衡量大跨度空间结构优劣的五个指标
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空间结构的分类见表 1. 更详细的分类 ,请参考 文献 [ 2 ].
表 1 空间结构的分类
刚性结构 ( Stiff space str uc tur e)
薄壳结构 网格结构 (平板网架和网 壳 ) 折板结构
柔性结构
索结构 ,膜结构
( Flex ible space str uct ur e)
杂交结构 ( Hy brid space str uctur e)
第 1期
王仕统: 衡量大跨度空间结构优劣的五个指标
63
图 6 罗马小体育馆
图 Baidu Nhomakorabea 广州新体育馆 ( 2002年 )
图 7 意大利佛罗伦萨运动场大看台
塑性对挑梁的外轮廊进行了艺术处理 ,在挑梁的支 座附近挖了一个三角形孔 ,既减小了结构自重 ,也获 得了很好的艺术效果 .
这个建筑 ,直接显示了结构的自然形体 ,进行了 恰如其分的艺术加工 ,而又不做任何多余的装饰 ,使 结构的形式与建筑空间艺术形象高度融合起来 ,受 力合理 ,形象优美 ,轻巧自然 ,给人以建筑美的享受 .
收稿日期: 2002-10-16. 基金项目: 广东省科委高科技攻关项目 . 作者简介: 王仕统 ( 1937- ) ,男 ,四川开江人 ,教授 ,主要研究方向: 钢结构、大跨度空间结构和高层 R C结构 .
第 1期
王仕统: 衡量大跨度空间结构优劣的五个指标
61
在广东省注册中心 2000年举办的《国家一级注 册建筑师继续教育班》上 ,我再增加了一个指标 ,即
索膜结构 索梁结构 索桁架结构 索 -桁架结构 (我国开发 [3] )
图 2 梁的演变
62
空 间 结 构 第 1期
3 工程评价
( 1)美国亚特兰大百年奥运会乔治亚穹顶 ( Georgia Dome, 图 3) . 椭 圆 形 平 面 240. 790m× 192. 020m ,它是目前世界上最大的双曲抛物型准张 拉 整体 体 系 ( T enseg ri t y Sy st em ) . 该体 系 由美 国 Lev y 开发的一种稳定性好的三角形划分网格穹顶 , 受力特点是“连续拉、间断压” ,材料强度得到了最充 分的发挥 (指标 1和 2) . 屋盖用钢量仅 30kg /m2.
( 2)法国巴黎国家工业与技术展览中心大厅 (图 4) . 它是钢筋砼装配整体式薄壳结构 ,壳体跨度 l 与 壳的折算厚度 t 之比: l /t= 206m /0. 18m= 1144,而 鸡蛋壳仅: 40mm /0. 4mm= 100倍 ,说明人类的巨大 智慧 (指标 1和 2) .
图 4 法国巴黎国家工业技术展览中心大厅
Five indexes for the evaluation of long-span spatial structures
W AN G Shi-to ng
( South China University of Technology , Guangzhou 510640,China)
Abstract: For long-span st ructures( l > 60m ) , consumi ng t oo many ma teri als is no t o nly a ki nd of wast e, but also harmf ul to the structural v erti cal eart hquake resistance. Spa tial st ruct ures must be adopted i n the desi gn o f ex cellent long-span st ruct ures. Beam-ty pe st ruct ures should not be used i n long-span st ruct ures because of thei r i nf erio r mechanical behavio r. Acco rdi ng to the po lici es of technolog y and eco nom y i n Chi na, that is to be advanced in tech nolog y, safe, applicable, rati onal , economica l a nd w it h g ood quali ty , this paper presents fiv e i ndex es f or the evaluatio n o f lo ng -spa n spatial st ruct ures, w hich can of fer a go od ref erence to both archit ect s a nd st ructural engineers. Key words: long -span st ructures; spatial structures; ev aluating i ndex es
( 3)广东省湛江电厂干煤棚 [4 ] . 平面尺寸: 113. 4m× 113. 4m, 柱距 l = 79. 8m, 网架高度 h = 4-6m (图 5) ,它是目前我国跨度最大的四柱支承平板网
架屋盖 .考虑到煤棚位于湛江 顺岛上 ,是台风多发 区 ,网架上铺置钢筋陶粒砼三角形带肋预制板 (直角 边 4. 2m,板的重力密度 γ= 14. 5kN /m3 ) .虽然平板 网架是科技含量较低的空间结构体系 ,但仍可通过
图 1 美 国 Raleigh竞技馆 ( 1953年 )
成了以竖向分隔为节奏感很强的建筑造型 . 被认为 是世界上第一座优秀的大跨度索网结构屋盖建筑 , 开创了现代建筑索结构的历史 .
