大跨度建筑的结构类型及造型

薄壳结构
受启发于自然界的种子外壳、蛋壳、贝 壳……以最少的材料获得坚硬的外壳！ A:利用混凝土可塑性，主要承受曲面内 轴向力，弯矩扭矩很小；强度、刚度好 ；薄壳厚仅为跨度几百分之一，一般平 板结构的十分之一。自重轻、省材料、 外形多样。 D:现浇施工，费工、费时、费模板，结 构计算复杂，不易承受集中荷载。
平板网架
八角形平面， 容纳一万人，主 跨88M,钢管杆件 球节点连结，网 架支撑在一圈混 凝土柱上。
美国加利福尼亚大学体育馆： 91M×122M,三角锥体系平板网架
曲面网壳结构

多数底部为有推力结构，制作条件 复杂；但相较网架结构，外形丰富 ，造型多变。 网壳结构VS薄壳：一改钢筋混凝土 薄壳施工时需要支大量模板，湿作 业劳动费时费力的劣势，采用计算 机计算方式，安装方便，结构更合 理。

法格勒诺布尔冰球 馆：四片筒形薄壳 十字正交，花瓣形
美国“未来航空港”设 计方案：两套筒壳，一 是放射状的锥形筒壳； 另一是呈环状的交叉固 定筒壳。两套壳体，巧 妙“相贯”。
墨西哥花田市餐厅，正方形平面，屋顶由四个双
曲抛物面薄壳交叉相贯组成。交叉部位壳板增厚，但仅厚 4CM，各向切割，整朵水浮莲漂浮在水面，别具匠心。

A:充分利用抗压材料特性，比梁结 构减小结构断面尺寸

D:支座处产生水平推力，必须设宽 厚坚固的拱脚支座
Q:解决支座推力的方法
1、拱脚支座处，设水平拉 杆，平衡推力，减小墙、 柱断面尺寸
2、由框架结构抵抗水平 推力，保证框架刚度，连 接牢固
北京体育学院田径房 由基础直接承受的方式
仅在推力不大，地质条件较好时！！ 落地拱暴露出来，以强烈的 结构自身韵律美化室内环境， 利用高侧窗采光。
刚架

刚架：横梁和柱整体连接，构成一 种门式结构
外加荷载下，结构产 生微小形变，产生相 应的内应力。
如柱对梁的约束力， 使梁有恢复原来形状 的趋势，从而减小梁 中弯矩。
简支梁与刚架的弯矩内力比较
可根据弯矩分布情况设计截面大小——弯矩 大的部位截面大，可充分发挥材料潜力！
刚架的分类形式
建筑造型实例
美国塔科马市体育馆 胶合木网壳 D=160M 单层网壳
日本名古屋体育馆 ：D=187.2M, 1996 世界上跨度最大单 层网壳结构
国家大剧院
肋环形空腹双层网壳，东西跨度122M, 南北144M。 整个屋顶呈椭球形大穹顶，表面由具 有柔和色调与光泽的仅0.44mm厚的钛 金属板覆盖。 前后两侧有两个类似三角形的玻璃幕 墙切面，整个建筑浮于水面之上，需 从一条长80M的水下通道进入演出大 厅。
桁架结构 杆件间铰结 杆件内轴向内力， 拉或压 应力分布均匀

材料强度充分利用，省材料，自重 减轻，常用木材、钢材、钢筋混凝 土建造。
桁架的类型
上：三角形、梯形、拱形、 无斜腹杆拱形 左：三铰拱式、三铰刚架 式桁架式、排架式桁架结 构
三铰刚架式钢桁架
Hale Waihona Puke Baidu
1898，巴黎世博会机械馆
北京体育馆，6000人，跨度56M,桁架 暴露于比赛大厅，顶部设有天窗，以利 于采光和通风。
充气膜结构
利用膜材料制成气囊，充气后，总 是以曲线和曲面来构成自己独特外 形。 薄膜结构兼有承重和维护功能，简 化建筑构造。 适用于各种形状平面，材料透明度 高，即使跨度很大的建筑不设天窗 也可。

其他新型结构：张悬梁和张悬网架
原理：通过张拉下弦高强拉索，使得撑杆 产生向上分力，导致上弦构件产生向上的 内力和形变趋势，从而抵消部分向下的外 加荷载影响，达到降低上弦构件的内力， 减小形变的效果。

