大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析

建筑构造作业——大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑，我国现行钢结构规范则规定跨度60m以上结构为大跨度结构。

主要用于民用建筑的影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑。

在工业建筑中则主要用于飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房。

大跨度建筑在古代罗马已经出现，如公元120到124年建成的罗马万神庙，成圆形平面，穹顶直径达43.5m，用天然混凝土浇筑而成，是罗马穹顶技术的光辉典范。

罗马万神庙虽然大跨度建筑在古代罗马已经出现，但是大跨度建筑真正得到迅速发展还是在19世纪后半叶以后，特别是第二次世界大战后的最近几十年中。

大跨建筑迅速发展的原因一方面是由于社会发展使建筑功能越来越复杂，需要建造高大的建筑空间来满足群众集会、举办大型的文艺体育表演、举办盛大的各种博览会等；另一方面则是新材料、新结构、新技术的出现，促进了大跨度建筑的进步。

一是需要，二是可能，两者相辅相成，相互促进，缺一不可。

19世纪后半叶以来，钢结构和钢筋混凝土结构在建筑上的广泛应用，使大跨建筑有了很快的发展，特别是近几十年来新品种的钢材和水泥在强度方面有了很大的提高，各种轻质高强材料、新型化学材料、高效能防水材料、高效能绝热材料的出现为建造各种新型的大跨度结构和各种造型新颖的大跨度建筑创造了更有利的物质技术条件。

大跨度建筑常用结构形式；大跨度常用建筑结构根据结构形式，受力构件排列组合不同可分平面平面机构体系和空间结构体系两大类，共有八种。

它们是：平面结构体系有拱、刚架以及桁（héng）架。

空间结构体系有网架、折板（薄壳）、悬索、膜结构以及混合结构。

拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。

由于拱成曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩可以降到最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间。

但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了保持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。

