建筑构造第二十讲——大跨度结构屋顶

膜结构的定义 膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑 形式，对它并没有一个明确的定义。 一般认为膜结构是用多种高强薄膜材料(PVC 或Teflon)及加强构件(桁架、网架、钢柱或钢索)通 过一定的方式使其内部产生一定的预张应力，以形
成某种空间结构形状，并能承受一定的外部荷载作
用的一种空间结构形式。
三、三向交叉网架
三个方向的桁架相互交叉60度而成
特点： 1上下玄网格均为三角形 2空间刚度比两向网架好 3杆件内力更均匀 4结点汇交杆件多，构造复杂
适用范围： 大跨度 ，建筑平面为三角形、六边形、圆形
网架结构 （1）首都体育馆，北京最大的现代化体育馆之一，平面呈矩 形，建筑物东西长122.2米，南北长107米，建筑面积4万平方 米。屋盖结构为平板型双向空间钢网架，是我国矩形平面屋 盖中跨度最大的网架。
受力特点

优点： 受力性能好（受力均匀，材料利用充分） 扩大了梁式结构的适用跨度 桁架可以用多种材料制造 桁架体型可以多样化 施工方便
屋架的类型
（1）、木屋架 特点：节间大小均匀， 杆件内力不致突变太大 适宜跨度：９～２１米 最经济跨度：９～１５米 节间长度：1.5~2.5m
3、十种常用的大跨度结构形式
• 拱 • 刚架 • 桁架 • 网架 • 薄壳 • 悬索 • 帐篷薄膜 • 充气薄膜
• 折板
• 悬挑
三、大跨度建筑屋顶的类型及其特点 1、桁架结构
各杆件受力均以单向拉、压为主，通过 对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构 内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、 压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座 产生水平推力。
网架结构的分类
按外形分：曲面网架、平面网架 一、曲面网架（网壳） 单曲、双曲、单层、双层
特点： 1利用一定的起拱度来实现外力的空间传递 2多余的上凸增加了建筑容积 3巨大的推力，造成施工困难，材料消耗大
平板网架的结构形式
一、两向正交正放网架 二、两向正交斜放网架 三、三向交叉网架 四、锥体网架
大跨度建筑的利与弊
利：近二三十年来，各种类型的大跨度建筑所取得的成 就，已有力地说明了新技术革命为人们所带来的效益。 它使人们的梦想成真，并使这类本来受技术条件制约极 大的建筑居然能在建筑技术与建筑艺术有机结合中产生 多姿多彩的艺术风貌，令人耳目一新。
弊：但是目前看来，要增加建筑的跨度在技术上并非是 不可解决的事，问题是造价不成比例的飙升是否值得， 以及由于建筑过大、人口在一个建筑某一段时间内的过 于集中而产生的一系列其他问题，例如建筑在日常运作 中过分依靠能源，与人们在交往与进出的高峰时间中所 形成的建筑内部与建筑对城市的交通压力等。因此问题 不是越高越大就越好，而是究竟要建多大与多高。
气承式膜结构
1975 美国密歇根 庞蒂亚克“银色穹顶”
1982 明尼苏达的Metrodome
1988 日本东京“巨蛋”
1984 温哥华B.C.Place
气承式膜结构
至1984年，类似的大型充气膜结构体育馆在北美就建了9座。但由于空 气压力自动调节系统和融雪热气系统性能不稳定，几乎所有的充气结构 在使用中都出现过问题，轻者屋面下瘪，重者膜材撕裂，尤其是在1985 年冬天的一场大风雪中，“银色穹顶”险些全部倒塌。这些事故引起了 人们的关注，甚至对充气膜结构的安全性产生了怀疑。1986年以后，在 美国建造的大型体育场馆中就没有采用过充气膜结构。
二、两向正交斜放网架
正交：两个方向桁架互相垂直 斜放：两个方向桁架都与建筑 平面的边线成45度角
特点：
1长度不统一，最长的桁架长度= 桁架长度不因平面长边的增加而改变
2短桁架对长桁架起支承作用，可降低长桁架的内力
3网格平面图形可维持几何不变形，空间刚度好 4网架四角的锚拉，使长桁架在角部产生负弯矩对四角支座产 生较大的拉力，使四角有可能翘起