2 梁的演变与空间结构的分类
从梁的弯矩图 (图 2a )可见 ,梁沿跨度和截面的 受力都很不均匀 ,材料强度不能得到充分的发挥 . 对 于通常跨度的楼盖梁来说 ,可将矩形截面变为工字 型截面 ,进而采用格构式梁 (桁架 ) ,以提高梁的承载 力和刚度 (图 2b的通道① ) .为了实现结构的更大跨 越 ,则必须按图 2b的通道②和③ ,把梁演变成拱和 索 ,它们的横向扩展就变成了空间结构 ,如图 2c 所 示 . 因 此 , 空 间 结 构 又 叫 形 效 结 构 ( Fo rmativ e St ruct ures) .
( 5)结构的艺术作用 . 这一指标 ,把结构的型式与建筑的空间艺术形 象融合起来 ,即结构本身富有美学表现力 . 建筑师必 须注意发挥这种表现力和利用这种装饰效果 ,自然 地显示结构 . 所谓自然的显示结构 ,不是说结构就是 美 ,而是要袒露具有美学价值的部分 ,通过建筑师的 艺术加工 ,达到表现建筑美的目的 ,而不是简单地表 现结构本身 . 这样 ,就可以使建筑最终达到实用、经 济和美观的目的 . 美国 Ralei gh竞技馆 (图 1)结构受力明确 ,形成 自平衡体系 ,索、拱的材料强度充分发挥 ,基础很小 , 施工方便 ,几乎符合上述五个衡量指标 .斜拱的周边 以间距 2. 4m 的钢柱支承 ,立柱兼作门窗的竖框 ,形
图 5 湛江电厂干煤棚 ( 1995年 )
( 4)罗马小 体育馆 (图 6) . 采用外 露的叉形 斜 柱 ,有力地把巨大的装配整体式钢筋砼网肋型扁圆 球壳 ( D= 59. 13m )托起 ,结构清晰、欢快 ,极富结构 力度 (指标 5) .
( 5)意大利佛罗伦萨运动场大看台 (图 7) . 建筑 师把雨蓬的挑梁外形与其弯矩图 (二次抛物线 )统一 起来 ,但又不是简单的统一 .建筑师利用混凝土的可
如何衡量一个大跨度空间结构 (跨度 l> 60m ) 的优劣 ,本人曾提出四个指标 [1 ]:
( 1)材料强度充分发挥 ; ( 2)基础推 (拉 )力 H 合理处理 ; ( 3)施工安装费少 ; ( 4)跨度大 ; 对大跨度结构来说 ,材料用量多 ,不仅是一个浪 费 ,而且对结构的抗震 ,特别是竖向抗震极为不利 . 我国每一本结构设计规范总则第 1条都要求设计人 员做到技术先进、安全适用、经济合理、确保质量 ,对 优秀的大跨度空间结构来说 ,在安全的前提下 ,技术 先进和经济合理更应该特别强调 .
精心设计 ,如采取八面坡水 ,腹杆棋盘式布置等手段 来强化空间传力 ,用钢量仅 70. 3kg / m2 (巴基斯坦体 育馆 l = 62. 4m , h= 5m ,铝 皮轻 屋面 , 用钢 61kg / m2; 深圳体育馆 l = 63m , h= 4-6m, 四面坡水 , 镀锌 板轻屋面 ,用钢 57. 33kg /m2 ) .值得指出的是 ,由于 采用了暗柱帽 ,网架的施工散装平台由 5m 减低至 1m 左右 ,大大节省了施工费用 (指标 3) .