悬索结构
受启发于悬索桥梁，20世纪50年代后， 随着高强钢丝出现，悬索结构兴起。 组成：索网、边缘构件、下部支承。 索网非常柔软，只承受轴向拉力，无弯 矩也无剪力；边缘构件锚固索网，连接 底部支承，可采用梁、桁架、拱等形式 ，应保证足够刚度；下部支承多为受压 构件，常为柱。

Q:悬索结构的优缺点？
巴黎国家工业与技术中心陈列馆
三束锥状双曲面薄壳交 汇于屋顶中心，立面呈 抛物线形，上下双层壳 板组成空腔壳体，平均 厚度18CM,仅为跨度的 1/144。
美 国 麻 省 理 工 学 院 礼 堂

埃罗· 沙里宁，1/8球面薄壳，平面为曲边三角 形，边梁向上卷起，传递荷载至三个支座，地 下埋设水平拉杆，平衡推力，铜板覆盖，玻璃 幕墙曲面外墙。

A：结构厚度薄，省材料，可预制装 配，省模板，可做大跨度屋顶，也可 作外墙。 平行折板 扇形折板

扇形板：一 端波长小， 一端大，放 射状，适用 于梯形平面。
联合国教科文组织会 议大厅：顶棚和墙壁 作为折板，呈现结构 的韵律，空间的深度
。
巴西圣保罗会堂： D=60M,扇形折板从 中心向四 周呈辐射 状圆形；切割手法形 成三角形外墙，结构 与建筑造型完美统一。
平板网架

支座简支 交叉桁架体系
三向交叉
+
角锥体系
两向正交
两向正交体 系的正放和 斜放：
三向交叉体 系可满足的 平面形状：
角锥体系

三角锥


四角锥
六角锥
室外空间网架运用
（网架~平板屋顶）
首都工人体育馆： 两向正交网架 99M1x12.2M，1967， 我国跨度最大的 平板网架之一
南京五台山体育馆 ——三向交叉桁架
该游泳馆采 用不对称钢 筋混凝土刚 架结构，利 用结构下部 空间布置跳 水台，部分 刚架暴露， 部分吊顶。
门式刚架结构
大跨度，多跨间的 工业厂房们，采用 门式刚架，轻巧， 安装方便，节约。
桁架结构

桁架：由各个杆件铰结组成的一种 格构式结构,多作屋顶承重结构。
梁柱框架 钢筋混凝土现浇 主要为弯矩 不均匀
古老的穹窿结构
古代拱的发展
石梁 三角拱 筒拱
肋拱
交叉拱
肋拱的极致运用
拱结构的受力原理

拱：外力作用下 内弯矩值小，主 要为轴向压力， 且分布均匀
现代拱的形式分类，运用
两铰拱、无铰拱，超 静定结构；三铰拱， 静定结构
材料：铸铁、 钢筋混凝土等 材料的运用， 一改古老石材 的笨重
Q：现代技术中拱结构的优缺点？
大跨度建筑的结构类型及造型
谭梦琪 06050701 2007301400
大跨度建筑基本情况
大跨度建筑：跨度>30M 大跨度结构（《钢结构规范》）： 跨度>60M

主要应用：（公用）影剧院、体育 场馆、展览会议场所、航空港等； （工业）装配车间、飞机库、大跨 厂房等
古老的大跨度建筑发展
技术落后，巨大的斗兽场无法做出覆盖，只能做成露 天的雄伟广场
日本国家体育馆、游泳馆
钢索固定在两根混凝土柱上， 金属板材覆盖屋面。
伦敦千禧穹顶：泰晤士河边 格林威治半岛上，占地300英 亩，由Richard Rogers 事务所 承担建筑设计，结构设计由 Buro Happold完成。
膜结构
以优良的柔软组织物为膜面材料，由 空气压力支承（气承式）、或柔性钢 索（张拉式）或刚性骨架（骨架式） 将膜材绷紧而形成建筑空间。 A:质轻，透光、自洁性好；施工方便 造型丰富。 DIA:隔声效果差、耐久性不够好、膜 面抵抗局部集中荷载的能力差

