié)構(gòu)形式協(xié)調(diào)，形成一個新的整體。重復的標準單元可使制作安裝簡易，經(jīng)濟效益提離，并利于今后擴建。

(6)案例6。西南交通大學新校區(qū)體育場(圖6)位于學校的郫縣新校區(qū)內(nèi)，建筑面積17 990 m2，地面看臺下3層，建筑總高度30.75 m，可容納觀眾15 000人。

圖6 西南交通大學新校區(qū)體育場

主看臺框架采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為獨立柱基礎(chǔ)及人工挖樁。罩棚采用了大懸挑鋼桁架張拉膜結(jié)構(gòu)，外觀呈連續(xù)波浪形起伏，每榀鋼桁架的上弦為一個波峰，每相鄰兩榀桁架間的谷索為一個波谷，波浪形膜面以體育場中軸為對稱軸呈扇形排開，膜面兩端各有一片三角形膜，通過鋼索與地面上的鋼柱連接，將側(cè)向力傳到地面，以保證整個結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定和受力平衡?？磁_中間的主席臺處，罩棚懸挑最大尺寸為38 m左右，兩側(cè)最小懸挑尺寸為11 m左右，膜面采用PVC(聚氟乙烯)涂層聚酯纖維膜材，作為桁架間橫向連接，每兩榀桁架間有一根谷索拉壓，鋼桁架為正三角形斷面，以看臺最后部伸出的外圈框架柱頂作為桁架的主要受力支座?？蚣苤斚蛏显O(shè)有鋼立柱來支撐膜面以上的拉壓鋼索，桁架的尾端伸出看臺后部，通過鋼拉桿與地面基座相連，框架柱在看臺層的底部加設(shè)了鋼拉索與桁架連接，通過這一系列加強構(gòu)件的上下拉壓作用，使桁架形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能有效抵抗罩棚風荷載作用下可能產(chǎn)生的傾覆。由于中段桁架前端懸挑較大，而在罩棚的兩側(cè)又回收減少了懸挑，形狀有所改變，導致靠近兩側(cè)的看臺外圈柱頂?shù)呐ぞ刂递^大，為了保證這部分桁架的穩(wěn)定，該部分的柱做了加強，同時還在看臺頂增設(shè)了一道連梁連接外圈框架柱，通過連梁上的鋼桿將罩棚尾部連接一體，一方面減小了桁架在水平荷載作用下柱頂?shù)呐ぞ?，另一方面這道連梁也是桁架間張拉谷索的尾端固定支座。