图 9 广东奥运匹克体育场 ( 2001年 )
的大型建筑设计很多由国外中标 ,难道我国建筑师 没有创造力? 结构师没有结构体系创新动力 [6 ]?
( 2)大跨度空间结构几乎都是钢结构 ,科技含量
64
空 间 结 构 第 1期
较高 ,本文提出的五个衡量指标是最基本的 .要设计 好一个大跨度空间结构建筑 ,建筑师和结构工程师 的合作应当达到配合默契的程度 . 严格贯彻执行国 家的技术经济政策 ,即技术先进、安全适用、经济合 理、确保质量 . 我们希望认真执行这四个原则 ,政府 部门和工程技术人员都不能停留在口头上 .
1 概 述
所谓空间结构 ,其形状呈空间状 ,并同时具有三 维受力特性 . 优秀的空间结构具有荷载传递路线最 短 ,受力均匀等特点 ; 而平面楼盖结构 ,由于构件分 为板、次梁和主梁等“级别” ,荷载传递路线长 ,浪费 材料 .自然界也有许许多多令人惊叹的空间结构 ,如 蛋壳、海螺等是薄壳结构 ; 蜂窝是空间网格结构 ; 肥 皂泡是充气膜结构 ; 蜘蛛网是索网结构 ;棕榈树叶是 折板结构等等 . 因此 ,从某种意义上来说 ,空间结构 是一种仿生结构 ,它们比平面结构更美观、经济和高 效.
第 9卷第 1期 2003年 3月
SP AT I A L S T RU CT U RES
V ol. 9 No . 1 Ma r. 2003
衡量大跨度空间结构优劣的五个指标
王仕统
(华南理工大学 ,广州 510640)
摘 要: 对大跨度结构 (l> 60m)来说 ,材料用量多 ,不仅是一种浪费 ,对结构的竖向抗震 也极为不利 .优秀的大跨度 结构必须采用空间结构 .梁式结构体系 (桁架是 格构式梁 )不宜在大跨度结构 中采用 .根 据我国的技术经济政 策 ,即 技术先进、安全适用、经济合理、确保质量 ,本文提 出衡量大跨度空间 结构优劣的五个指 标 ,可供建筑 和结构设计人 员参考 . 关键词: 大跨度结构 ;空间结构 ;评价指标 中图分类号: T U 393. 3 文献标识码: A 文章编号: 1006-6578( 2003) 01-0060-05
这个例子说明 ,建筑物的重力感、力的传递与其 支承的关系 ,也就是结构的作用 ,同样也是建筑艺术 表现力的重要源泉 .
4 小 结
( 1)对大跨度结构体系来说 ,梁式结构体系是受 力最差的体系 ,张拉整体体系—— “连续拉、间断压” 和索 -膜体系是目前最先进、最经济的体系 .
法国著名建筑师保罗· 安德鲁中标设计的广州 新体育馆 ,由主场馆、训 练馆和大众活动中心组成 (图 8) , 用 钢 量 达 160kg /m2; 美 国 Nix on Ellerbe Becket ( N EB)公司中标设计的广东奥林匹克体育馆 场 (图 9) ,用钢量更高达 200kg /m2 ( H型钢弦杆 ,最 大厚度 125m m) .它们也许是杰出的 ,但仍属于梁式 结构体系 ,耗费如此多的用钢量也就不奇怪了 . 国内
1996年 9月 ,湛江地区先后遭受了两次 40多 年未遇的强台风袭击 ,市内风速达 57m /s( 12级台 风为 33m /s) ,强风持续时间 1小时以上 ,大量的建 筑物受到严重破坏 ,但位于台风登陆口的湛江电厂 干煤棚却完好无损 ,其陶粒砼屋面也未遭到任何破 坏 [5] .