常见方式是在拱的两侧作两道厚墙来支承拱，墙厚随拱跨增大而加厚。

很明显，这会使建筑的平面空间组合受到约束。

拱的内力主要是轴向压力，结构材料应选用抗压性能好的材料。

古代建筑的拱主要采用砖石材料，近代建筑中，多采用钢筋混凝土拱，有的采用钢衍架拱，跨度可达百米以上。

拱结构所形成的巨大空间常常用来建造商场、展览馆、体育馆、散装货仓等建筑。

拱结构按组成和支座方式不同分为三铰拱，两铰拱和无铰拱三种。

拱结构的造型主要取决于矢高大小和平衡拱推力的方式。

拱的矢高对建筑的外轮廓形象影响最大。

矢高小的拱，外形起伏变化小，成扁平状，结构占用的空间小，但水平推力和拱身轴力都偏大。

而矢高大的拱，外形起伏变化强烈，产生的水平推力和轴向力都较小，但是拱身材料耗费量多，拱下形成的内部空间大，拱曲面坡度很陡。

因为拱是一种有水平推力的结构，因此解决水平推力的方式不同，建筑的外形也会明显的不同。

因此解决拱产生水平推力的方式在很大程度上决定了拱结构大跨度建筑的建筑造型。

刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。

由于梁和柱是刚性结点，在竖向荷载作用下，柱对梁有约束作用，因而能减少梁的跨中弯矩。

同样，在水平荷载作用下，梁对柱也有约束作用，能减少柱内的弯矩。

刚架结构比屋架和柱组成的排架结构轻巧，可以节省钢材和水泥。

由于大多数刚架的横梁是向上倾斜的，不但受力合理，且结构下部的空间增大，对某些要求高大空间的建筑特别有利。

同时，倾斜的横梁使建筑的屋顶形成折线形，建筑外轮廓富于变化。

由于刚架结构受力合理，轻巧美观，能跨越较大的跨度，制作又很方便，因而应用非常广泛。

一般用于体育馆、礼堂、食堂、菜场等大空间的民用建筑，也可用于工业建筑，但刚架结构的刚度较差，当吊车起重量超过100KN时不宜采用。

钢制刚架结构的玻璃暖房钢架按结构组成和构造方式的不同，分为无铰钢架、两铰钢架和三铰钢架。

无铰钢架、两铰钢架是超静定结构，结构刚度较大，但当地基条件较差，发生不均匀沉降时，结构将产生附加内力。

三铰钢架则属于静定结构，在地基产生不均匀沉降时，结构不会引起附加内力，但其刚度不如前两者好。

一般来说，三铰钢架多用于跨度较小的建筑，两铰和无铰钢架可用于跨度较大的建筑。

钢架结构常用钢筋混凝土建造，为了节约材料和减轻结构自重，通常将钢架做成断面形式，柱梁相交处弯矩最大，断面增大，铰接点处弯矩为零，断面最小，所以钢架的立柱断面呈上大下小。

根据建筑造型需要，立柱可做成里直外斜，或外直里斜。

钢架多采用预制装配，用这些构件可组成单跨、多跨、高低跨、悬挑跨等各式各样的建筑外形。

屋脊一般在跨度正中间，形成对称式钢架，也可偏于一边，构成不对称式钢架。

某一钢架结构车站椼架是由杆件组成的一种格构式结构体系。

杆件与杆件的结合假定为铰结，所以在外力作用下杆件内力为轴向力（拉力或压力），而且分布均匀，故椼架结构比梁结构受力合理。

椼架的杆件内力是轴向力，而梁的内力主要是弯矩，且分布不均匀，梁的断面大小常以最大弯矩处的断面尺寸为整个梁的断面大小，因此梁的材料强度未得到充分利用。

椼架内力分布均匀，材料强度能充分利用，减少材料耗量和结构自重，使结构跨度增大。

所以椼架结构式大跨度建筑常用的一种结构形式，主要用于体育馆、影剧院、展览馆、食堂、菜场、商场等公共建筑。

为了使椼架的规格统一，有利于工业化施工，建筑的平面形式宜采用矩形或方形。

桁架一般用木材、钢材、钢筋混凝土建造。

桁架形式分为三角形、梯形、拱形、无腹杆式和三铰拱式等各种形式。

三角形桁架可用钢、木或钢筋混凝土制作。

当跨度不超过18米时，构件内利较小，比较经济，仅适用于跨度不大于18米的建筑。

梯形桁架可用钢或钢筋混凝土制作。

常用跨度为18到36米，桁架矢高与跨度之比一般为1/8到1/6。

梯形桁架的端部增大，降低了结构的稳定性，增加了材料用量。

拱形桁架的外形呈抛物线，与上弦的压力线重合，杆件内力均匀，比梯形桁架材料耗量少。

无腹杆桁架的上弦为抛物线形，犹如拱，主要承受轴向压力，竖杆和下弦受拉力，结构用料经济，由于无腹杆，结构造型简洁，便于制作，在桁架之间铺管道和进行检修工作均很方便，特别用于在桁架下弦有较多吊重的建筑。

桁架选型考虑的因素是：综合考虑建筑的功能要求、跨度和何在大小、材料供应和施工条件等因素。

当跨度在36米以上时，为了减轻结构自重，宜选择钢桁架；跨度在36米以下时，一般可选用钢筋混凝土桁架，有条件时最好选用预应力混凝土桁架；当桁架所处的环境相对湿度大于75%或有腐蚀性介质时，不宜选用木桁架和钢桁架，而应选用预应力混凝土桁架。

桁架结构在大跨度建筑中多用做屋顶的承重结构，根据建筑的功能要求、材料供应和经济的合理性，可设计成单坡、双坡、单跨、多跨等不同的外观和形状。

网格是一种由很多杆件以一定规律组成的网状结构。

它具有下列优点：杆件之间互相起支撑作用，形成多向受力的空间结构，故其整体性强、稳定性好、空间刚度大，有利于抗震；当荷载作用于网架各节点上时，杆件主要承受轴向力，故能充分发挥材料的强度，节省材料；网架结构高度小，可以有效的利用空间；结构的杆件规格统一，有利于工厂化生产；网架形式多样，可创造丰富多彩的建筑形式。

