大跨度建筑設計中結構形態的表現

馬楨 張釩

摘? ? 要：大跨度建筑設計除了注重建筑美觀度之外，還要選擇合適的結構形式和設計方法，并結合力學規律來保證建筑整體結構的穩定性，從而創造出美觀、實用與安全的優秀建筑作品。基于此，本文列舉了大跨度建筑結構的典型型式，深入探討了大跨度建筑設計中結構形態的相關表現，以期對相關方面的研究予以豐富和補充。

關鍵詞：大跨度建筑;建筑設計;結構形態

1? 引言

隨著科學技術的快速發展，大跨度建筑在數量和規模上都獲得了顯著提升，特別是影劇院、體院館、博物館等對大跨度設計的應用越來越廣泛。大跨度建筑彰顯了一個國家的建筑技術水平，是當前建筑類型發展的重要趨勢。與其他類型的建筑相比，大跨度建筑對于設計技術的要求更高，對結構技術的依賴性也更強。因此，對大跨度建筑的設計必須從技術角度出發，并結合設計師的個人想法和創意，才能夠真正打造出優質的建筑工程作品。

2? 大跨度建筑結構的典型型式

2.1? 殼體結構

殼體結構在大跨度建筑中的應用非常廣泛，它是由兩個曲面所限定的薄壁曲面結構，通常是使用混凝土等剛性材料通過各種曲面結構形式共同構成。殼體結構的承載性能優越，只需較小的結構厚度就能夠承擔非常可觀的荷載，并且具備較高的美觀性和藝術性。殼體結構通常呈空間受力的狀態，其結構本身主要承受的是曲面內的軸向力，而結構中的彎矩以及扭矩相對較小，這使得建筑材料強度在建筑結構當中能夠得到全面的發揮和利用。殼體結構的形式較為多樣，常見的有筒殼、蛋殼、雙曲扁殼以及雙曲拋物面等，擁有自重輕、跨度大、用料少以及外觀多樣等優點，成為大跨度建筑最為經典的結構形式之一。

2.2? 網架結構

網架結構是利用多條桿件按照一定規律組成的網狀型結構，于上世紀60年代興起，多用于對舞臺等工程項目的搭建。按照外形劃分，可以將網架結構分為平板網架和曲面網架兩種，按照構造方式可以分為交叉桁架體系和角錐體系。網架結構具有整體性強、穩定性好、空間強度大等優點，深受建筑企業的青睞。同時，由于網架結構由多條桿件組合而成，桿件的規格尺寸基本一致，所應用的部件可以直接由工廠生產之后運輸到施工現場進行安裝操作，因此這種結構的應用非常廣泛，并且容易創造出個性化、豐富多彩的建筑工程作品。

2.3? 薄網結構

薄網結構是近年來迅速發展起來的建筑結構體系，是一種新型、具有較高應用潛力的大跨度建筑結構。薄網結構在搭建時主要應用的是性能優良的柔軟織物，這種織物的優點是透氣性好，兼具一定的采光性等。薄網結構由空氣壓力支撐膜面，同時可以利用柔軟的拉鎖結構或者剛性的支撐結構將整個薄膜撐起，形成一個剛度較強、覆蓋面較大的大跨度空間結構體系。薄網結構可以防風擋雨，保證內部空間的舒適度。

3? 大跨度建筑設計中結構形態的表現

3.1? 基于結構力學來表現

在大跨度建筑設計中，加強對結構力學的研究與分析，借助力學概念開展結構的構思與設計，能夠創作出更為簡單、穩定和富有想象力的建筑結構作品，更好地表現建筑結構形態，提升建筑結構的整體活力。在大跨度建筑設計和建設中，首先需要考慮的便是結構的受力情況，真實、準確地表達結構受力情況是評價結構形態綜合設計水平的重要指標，也是影響建筑整體安全性和穩定性的關鍵。

在大跨度建筑設計中，合理協調和運用結構中的力學原理非常重要。大跨度建筑的受力情況較為復雜，設計者要深入分析結構受力情況并選取合理的受力結構來構成穩定的結構體系，同時還要結合結構的內在受力規律來保證建筑的美觀性。比如，意大利佛羅倫薩體育場就是充分利用結構力學建設而成的，其使用了較少的結構材料，通過簡潔合理的受力結構，利用帶懸臂的V型支座構件支撐看臺，有效地將結構中的荷載傳導到基礎上去，這種三角形結構不但保證了結構整體的穩定，也減少了建筑結構的傾覆力。