图 3 美国乔治亚穹顶 ( 1996年 )
表 1 空间结构的分类
刚性结构 ( Stiff space str uc tur e)
薄壳结构 网格结构 (平板网架和网 壳 ) 折板结构
柔性结构
索结构 ,膜结构
( Flex ible space str uct ur e)
杂交结构 ( Hy brid space str uctur e)
第 1期
王仕统: 衡量大跨度空间结构优劣的五个指标
63
图 6 罗马小体育馆
图 Baidu Nhomakorabea 广州新体育馆 ( 2002年 )
图 7 意大利佛罗伦萨运动场大看台
塑性对挑梁的外轮廊进行了艺术处理 ,在挑梁的支 座附近挖了一个三角形孔 ,既减小了结构自重 ,也获 得了很好的艺术效果 .
这个建筑 ,直接显示了结构的自然形体 ,进行了 恰如其分的艺术加工 ,而又不做任何多余的装饰 ,使 结构的形式与建筑空间艺术形象高度融合起来 ,受 力合理 ,形象优美 ,轻巧自然 ,给人以建筑美的享受 .
收稿日期: 2002-10-16. 基金项目: 广东省科委高科技攻关项目 . 作者简介: 王仕统 ( 1937- ) ,男 ,四川开江人 ,教授 ,主要研究方向: 钢结构、大跨度空间结构和高层 R C结构 .
第 1期
王仕统: 衡量大跨度空间结构优劣的五个指标
61
在广东省注册中心 2000年举办的《国家一级注 册建筑师继续教育班》上 ,我再增加了一个指标 ,即
索膜结构 索梁结构 索桁架结构 索 -桁架结构 (我国开发 [3] )
图 2 梁的演变
62
空 间 结 构 第 1期
3 工程评价
( 1)美国亚特兰大百年奥运会乔治亚穹顶 ( Georgia Dome, 图 3) . 椭 圆 形 平 面 240. 790m× 192. 020m ,它是目前世界上最大的双曲抛物型准张 拉 整体 体 系 ( T enseg ri t y Sy st em ) . 该体 系 由美 国 Lev y 开发的一种稳定性好的三角形划分网格穹顶 , 受力特点是“连续拉、间断压” ,材料强度得到了最充 分的发挥 (指标 1和 2) . 屋盖用钢量仅 30kg /m2.
( 2)法国巴黎国家工业与技术展览中心大厅 (图 4) . 它是钢筋砼装配整体式薄壳结构 ,壳体跨度 l 与 壳的折算厚度 t 之比: l /t= 206m /0. 18m= 1144,而 鸡蛋壳仅: 40mm /0. 4mm= 100倍 ,说明人类的巨大 智慧 (指标 1和 2) .
图 4 法国巴黎国家工业技术展览中心大厅
Five indexes for the evaluation of long-span spatial structures
W AN G Shi-to ng
( South China University of Technology , Guangzhou 510640,China)
Abstract: For long-span st ructures( l > 60m ) , consumi ng t oo many ma teri als is no t o nly a ki nd of wast e, but also harmf ul to the structural v erti cal eart hquake resistance. Spa tial st ruct ures must be adopted i n the desi gn o f ex cellent long-span st ruct ures. Beam-ty pe st ruct ures should not be used i n long-span st ruct ures because of thei r i nf erio r mechanical behavio r. Acco rdi ng to the po lici es of technolog y and eco nom y i n Chi na, that is to be advanced in tech nolog y, safe, applicable, rati onal , economica l a nd w it h g ood quali ty , this paper presents fiv e i ndex es f or the evaluatio n o f lo ng -spa n spatial st ruct ures, w hich can of fer a go od ref erence to both archit ect s a nd st ructural engineers. Key words: long -span st ructures; spatial structures; ev aluating i ndex es
( 3)广东省湛江电厂干煤棚 [4 ] . 平面尺寸: 113. 4m× 113. 4m, 柱距 l = 79. 8m, 网架高度 h = 4-6m (图 5) ,它是目前我国跨度最大的四柱支承平板网
架屋盖 .考虑到煤棚位于湛江 顺岛上 ,是台风多发 区 ,网架上铺置钢筋陶粒砼三角形带肋预制板 (直角 边 4. 2m,板的重力密度 γ= 14. 5kN /m3 ) .虽然平板 网架是科技含量较低的空间结构体系 ,但仍可通过
图 1 美 国 Raleigh竞技馆 ( 1953年 )
成了以竖向分隔为节奏感很强的建筑造型 . 被认为 是世界上第一座优秀的大跨度索网结构屋盖建筑 , 开创了现代建筑索结构的历史 .
