大跨度空间结构的主要形式及特点

大跨度空间结构的主要形式及特点
大跨度建筑通常是指跨度在30米以上的建筑，我国现行钢结构规范则规定跨度在60米以上结构为大跨度结构。

大跨度空间结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志。

其结构形式主要包括拱结构、刚架结构、桁架结构、网架结构、折板结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等空间结构及各类组合空间结构。

形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。

结构是房屋的骨架，是形成建筑内部空间和外部形式的物质基础，结构是在特定的材料和施工技术条件下运用力学原理创造出来的。

某种新的结构一丹产生并在工程实践中反复出现时，便会逐渐形成一种崭新的建筑形式。

上面所提到的空间结构也可以分成：一实体结构类——薄壳结构、折板结构；二网格结构——网架结构、网壳结构；三张力结构——悬架结构、薄膜结构；四其他新型大跨度空间结构——可展开折叠式结构、开合屋顶、张拉整体结构、张弦结构、整体张拉预应拱架结构。

下面我就各空间结构作分析。

1拱结构
1.1定义与特点
拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线形构件。

拱结构由拱圈及其支座组成。

拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。

由于拱呈曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩可以降低到最小限度，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，比同样的梁结构断面小，能承受较大空间。

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

常见的方式是在拱的两侧作两道后墙来支承拱，墙厚随拱跨增大而加厚。

这样就会使建筑的平面空间组合受到约束。

1.2拱结构形式
拱结构应用广泛，形式多种多样。

按建造的材料分类，有砖石砌体拱结构、钢筋混凝土拱结构、钢拱结构、胶合木拱结构等；按结构组成与支承方式分类，有无铰拱、两铰拱和三铰拱，无拉力杆拱和有拉杆拱；按拱轴的形式分类，常见的有半圆拱和抛物线拱；按拱身截面分类，有实腹式和格构式、等截面和变截面等。

1.3拱结构的建筑造型与布置
确定拱轴线的形式主要考虑两个问题，一是拱的合理轴线，二是拱的矢高。

其中拱的矢高对建筑的外部轮廓形象影响最大。

拱是一种有水平推力的结构，解决水平推力的方式不同，建筑的外形也不一样，常有的处理方式有：1由拉杆承受拱推力的建筑造型 2由框架结构承受拱推力的建筑造型 3由基础承受拱推力的建筑造型。

拱结构根据建筑平面形式的不同，常有的布置形式有1并列布置 2径向布置 3环向布置 4井式布置 5多叉布置
2刚架结构
2.1定义与特点
刚架结构通常是指由直线形杆件（梁和柱）通过刚性节点连接起来的结构。

建筑工程中习惯把梁和柱之间为铰接的单层结构称为排架，多层多跨的刚架结构
则通常称为框架。

由于梁和柱是刚性节点，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。

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

同时，倾斜的横梁使建筑形成折线形，建筑外轮廓富于变化。

2.2刚架结构的形式
刚架结构按其结构组成和构造的不同，可以分为无铰刚架、两铰刚架和三铰刚架等三种形式。

按结构分类，有胶合木结构、钢结构、混凝土结构；按构件截面分类，可分为实腹式刚架、空腹式刚架、格构式刚架、等截面与变截面杆刚架；按建筑体型分类，有平顶、坡顶、拱顶、单跨与多跨刚架；从施工技术看，有预应力刚架和非预应力刚架等。

2.3刚架结构的建筑造型与布置
刚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，通常将刚架做成变断面的形式，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，所以刚架的立柱断面上大下小。

为了造型需要，立柱可做成里直外斜，或外直里斜。

刚架多采用预制装配，构件呈“Y”或“L”形，用这些构件可组成单跨、多跨、高低跨、悬挑跨等建筑外形。

屋脊一般在跨度正中间，形成对称式刚架，也可偏于一边，构成不对称式刚架。

单层刚架结构布局灵活，可以是平行布置、辐射状布置或以其他的方式排列，形成风格多变的建筑造型。

一般情况下，矩形平面建筑都采用等间距、等跨度的平行刚架布置方案。

对一些大型复杂建筑，有时也可采用刚架与其他结构或构件形成主次结构布置方案。

3桁架结构
3.1定义与特点
桁架结构是指由若干直杆在其两端用铰链连接而成的结构。

杆件与杆件的连接假定为铰结，在外力作用下的杆件内力为轴向力，而且分布均匀，故桁架结构比梁结构有更多更合理的优点：1扩大了梁式结构的适用跨度；2桁架结构可用各种材料制造，如钢筋混凝土、钢、木均可；3桁架是由杆件组成的，桁架体型可以多样化，如平行弦桁架、三角桁架、弧线桁架等形式；4施工方便，桁架可以整体制造后吊装，也可以在施工现场高空进行杆件拼装。