（把结构构件本身作为 （把结构的所有组成构件协同起 独立的单元来考虑） 来共同跨越空间，作为整体来考 虑——整体作用大于单个作用之 和，且多向受力比单向受力更发 挥材料潜力，空间工作比平面工 作更符合力的自然传递路线）
第三：按照力的改向以及传递的特有机制进行 分类： 形态作用结构体系：悬索结构、帐篷结构、 气囊结构、拱结构 向量作用结构体系：平面桁架、钢架结构、 空间桁架 截面作用结构体系：梁结构、框架结构、 板结构等 面作用结构体系：折板结构、薄壳结构等
(一)70年代中期以前的大跨度建筑:
近些年来，大跨度建筑新结构屋顶可分为以下 类型： ⒈钢筋混凝土薄壳顶： 利用钢筋混凝土薄壳结构来覆盖大空间的做 法已越来越多，屋顶形式也多种多样。
(二)70年代中期以后的大跨度建筑:
这个时期一系列新的成就集中的表现在体 育建筑和交通建筑方面，空间开阔灵活、造型 新颖别致、结构与使用功能先进，受到举世瞩 目。在这些大跨度屋盖中，上面提过的悬索结 构、预制钢筋混凝土空间结构、金属管网架结 构、活动屋顶、木制网架结构、充气结构等都 有新的发展。
（2）上海体育馆，主馆呈圆形,圆形屋盖直径为110m，采用 的是三向钢网架结构。
5、网壳结构
网壳结构即为曲面桁架结构，又称曲面 网架，简称网壳 网壳结构受力性能比桁架结构要好， 自重轻，空间使用增大，形式丰富、造型 美观，但是其施工相对复杂些
• 特点： 曲面内轴向力；薄、轻、省、跨大、造型丰富；费工费时 • 类型： 筒壳、球壳、扁壳、鞍形壳
形状的结构或构件，再由
这样的构件相互联结形成 使用空间。
1970 大阪世博会 日本富士馆
1970年日本大阪世界博览会上，由川口卫（Mamoru Kawaguchi）设计的日本富士馆，平面为直径50m的圆 形，由16个直径4m、高72m的气囊式拱构成，拱间由 环形水平带箍在一起，并固定在钢筋混凝土环梁上。
6、壳体结构的特点与类型
7、 折板结构及其造型
折板结构组成 由折板、边梁和横隔三部分组成。形式可分Baidu Nhomakorabea有 边梁和无边梁两种。
无边梁折板：它由若干等厚的平板和横隔板构建 组成，通常都是预制V形折板
V形折板一般为35—50mm，跨度9—27m，具有 制作简单、安装方便和节省材料等优点
基本尺寸： 波长一般为2-3m 跨度一般为6-15m 倾角——办与水平倾角一般为30-50° 折板高度一般为折板长度的1/20宽
二、大跨度建筑屋顶的结构类型
1、基本概念 • 界定：30M • 历史
——万神庙 ——美国· 底特律· 韦恩县体育馆 （Wayne County stadium ） （266m，圆形钢网壳） ——上海体育馆 （110m，圆形钢平板网架） ——英国千年穹 （365m，帐篷结构）
• 选择结构形式的意义
——造型 ——空间利用的合理性 ——对内部装饰的影响
膜结构的构成
膜结构体系由膜面、边索和脊索、谷索、支承
结构、锚固系统，以及各部分之间的连节点等组成。
膜结构体系示意图
由于构成膜结构的膜材是一种柔性材料， 只能传递膜面内的拉力，不能承受压力、弯矩。 因此膜结构是以在膜面内引入初始预张力而抵 抗外荷载的一类结构体系。这里从初始预张力 的导入的方式及结构表面的曲率将膜结构分为3 类: 蒙皮式（骨架式）、充气式、张拉式膜结构。
（2）根据几何形状的不同，分为：平顶 和坡顶、拱顶以及单跨、多跨和单柱悬挑 等形式。 （3）根据截面形式的不同，又可以分为： 矩形、I形、T形和箱形。 （4）根据材料的不同可分为：钢筋混 凝土钢架、钢刚架、胶合木刚架等。 （5）根据结构的形式的不同可以分为： 实腹式和空腹式。
特 点
杆件较少，制作方便，结构内部空间较大 梁柱刚接，横梁弯矩较铰接减少，适用于中小 跨结构，跨度可达４０米，最适宜１８米左右 刚度较差，受荷后产生挠度，用于工业厂房时， 吊车起重量不能过大
大跨度建筑屋顶
主要内容
一、大跨度建筑屋顶的发展 二、大跨度建筑屋顶的结构类型 三、大跨度建筑屋顶的类型案例
一、大跨度建筑的发展： 近代大跨度建筑在十九世纪末已有 很大创 新，20世纪30年代以后，尤 其是二战后的几十年中，大跨度建筑又 有突出的进展。它主要用于展览馆、体 育馆、飞机库，以及一些公共建筑。 大跨度建筑发展的原因： 社会的需要 、新材料与新技术的应用。