2 梁的演变与空间结构的分类
从梁的弯矩图 (图 2a )可见 ,梁沿跨度和截面的 受力都很不均匀 ,材料强度不能得到充分的发挥 . 对 于通常跨度的楼盖梁来说 ,可将矩形截面变为工字 型截面 ,进而采用格构式梁 (桁架 ) ,以提高梁的承载 力和刚度 (图 2b的通道① ) .为了实现结构的更大跨 越 ,则必须按图 2b的通道②和③ ,把梁演变成拱和 索 ,它们的横向扩展就变成了空间结构 ,如图 2c 所 示 . 因 此 , 空 间 结 构 又 叫 形 效 结 构 ( Fo rmativ e St ruct ures) .
( 5)结构的艺术作用 . 这一指标 ,把结构的型式与建筑的空间艺术形 象融合起来 ,即结构本身富有美学表现力 . 建筑师必 须注意发挥这种表现力和利用这种装饰效果 ,自然 地显示结构 . 所谓自然的显示结构 ,不是说结构就是 美 ,而是要袒露具有美学价值的部分 ,通过建筑师的 艺术加工 ,达到表现建筑美的目的 ,而不是简单地表 现结构本身 . 这样 ,就可以使建筑最终达到实用、经 济和美观的目的 . 美国 Ralei gh竞技馆 (图 1)结构受力明确 ,形成 自平衡体系 ,索、拱的材料强度充分发挥 ,基础很小 , 施工方便 ,几乎符合上述五个衡量指标 .斜拱的周边 以间距 2. 4m 的钢柱支承 ,立柱兼作门窗的竖框 ,形
图 5 湛江电厂干煤棚 ( 1995年 )
( 4)罗马小 体育馆 (图 6) . 采用外 露的叉形 斜 柱 ,有力地把巨大的装配整体式钢筋砼网肋型扁圆 球壳 ( D= 59. 13m )托起 ,结构清晰、欢快 ,极富结构 力度 (指标 5) .
( 5)意大利佛罗伦萨运动场大看台 (图 7) . 建筑 师把雨蓬的挑梁外形与其弯矩图 (二次抛物线 )统一 起来 ,但又不是简单的统一 .建筑师利用混凝土的可
如何衡量一个大跨度空间结构 (跨度 l> 60m ) 的优劣 ,本人曾提出四个指标 [1 ]:
( 1)材料强度充分发挥 ; ( 2)基础推 (拉 )力 H 合理处理 ; ( 3)施工安装费少 ; ( 4)跨度大 ; 对大跨度结构来说 ,材料用量多 ,不仅是一个浪 费 ,而且对结构的抗震 ,特别是竖向抗震极为不利 . 我国每一本结构设计规范总则第 1条都要求设计人 员做到技术先进、安全适用、经济合理、确保质量 ,对 优秀的大跨度空间结构来说 ,在安全的前提下 ,技术 先进和经济合理更应该特别强调 .
精心设计 ,如采取八面坡水 ,腹杆棋盘式布置等手段 来强化空间传力 ,用钢量仅 70. 3kg / m2 (巴基斯坦体 育馆 l = 62. 4m , h= 5m ,铝 皮轻 屋面 , 用钢 61kg / m2; 深圳体育馆 l = 63m , h= 4-6m, 四面坡水 , 镀锌 板轻屋面 ,用钢 57. 33kg /m2 ) .值得指出的是 ,由于 采用了暗柱帽 ,网架的施工散装平台由 5m 减低至 1m 左右 ,大大节省了施工费用 (指标 3) .
