建筑结构选型概述及实例分析

建筑结构选型概述及实例分析
一、引言
建筑结构并不是我们通常所说的建筑物，而是隐藏于建筑物外表之下的，构成建筑空间、承载建筑荷载，使建筑物得以安全使用的骨架。

人们往往认为结构与外形是相同的概念，其实不然。

建筑师根据结构功能要求的原则（安全性、适用性、经济性、耐久性）将外表看来很花哨的建筑物与内部规整合理的结构很好的结合在一起，就形成了各种各样的建筑结构型式。

以下简单的介绍几种常见的建筑结构型式，包括：框架结构、剪力墙结构、框-剪结构、筒结构、桁架结构、拱结构、网架结构、悬索结构、膜结构等，以及对叔叔各种结构型式分别进行概述和实例分析。

二、框架结构
1、概述
框架结构一般由竖直的柱和水平横梁所组成，梁柱交结处一般为刚性连接。

框架结构一般都是受到竖直荷载和水平荷载的共同作用。

其主要特点是：布局灵活，不靠墙承重，使用方便，可以获得相对较大的使用空间；但抗侧刚度小，侧移大，抗震和抗风能力较差，对于支座不均匀沉降比较敏感。

框架结构按框架构件组成可以划分为梁板式结构和无梁式结构；按框架的施工方法可以划分为现浇整体式框架、装配式框架、半现浇框架和装配整体式框架；按承重结构可以划分为纯框架和内框架。

框架结构适用于民用住宅、办公楼、旅馆、饭店、医院、大型商业建筑等，亦可用于工业车间等建筑。

2、实例分析
广州合景金融大厦
（1）、工程概况
广州合景金融大厦位于广州市天河区珠江新城J1-6地块，主楼地上41层，屋顶标高为178m（未计向上延伸至198m的外墙构架）；地下室5层，埋深22.16m。

总建筑面积为108000m2，其中地下28660m2。

五层以下为商业用途，五层以上均为办公用途。

地下五层为停车库及设备用房，其中地下四五层兼作五级人防地下室。

（2）、结构型式及特点
广州合景金融大厦采用圆钢管混凝土框架-钢支撑框架结构体系。

结构方案控制原则：刚度、强度，舒适度、延性满足规范要求。

小震作用下，主、次结构
均要求处于弹性阶段，满足小震不坏的目标；中震作用下，主体结构墓本处于弹性状态，无损坏或损坏程度小，次结构有一定程度损伤，但损伤程度为可修复，修复时不会对主体结构的稳定性和安全性造成很大影响；大震作用下，地震能量主要依靠次要构件耗散，少数抗侧力构件出现塑性铰，整体结构内力重分布，结构整体仍具有一定的抗侧刚度，可继续工作。

通过设置部分偏心支撑，在支撑与柱之间或支撑与支撑之间形成耗能梁段。

在大震作用下通过耗能梁段的弹塑性变形耗能，保证支撑不屈曲。

高出屋面的幕墙采用钢桁架结构，并设置部分粘弹性消能阻尼器，以起到减少风振和在地震作用下耗能的作用。

广州合景金融大厦框架柱采用圆钢管混凝土：柱、支撑体系采用跨层、形矩形钢管支撑，层内人字形及V字形热轧或焊接正放H型钢支撑，框架梁采用烘轧或焊接H型钢与闭口型或缩口型压型钢板组合楼板的组合形式。