• 类型 单层单曲面 双层单曲面 ●轮辐式 鞍形
2）双层单曲面悬索——鞍形悬索
• 类型 单层单曲面 双层单曲面 轮辐式 ●鞍形
9膜结构的定义及构成
首先让我们认识一下膜结构建筑，在我们的生活中，经常 会见到。如图：
体育看台
停车棚
膜结构的定义及构成
气囊式膜结构
景观小品
膜结构的定义及构成
收费站 世博轴
由美国建筑师布罗迪和工程师盖格尔（David Geiger） 设计的美国馆为83.5m×l42m的准椭圆形空气支承膜结 构。首次使用了聚氯乙烯（PVC）涂层的玻璃纤维织物， 通常被认为是第一个现代意义上的大跨度膜结构。
气囊式膜结构 是向特定形状的封闭式气 囊内充入一定压力的气体， 使之形成具有一定刚度和
广泛用于工业厂房和体育馆等
3、拱结构
拱的结构特点与优缺点
（１）利用地基基础直接承受水平推力 （落地拱）
拱结构的形式 按力学结构分：三 铰拱、两铰拱和无 铰拱 按建筑外形分：半 圆拱和抛物线拱
利用侧面框架结构承受水平推力
4、网架结构
网架结构的特点、优点与适用范围
特点：平面桁架相互交叉结合而成 优点： （1）多向受力的空间结构，跨度大 （2）刚度大，稳定性好 （3）杆件主要承受轴向力，能充分发挥 材料的强度 （4）高次超静定，安全度高 （5）结构高度小，不仅可以有效地利用建筑空间， 而且能够利用较小的杆件建造大跨度结构 （6）杆件类型划一，适用于工业化生产、地面拼装 的整体吊装
一、两向正交正放网架 正交：两个方向桁 架互相垂直 正放：两个方向桁 架都与建筑平面 的边线平行
特点： 两个方向桁架跨度相等或接近时，两个方向桁架受力才比 较均匀，且能发生整体空间作用 如建筑平面为长方形，空间作用不明显 网格平面为几何可变体型，刚度差，需设斜撑
适用范围：建筑平面为正方形或接近正方形 中等跨度：30~60米
大跨度建筑的结构形式 ：
除了传统的梁架或桁架屋盖外，比较突出 的 则是新创造的各种钢筋混凝土薄壳与折板以及 悬索结构、网架结构、钢管结构、张力结构、 悬挂结构、充气结构等空间结构
发展的趋势：
建筑的外貌愈来愈紧密地与新材料、新结 构、新的施工技术相结合，覆盖空间越来越 大。由于大跨度建筑多为公共建筑，人流多， 占地面积大，因此一般位于城市边缘或郊区。
2、大跨度结构形式可分为三大类
按照结构的材料分类： ——砌体结构 ——木结构 ——混凝土结构 ——钢结构 ——膜结构 ——索结构 ——复合材料结构
第二：按照结构的空间布置形式分类，可 以分为平面结构和空间结构两类。
• 平面结构体系
——桁架 ——刚架 ——拱 ——……
• 空间结构体系
——网架 ——折板 ——薄壳 ——悬索 ——……
—— 折 板 结 构 造 型 实 例
—— 折 板 结 构 造 型 实 例
8、悬索结构的特点
• 特点 分工明确——索网：钢索，只受力 ——边缘构件：梁、桁架、拱等 ——支承结构 造型新颖、跨度大、施工简便
悬索结构的类型
1）单层单曲面悬索
悬索类型 ●单层单曲面 ●双层单曲面 轮辐式和鞍形

2）双层单曲面悬索——轮辐式悬索
（1）充气式膜结构
充气式膜结构是利用膜内外空气的压力差为膜材施
加预应力，使膜面能覆盖所形成的空间。充气式膜结构
又可分为气承式和气囊式（气胀式/气垫式）两种。
气承式膜结构
是通过压力控制系统向
建筑物室内充气，使室 内外保持一定的压力差， 膜体受到上浮力，并产 生一定的预张力，以保
证体系的刚度。
70年大阪世界博览会美国馆
（2）、钢屋架 特点：小桁架的组合， 杆件长度较短 下眩受拉 适用跨度：３６米以上 （3）、钢筋混凝土屋架 受力性能好 结点杆件数不多于5 腹杆与玄杆夹角不小于30度
2、门式刚架的结构特点与适用范围
（1）、从连接方式分：无铰刚架、两铰刚架、 三铰刚架
无铰刚架：超静定刚架，结构刚度大，但地基有不均匀 沉降时，将使结构产生附加内应力 有铰刚架：静定刚架，地基有不均匀沉降时，对结构不 会产生附加内应力，但跨度大时，刚度较差，一般用于 小跨度（12m）和基础较差的情况