薄壳结构形式
筒壳 圆顶壳 双曲扁壳 双曲抛物面壳

双曲扁壳与双曲抛物面壳
北京火车站——双曲扁壳
薄壳结构的建筑造型

建筑造型是以各种几何曲面图形 为基本，有圆筒形、圆球形、双 曲抛物面形。 不简单重复上述基本形式，而是 巧妙地运用交贯、切割、改变参 数等方法，重新组合再创造。造 型独特新颖，突出建筑个性。
排架式钢桁架
敦煌市火车站——无柱风雨棚
广州会展中心
拱、刚架、桁架同属平面力系，解
决屋顶结构问题。但还是有很大局 限性。
二战后，新型大跨度建筑涌现不断
。形式更加新颖，结构更加合理， 让人耳目一新。如：空间网格、折 板与薄壳、悬索、张拉膜等结构。
看看这些新建筑
折板
定义：由一定倾斜角度整体相连的一 种薄板体系，常用钢筋混凝土，钢丝 网水泥建造。 组成：折板+横隔构件
上海浦东国际机场：屋顶最大跨度82.6M,张弦 梁受力性能较好，外形简洁，富于表现力。
内容小结
穹顶、拱 刚架 桁架 空间网格（平板网架、曲面网壳） 薄板（折板、薄壳） 悬索 膜结构 新型：张悬梁

THANKS!
高；但支撑边梁也需做成相应弧形， 带来施工难度
双曲抛物面网壳：(马鞍形 )造型新 甘肃庆阳
颖奇特，素线为直线。
宫体育 馆——曲 面扁壳+ 弧形大拱
德阳体育馆——双曲抛物面网壳
罗马小体育宫：D=60M 1620个混凝土预制菱形构 件拼合，最薄处：25mm 完整秀美的天顶如一朵盛 开的向日葵。
二战以后，随 着理论研究、 抗震性能分析 进一步深入， 新材料、新施 工工艺的运用， 国外很早就采 用各种材料建 造网壳结构。
肯尼迪机场候机楼
四片双曲面钢砼薄壳合围成 屋顶，展翅飞翔的大鸟。采 光带分开四部分，边梁朝支 座逐渐加宽，适应增大的内 力。模型实验，艺术与结构 的完美结合，没有生硬的几 何图形痕迹。
空间网格结构
多根杆件
以一定规律 节点连接
平板网架 曲面网壳 空间结构形式
1、多向受力结构，整体性强，稳定， 刚度大； 2、杆件主要承受轴向拉、压力，符合 材料特性，节省； 3、结构高度小，有效利用空间； 4、杆件规格统一，易于生产。
轮辐式结构
北京工人体育馆
D=94M ，轮辐式双层悬索， 上下索各144根，在外环上 错开半间布置；钢砼外环 支撑在环形框架的48根柱 上；内环为钢结构圆筒， D=26M。
双曲抛物面悬索
由两组曲率相反的拉索交叉组成索网。
浙江省人民体育馆 美国牲畜市场贸易馆
勒· 柯布西耶，苏联苏维埃宫，以巨大的 钢砼抛物线拱来悬吊屋顶。

网壳
按层数分：单层、双层 按形状分：柱面网壳、球面网壳、 双曲扁网壳、单块扭网壳、四块组 合型扭网壳……

柱面网壳：适用于矩形平面，构造简
单施工方便，广泛应用；具有典型拱 结构受力特征，需解决水平推力。
球面网壳：适用于圆平面，整体类
似穹顶。球冠型和近似整球型。
1967世博会美国馆
双曲扁网壳：矢高小，空间利用率
A：充分发挥钢索受拉，钢砼边缘构件 受压、受弯的特性，结构轻，省钢材 外形与传统建筑迥异，适用于各类平 面形式 跨越巨大空间，中间没有支点，功能 安排更灵活； 在60M~150M内，优势明显。
DIA:抗风荷载能力差。
悬索结构形式
单层单曲面 双层单曲面 双曲面轮辐式 双曲面鞍形

杜勒斯国际机场：单跨矩 形平面，下部加稳定索， 顶部加盖轻质材料，加强 结构整体抗震动、抗风性 能。

张拉膜结构（帐篷结构）
为提高膜面的抗风能力，可将其设计成 呈反向的双曲面形式——正负曲面。且对拉 索施加适当的预应力，以保证无论何方向的 风力作用都不会松弛。
抹面材料宜选择轻质、高 强、耐高温、低温、防火性好， 有一定透明度的材料。
蒙特利尔博览会 德国馆
骨撑膜结构
常见骨架：桁架、拱、网架、网壳 膜材仅为表皮使用，自身结构承载作 用不能得到充分发挥，结构跨度、造 型也受到支撑骨架的限制 上海八万人体育 场，与它前面的 老上海万人体育 场