利用钢支撑作为主要抗侧力构件，钢框架土要承担竖向荷栽。

钢柱与钢梁节点，钢支撑与钢骨连接点均采用刚性连接，主次梁节点为铰接。

三、剪力墙结构、框-剪结构
1、剪力墙结构概述
剪力墙结构，是利用建筑物的外墙和永久性内隔墙的位置布置混凝土承重墙的结构。

其主要特点是：抗侧刚度大，侧移小，抗震性能好；室内墙面平整，结构自重大，平面布置不灵活，不容易形成大空间。

剪力墙结构常用于高层住宅和旅游建筑中。

2、实例分析
广州白天鹅宾馆
（1）、工程概况
广州白天鹅宾馆是中国内地第一家五星级大酒店。

酒店于1983年开业，2000年重新装修，楼高28层，共有客房总数842间套。

广州白天鹅宾馆是“世界一流酒店组织”之首家中国成员，是今日广州豪华酒店佼佼者，矗立于珠江河畔历史悠久的沙面岛。

2010年广东省第三次文物普查，广州白天鹅宾馆将被认定为文物。

（2）、结构选型及特点
广州白天鹅宾馆主楼采用剪力墙大阪系统，主楼地下室采用钢筋混凝土防渗墙结构。

横向剪力墙和纵向剪力墙共同承重，侧刚度更强，侧移更小，从而保证了抗震性能。

3、框-剪结构概述
框-剪力墙结构体系是由框架和剪力墙共同作为承重结构的受力体系。

是两种体系的结合，吸取了各自的长处，既有布置灵活、使用方便的特点，又具有良好的抗侧力性能。

框-剪结构中的剪力墙可以单独设置，也可以利用电梯井、楼梯间、管道井等墙体。

因此，这种结构已被广泛地应用于各类房屋建筑。

4、实例分析
深圳发展中心大厦
(1)、工程概况
深圳发展中心大厦建于1990年，总层数43层，建筑面积75889m~2，是一幢集酒店、办公、商业和娱乐等多功能为一体的超高层大厦。