网架结构主要用来建造大跨度公共建筑的屋顶，适用于多种平面形状，如圆形、方形、三角形、多边形等各种平面建筑。

网格结构网格结构按其外形分为平板网格结构和曲面网格结构两类，前者称为网架，后者称为网壳，通常采用金属材料制作。

网架一般都是双层的，也可做成多层的；网壳可以是单层的，也可以是双层的。

网架自身不产生推力，支座为简支，构造比较简单，可以适用于各种形状的建筑平面，所以应用广泛。

网壳多数是有推力的结构，支座条件较复杂，但外形丰富，建筑造型多变。

网架结构网壳结构网架和网壳结构的建筑造型：网格结构的建筑造型主要受两个因素的影响：一是结构的形式，二是结构的支撑方式。

平面网架的屋顶一般是平屋顶，但是建筑的平面形式可以多样化。

网壳的外形多变，如拱形网架的建筑外形呈拱曲面，但平面形式往往比较单一，多为矩形平面，穹形网壳的外形呈半球形或抛物面形等，平面则为圆形或其它形状。

网架及网壳的支承方式对建筑造型是一个很重要的影响因素。

网架和网壳的下部支承或为墙、或为柱、或悬挑、或封闭、或开敞。

应根据建筑的功能要求、跨度大小、受力情况、艺术构思等因素确定。

当跨度不大时，网架可支承在四周圈梁上，圈梁则由墙或柱支承。

这种支承方式对网架尺寸的划分比较自由，网架手里均匀，门窗开设位置不受限制，建筑立面不受限制，建筑立面处理灵活。

当跨度大时，网架宜直接支承与四周的立柱上。

这种支承方式传力直接，受力均匀，但柱网柱网尺寸要与网架的网格尺寸相一致，使网架节点正好处于柱顶位置。

穹形网壳结构——国家大剧院折板结构由折板和横隔构件组成，在波长方向，折板犹如一块折叠起伏的钢筋混凝土连续板，折板如同一钢筋混凝土梁，其强度随折板的矢高（f）而增加。

横隔构件的作用是将折板在支座处牢固地结合在一起，如果没有它，折板会坍塌而破坏。

横隔构件可根据建筑造型需要来设计，如钢筋混凝土横隔板、横隔梁等。

折板的波长不宜太大，否则板太厚，不经济，一般不应大于12M。

折板结构按波长数目的多少分为单波和多波折板；按结构跨度的数目有单跨和多跨之分；若按结构断面形式分为三角形折板和梯形折板；若依折板的构成情况，又可分为平行折板和扇形折板。

平行折板构造简单，最常用。

扇形折板一端的波长较小，另一端的波长较大，成放射状，多用于梯形平面的建筑。

由于折板结构构造简单，又可预制装配施工，故被广泛用于工业与民用建筑，可用于矩形、方形、梯形、多边形，圆形等平面。

由折板结构建造的房屋，造型新颖，具有独特的外观。

巴黎联合国教科文组织会议大厅薄壳结构是用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构，呈空间受力状态，主要承受曲面内的轴内力，而弯矩和扭矩很小，所以混凝土强度能得到充分利用。

由于是空间结构，强度和刚度都非常好。

薄壳厚度仅为其跨度的几百分之一。

而一般的平板结构厚度至少是跨度的几十分之一。

所以薄壳结构具有自重轻、省材料、跨度大、外形多样的优点，可用来覆盖各种平面形状的建筑物屋顶。

但大多数薄壳结构的形体较复杂，多采用现浇施工，费工、费时、费模板，且结构计算较复杂，不宜承受集中荷载，这些缺点在一定程度上影响了它的推广作用。

薄壳结构形式很多，常用的有筒壳、圆顶壳、双曲扁壳，鞍形壳等四种。

每种形式的受力特点和产生的空间各有特点，应根据实际来设计。

薄壳结构的建筑造型以各种几何曲面图形为基本特征，基本形式为圆筒形、圆球形、双曲抛物面形。

它与梁、板、架一类结构相比，在造型上独具特色，容易给人以新奇感，突出建筑的个性。

悬索用高强钢丝做拉索，加上高强的边缘构件以及下部的支承构件，使结构自重极大地减小，而跨度大大增加。