图 9 广东奥运匹克体育场 ( 2001年 )
的大型建筑设计很多由国外中标 ,难道我国建筑师 没有创造力? 结构师没有结构体系创新动力 [6 ]?
( 2)大跨度空间结构几乎都是钢结构 ,科技含量
64
空 间 结 构 第 1期
较高 ,本文提出的五个衡量指标是最基本的 .要设计 好一个大跨度空间结构建筑 ,建筑师和结构工程师 的合作应当达到配合默契的程度 . 严格贯彻执行国 家的技术经济政策 ,即技术先进、安全适用、经济合 理、确保质量 . 我们希望认真执行这四个原则 ,政府 部门和工程技术人员都不能停留在口头上 .
1 概 述
所谓空间结构 ,其形状呈空间状 ,并同时具有三 维受力特性 . 优秀的空间结构具有荷载传递路线最 短 ,受力均匀等特点 ; 而平面楼盖结构 ,由于构件分 为板、次梁和主梁等“级别” ,荷载传递路线长 ,浪费 材料 .自然界也有许许多多令人惊叹的空间结构 ,如 蛋壳、海螺等是薄壳结构 ; 蜂窝是空间网格结构 ; 肥 皂泡是充气膜结构 ; 蜘蛛网是索网结构 ;棕榈树叶是 折板结构等等 . 因此 ,从某种意义上来说 ,空间结构 是一种仿生结构 ,它们比平面结构更美观、经济和高 效.
第 9卷第 1期 2003年 3月
SP AT I A L S T RU CT U RES
V ol. 9 No . 1 Ma r. 2003
衡量大跨度空间结构优劣的五个指标
王仕统
(华南理工大学 ,广州 510640)
摘 要: 对大跨度结构 (l> 60m)来说 ,材料用量多 ,不仅是一种浪费 ,对结构的竖向抗震 也极为不利 .优秀的大跨度 结构必须采用空间结构 .梁式结构体系 (桁架是 格构式梁 )不宜在大跨度结构 中采用 .根 据我国的技术经济政 策 ,即 技术先进、安全适用、经济合理、确保质量 ,本文提 出衡量大跨度空间 结构优劣的五个指 标 ,可供建筑 和结构设计人 员参考 . 关键词: 大跨度结构 ;空间结构 ;评价指标 中图分类号: T U 393. 3 文献标识码: A 文章编号: 1006-6578( 2003) 01-0060-05
这个例子说明 ,建筑物的重力感、力的传递与其 支承的关系 ,也就是结构的作用 ,同样也是建筑艺术 表现力的重要源泉 .
4 小 结
( 1)对大跨度结构体系来说 ,梁式结构体系是受 力最差的体系 ,张拉整体体系—— “连续拉、间断压” 和索 -膜体系是目前最先进、最经济的体系 .
法国著名建筑师保罗· 安德鲁中标设计的广州 新体育馆 ,由主场馆、训 练馆和大众活动中心组成 (图 8) , 用 钢 量 达 160kg /m2; 美 国 Nix on Ellerbe Becket ( N EB)公司中标设计的广东奥林匹克体育馆 场 (图 9) ,用钢量更高达 200kg /m2 ( H型钢弦杆 ,最 大厚度 125m m) .它们也许是杰出的 ,但仍属于梁式 结构体系 ,耗费如此多的用钢量也就不奇怪了 . 国内
1996年 9月 ,湛江地区先后遭受了两次 40多 年未遇的强台风袭击 ,市内风速达 57m /s( 12级台 风为 33m /s) ,强风持续时间 1小时以上 ,大量的建 筑物受到严重破坏 ,但位于台风登陆口的湛江电厂 干煤棚却完好无损 ,其陶粒砼屋面也未遭到任何破 坏 [5] .
图 3 美国乔治亚穹顶 ( 1996年 )