外型独特，体现出特区所具有的活力。

（2）、结构型式及特点
深圳发展中心大厦，采用了框架-剪力墙体系。

剪力墙负担大部分的水平荷载，框架则以负担竖向荷载为主，两者共同受力、合理分工，各尽其能。

四、超高层建筑（筒结构）
1、概述
筒结构是由框-剪结构与全剪结构的演变发展而来的。

剪力墙集中到房屋的内部或外部形成封闭的筒体，筒体在水平荷载作用下好像一个竖向悬臂封闭箱。

筒结构包括筒中筒结构、框架-核心筒结构、框筒-框架结构、多重筒结构、成束筒结构及多筒体结构。

一般适用于高层和超高层建筑。

2、实例分析
中央电视台新址
（1）、工程概况
中央电视台新台址地处北京市朝阳区东三环中路东，在北京市中央商务区(CBD)规划范围内。

用地面积19万m2，总建筑面积约60万m2，包括CCTV主楼、电视文化中心以及服务楼三个单体。

CCTV主楼由两座塔楼、裙房及基座组成，地下三层。

地上总建筑面积40万m2。

两座塔楼呈双向6°倾斜，分别为51层和44层，在37层处通过14层高的L形悬臂结构连为一体。

结构屋面高度234m，最大悬挑长度75m。

裙房为9层，与塔楼连为一体。

（2）、结构型式及特点
CCTV主楼采用钢支撑筒体结构体系。

带斜撑的钢结构外筒体提供结构的整体刚度，部分钢结构外筒体表面延续至筒体内部，以加强塔楼角部及保持钢结构外筒体作用的连续性。

外筒体由水平边梁、外柱及斜支撑组成，筒体在两个平面都倾斜6°。

外筒框架柱采用钢柱、型钢混凝土柱。

斜支撑截面尺寸及分布根据受力需要而变化。

外筒体由两层高的三角形模块构成，即每隔两层柱、边梁和支撑交于一点，因而楼面结构也分为“刚性层”和“非刚性层”。

包括塔楼在内，所有心筒及内柱都是竖直的，它们与外筒柱—起作用，为“刚性层”之间的楼板提供稳定性。

塔楼的核心筒为钢框架结构体系，核心筒体横向布置一定数量的柱间支撑，而纵向主要依靠抗弯框架的作用。

核心筒内两个楼层平面之间的侧向约束可以保证两“刚性层”楼板之间楼层的侧向稳定，并将有关荷载传递下去。

塔楼内设置了一系列的转换桁架以支承由于垂直内筒与倾斜外柱之间的跨距加大而增加的内柱。

这些转换桁架将柱的荷载传递到核心筒和外部筒体上，通常布置于机电层。

两塔楼之间悬臂部分的底下两层也设有转换桁架，悬臂部分的柱荷载通过这些桁架传递至周边筒体。

在裙楼处，为了形成演播厅和中央控制区的开敞空间，也设有转换桁架用以支承上部楼面的内柱。

五、桁架结构
1、概述
桁架结构是由直杆在端部相互连接而成的以抗弯为主的格构式结构。

桁架结构受力合理，计算简单，施工方便，适应性强，对支座没有横向推力；但结构高度大，平面桁架的侧向刚度小，为了保证桁架平面外的稳定性，通常需要设置支撑系统。

桁架结构按外形不同可分为三角形屋架、梯形屋架、抛物线屋架、折线形屋架、平行弦屋架；按腹杆布置不同可分为三角形腹杆系、带竖杆的三角形腹杆系、半斜腹杆系、组合腹系；按其几何组成方式可分为简单桁架、联合桁架和复杂桁架按是否存在水平推力可分为无推力的梁式桁架和有推力的拱式桁架；按材料的不同可分为木屋架、钢-木组合屋架、钢屋架、轻型钢屋架、钢筋混凝土屋架和
钢-混凝土组合屋架。

桁架结构在民用建筑、工业建筑、公共建筑、娱乐设施、施工设备、公路桥梁等领域应用广泛。

2、实例分析
天津奥林匹克中心体育场
（1）、工程概况
天津奥林匹克中心体育场为2008年北京奥运会足球赛场。

体育场位于天津中心市区西南部。

体育场建筑面积15.8万m2，共由6层组成，总高53m，可同时容纳6万名观众，可满足国际足球和田径比赛的要求。

结构设计的构思为：屋顶桁架选用V字形平行弦桁架，悬挑结构，以表现体育场地的动感与轻快。

该体育场成为天津市重大体育活动的中心场地和标志性建筑。

（2）、结构型式及特点
天津奥林匹克体育中心体育场基础为高强混凝土预应力管桩，主体为钢筋混凝土框架结构，屋顶桁架选用V字形平行弦桁架，悬挑结构。

主桁架最大跨度117m，主、环桁架均为平面管桁架结构形式，桁架最大安装高度达53m，整个钢屋盖由主桁架、子桁架、二道环形桁架及水平、垂直支撑、檩条组成，总用钢量
约13000t。

主桁架上口定位采用柱帽杆固定于看台柱顶支座上，下口定位采用落地形式。

六、拱结构
1、概述
拱结构是以受轴向压力为主的结构，是使构件摆脱弯曲变形的一种突破性发展。

拱结构的一个显著特点是产生水平力，而且与跨度有关系，跨度越大，其水平力越大。

按支撑方式分类，拱可分为三铰拱、二铰拱和无铰拱。

拱在建筑中应用广泛，如桥、屋顶、窗洞、门洞、水坝、体育馆等大量采用拱结构。

2、实例分析
俄罗斯风景桥
（1）、工程概况
风景桥（Zhivopisng Bridge）是俄罗斯首都莫斯科克雷拉茨科耶区横跨莫斯科河（Moskva River）的一座公路斜拉桥，全长1460m，其中主桥长409.50m，宽37m；跨河钢拱桥塔高105m，拱跨182m，斜拉索78根，拱顶下部建有圆形观
景台和餐厅；桥面至水面高30m。