3.2? 模仿自然界結構表現

為了更好地適應外部生態環境，自然界中的生物不斷改變自己的形體結構來保持足夠的平衡和防御能力，在其長期的進化過程中逐漸形成了最為科學、合理、穩定的結構形態，設計師和工程師借助仿生學理論來汲取其中的結構奧秘，解決了大量建筑結構型式難題。比如，烏龜殼作為烏龜的重要防御武器，實際厚度只有2mm左右，但是卻可以承受約50kg的外部壓力，通過對烏龜殼結構的分析和研究，極大地提升了建筑的穩定性和承重能力，從而使許多建筑難題迎刃而解。北京奧運會主體育場館——鳥巢，也是模仿自然界結構形態的重要代表，它所采用的鳥巢結構既保證了建筑本身的美觀性，也在很大程度上確保了建筑本身的穩定性，彰顯了獨特的建筑仿生魅力。目前，越來越多的設計師將注意力轉向了微觀世界，雪花、花粉甚至分子、原子結構，都開始在建筑結構中得到運用，成為了大跨度建筑結構模仿的重要對象。

3.3? 利用幾何形、拓撲形

幾何形狀是人類以自然為原型并通過抽象概括而形成的人工形態，在建筑結構中的應用較為普遍，特別是在西方的許多建筑結構當中應用較為廣泛。我國的部分大跨度建筑，如廣州體育館等，也運用了大量的幾何形狀，包括圓錐、三角形等，打造出了獨具特色的建筑藝術風格。

拓撲形是一種非常接近自然的形狀，它在大跨度建筑空間秩序的研究上能夠發揮重大作用，并且拓撲形自身也具有強烈的自然美和現實美。拓撲形與幾何形是相對對立的關系，幾何形強調的是規則與規整，體現了強烈的邏輯性。而拓撲形注重的是形狀的變化性和豐富度，雖然缺乏理性邏輯，但是容易給人們留下深刻印象。拓撲形在大跨度建筑中的應用也非常廣泛，如德國慕尼黑奧林匹克公園就采用了自然而多樣的拓撲形結構，其構造個性而張揚，宛如形狀各異的山巒丘陵，獨具美感。

3.4? 利用結構構件來表現

作為大跨度建筑結構的重要組成部分，結構構件不僅能夠為建筑提供支撐作用，同時還可以對建筑結構起到特殊的造型和裝飾效果。結構構件是力學特性的外顯，也是對建筑外形塑造的有力支撐，可以起到表達和傳遞美學信息的作用。在實際的建筑結構設計中，通過發揮結構構件的語言功能，能夠為設計師提供足夠的表現空間，展現建筑的技術美感。法國里昂的機場鐵路客運站在設計建設時就充分地利用了結構構件來加強對結構形態的表現，其通過對玻璃與鋼架結構的搭配運用，構建起呈伸展狀態的翅膀式結構。這一結構設計既保證了建筑的視覺美觀度，同時也提升了建筑的立體感和透視效果，增強了建筑形象的表現力。

4? 結束語

綜上所述，大跨度建筑設計應該在保證結構設計合理性的基礎上，運用結構形態表現方法增加建筑的美觀性和藝術性，提升建筑的內部空間和外部形象，與此同時，應在明確建筑結構型式的前提下加強對結構力學、幾何學以及結構構件表現方法的應用，以豐富建筑形象，打造出更具影響力和觀賞價值的大跨度建筑藝術作品。

參考文獻：

[1] 田靜輝.大跨度建筑結構形式與設計研究[J].現代物業：中旬刊，2019（9）.

[2] 楊紹亮，張玲玲.基于數字技術的大跨度柔性結構建筑設計新途徑——以膜結構為例[J].新建筑，2018（4）.

[3] 蔡理武.大跨度建筑設計中結構仿生的應用[J].建材與裝飾，2018（30）.

[4] 劉文捷.大跨度高位轉換高層建筑結構選型[J].中國戰略新興產業（理論版），2019（12）.

[5] 嚴衛軍.大跨度建筑結構表現的建構探究[J].名城繪，2020（2）.