风景桥于2007年12月建成通车。

这座桥的独特之处在于构思的巧妙。

为了避免道路与附近的地铁、公园、抽水站等公共设施的干扰，在地形地物受限的情况下，充分利用了河道上的空间，将桥梁架设在河道中心线上，在平面上桥梁与河流重叠。

(2)、结构型式及特点
俄罗斯风景桥利用刚架拱横向布置巧妙地将桥墩基础设置在两岸岸边，这样既能保证桥墩的生根，又能使桥下河流畅通无阻，真是巧夺天工的设计。

风景桥还有一个特点就是它的斜拉索体系。

桥梁主跨为等截面的钢箱梁，钢箱梁被由刚架拱上的斜拉索牵引支撑，梁塔（刚架拱）完全分离，形成全浮悬状态，在78根拉索下组成了空间曲线索面的对称性斜拉桥。

这种体系如果单就主梁的全浮悬状态来说，其抗震能力是很高的，当然，全桥的抗震水平还依赖于作为斜拉桥的主塔-刚架拱的稳定能力。

看似两个毫无搭界的单一结构，一个是拱结构，一个是梁结构，它们通过斜拉索的连接使风景桥形成了一座独特的斜拉桥，这种由简单结构构件组成的复合结构形式的桥梁很值得我们桥梁工程师学习与借鉴。

考虑观光的需要，桥梁主跨正上方利用刚架拱的支撑设置了类似于太空舱的圆形旋转餐厅。

这成为风景桥一个建筑特点。

七、网架结构
1、概述
网架结构是一种新型结构形式，它是由许多杆件按照一定规律组成的网状结构。

网架都是双层结构，可分为交叉桁架体系和角锥体系两类。

网架结构平面布置灵活，空间造型美观，便于建筑造型处理和装饰、装修，能适应不同跨度、不同平面形状、不同支撑条件、不同功能需要的建筑物。

特别是在大、中跨度的层盖结构中，网架结构更显示出其优越性，被大量应用于大型体育建筑、公共建筑、工业建筑中。

2、实例分析
上海体育馆
（1）、工程概况
上海体育馆，也称上海大舞台，坐落在上海西南地区，著名的华亭宾馆对面，1975年建成使用。

馆内可容纳观众18000人。

1999年经改建，新增1250m2的双层舞台，设施先进，是目前国内首家剧院式的体育馆。

可承接各类文艺演出、大型体育比赛、集会、大型展览等等，观众容量仍可保持在12000人左右。

（2）、结构型式及特点
上海体育馆主馆呈圆形，高33米，屋顶网架跨度直径110米，采用平板型三向网架结构，网格尺寸为跨度的1/8。

八、悬索结构
1、概述
悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支撑构建所组成。

它以一系列受拉的索作为主要承重构件。

其主要特点是，索只能拉，使钢材的强度得到充分利用；施工方便，适用性强，建筑造型优美，适用于大跨度结构，通过构建的合理布置，能实现荷载的合理传递，抗风能力是设计时的关键环节。

根据组成方法和受力特点，可分为单层悬索体系、预应力双层悬索体系、预应力鞍形索网等。

悬索结构主要用于飞机库、体育馆、展览馆、杂技场等大跨度公共建筑和某些大跨度工业厂房中。

2、实例分析
国家体育馆
（1）、工程概况
国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区（B区），是北京2008年奥运会三大主场馆之一。

它主要由比赛馆和热身馆组成，其中比赛馆可容纳观众约1.8万人，总建筑面积约为80890m2。

地下1层，地上4层。

体育馆屋盖平面投影为两个矩形，纵向长195.5m，横向宽114m，屋盖分别覆盖比赛馆和热身馆，其中比赛馆尺寸为114m×144.5m，热身馆尺寸为
51m×63m。

体育馆屋面呈南高北低的波浪形曲线，结构最高点标高为42.454m。

(2)、结构型式及特点
国家体育馆钢屋盖采用新型的“双向张弦大跨度空间结构”，是国内最大的双向张弦超大跨空间结构。

钢屋盖上层为正交正放的平面桁架（横向18榀，纵向14榀），网格间距为8.5m，结构高度为1.518～3.973m。

其中上弦、腹杆采用无缝圆钢管，节点为焊接球，下弦采用矩形管，铸钢节点连接，桁架材质为Q345C钢。

钢屋盖下层为钢撑杆及双向预应力空间张拉索网，横向14榀，纵向8榀带索，横向为双索，纵向为单索，钢索采用挤包双护层大节距扭绞型缆索，强度等级1670MPa，Φ109×5~Φ367×5；撑杆为Φ219×12的钢管。

九、膜结构
1、概述
膜结构也叫织物结构，是20世纪种业发展起来的一种全新的建筑结构形式，用多种高强薄膜材料及辅助结构通过一定的方式使其内部产生一定的预张应力，并形成应力控制下的某种空间形态，作为覆盖结构或建筑物主体，而且有足够的刚度以抵御外部荷载作用的一种空间结构形式。

其特点如下：自重轻，造型优美，富有时代气息，减少能源消耗，施工速度快，经济效益明显，使用安全可靠，容易做成可拆卸结构，易于运输，使用范围广，受气候影响小。

膜结构可分为充气式膜结构、张拉式膜结构和骨架式膜结构。

目前，国内外已修建了各种膜结构建筑。

如，大型体育设施、娱乐中心、展览馆、音乐厅、候车厅和大型集会场所、超级市场及酒店的中厅、飞机库、停车场、仓库、建筑小品等。

2、实例分析
英国伦敦的千年穹顶
（1）、工程概况
千年穹顶（Millennium Dome）位于伦敦东部泰晤士河畔的格林威治半岛上，是英国政府为迎接21世纪而兴建的标志性建筑。

这个工程原先只考虑建成临时性的，后经研究，这项工程不论是从周围市区的复兴，或是建筑交通基础设施的长期投资来说都具有很大价值，1997年英国工党政府上台后，决定建成一个占地73公顷、总造价达12.5亿美元的大型综合性展览建筑。

其中包括一系列展示与演出的场地，以及购物商场、餐厅、酒吧等，在1999年12月31日揭幕。

（2）、结构型式及特点
·
千年穹顶直径320m，周圈大于1000m，有12根穿出屋面高达100m的桅杆，屋盖采用圆球形的张力膜结构。

膜面支承在72根辐射状的钢索上，其截面为2×Φ32，这些钢索则通过间距25m的斜拉吊索与系索为桅杆所支撑，吊索与拉索同时对桅杆起稳定作用。

膜结构屋面设计中的一个关键问题是要避免雨雪所形成的坑洼，千年穹顶的大部分屋面都比较平坦，因此膜面的支承结构必须面对清除这些难点，将周围的索抬高于膜面，使雨水能流到排水管。

辐射向索在周圈与
悬链索相连并固定在24个锚固点上，顶部则与12根φ48钢索组成的拉环连接，拉环直径为30m，中设天窗供穹顶通风用。

桅杆为梭型钢管格构柱，桅杆沿直径200m的圆周设置，支承在由四根杆组成的四角锥形底座上。

一些细钢索从高10m 的底座引出，因而不妨碍展出。

千年穹顶的膜材原先采用以聚酯为基材的织物，以后考虑使用年限长改用涂聚四氟乙烯的玻璃纤维织物，为了防止结露，又增加了能隔音、隔热的内层，但内部装修尚未完工，这层膜材已出现了被玷污的痕迹，影响美观。

因此在工程中更换了不同生产商的膜材料。

参考文献：
【1】王心田.建筑结构体系与选型【M】.上海：同济大学出版社，2003.
【2】【日】日本建筑构造技术者协会.图说建筑结构【M】.北京：中国建筑工业出版社，2000
【3】罗福午，张汇英，杨军.建筑结构概念设计及案例【M】.北京：清华大学出版社，2003
【4】陈眼云，谢兆鉴，许典斌.建筑结构选型【M】.广州:华南理工大学出版社，2005
【5】王湛.建筑结构选型【M】.广州：华南理工大学出版社，2009。