3.2桁架结构的形式
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、无斜腹杆式和三角拱式等各种形式。

3.3桁架结构的建筑造型
桁架结构在大跨度建筑中多用作屋顶的承重结构，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。

4网格结构
4.1．1网格结构定义与特点
由多根杆件按照某种规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构称之为网格结构，其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。

它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。

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，前者简称网架，后者简称网格，通常采用金属材料制作。

网格结构空间工作，传力途径简捷；重量轻、刚度大、抗震性能好；施工安装简便；网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率；网架的平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备；网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。

4.1. 2网格结构的形式
（1）平面桁架系组成的网架结构。

主要有：两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式。

（2）四角锥体组成的网架结构。

主要有：正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式。

（3）三角锥组成的网架结构。

主要有：三角锥网架、抽空三角锥网架（分Ⅰ型和Ⅱ型）、蜂窝形三角锥网架等型式。

（4）六角锥体组成的网架结构。

主要形式有：正六角锥网架。

4.2．1网壳结构的定义与特点
曲面形网格结构称为网壳结构，有单层网壳和双层网壳之分。

网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。

网壳结构兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理；结构的刚度大、跨越能力大；可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工厂预制；安装简便，不需大型机具设备，综合经济指标较好；造型丰富多彩，不论是建筑平面还是空间曲面外形，都可根据创作要求任意选取。

4.2. 2 网壳结构的形式
主要有球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。

4.3网架与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，二是结构的支承方式。

平板网架的屋顶一般是平屋顶，但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，平面则为圆形或其他形状。

5折板结构
5.1定义与特点
折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系。

折板结构通常用钢筋混凝土建造，也可用钢丝网水泥建造。

折板结构由折板和横隔构件组成，在跨度方向，折板如同一钢筋混凝土梁，强度随折板的矢高而增加。

横隔构件的作用是将折板在支座处牢固的结合在一起。

折板结构呈空间受力状态，具有良好的力学性能，结构厚度薄，省材料，可预制装配，省模板，构造简单。

折板结构可用来建造大跨度屋顶，也可用作外墙。

5.2折板结构形式
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与多跨之分；按结构断面形式分为三角形折板和梯形折板；按折板的构成情况，分为平行折板和扇形折板。

5.3折板结构的建筑造型
折板结构构造简单，可预制装配施工，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。

6薄壳结构
6.1定义与特点
建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构（学术上把满足t/R≤1/20的壳体定义为薄壳）。

壳体结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载。

壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，以材料直接受压来代替弯曲内力，从而充分发挥材料的潜力。

因此壳体结构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的结构形式。

6.2薄壳结构的形式
薄壳结构按曲面形成可分为旋转壳与移动壳；按建造材料分为钢筋混凝土薄壳、砖薄壳、钢薄壳和复合材料薄壳等。

6.3薄壳结构的建筑造型
通常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。

造型上独具特色，给人以新奇感，突出建筑物的个性。

薄壳建筑往往巧妙地运用交贯、切割、改变结构参数等方法，对一种或一种以上的薄壳形式加以重新组合，进行再创造，因而在建筑造型上有所突破和创新。

7悬索结构
7.1定义与特点
悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系，悬索屋盖结构通常由悬索系统，屋面系统和支撑系统三部分构成。

用于悬索结构的钢索大多采用由高强钢丝组成的平行钢丝束，钢绞线或钢缆绳等，也可采用圆钢、型钢、带钢或钢板等材料。

悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯距和剪力效应，可充分利用钢材的强度；悬索结构形式多样，布置灵活，并能适应多种建筑平面；由于钢索的自重很小，屋盖结构较轻，安装不需要大型起重设备，但悬索结构的分析设计理论与常规结构相比，比较复杂，限制了它的广泛应用。

7.2悬索结构的形式
悬索结构按索的布置方向和层数分为：单向单层悬索结构；辐射式单层悬索结构；双向单层悬索结构；单向双层预应力悬索结构；辐射式预应力悬索结构；双向双层预应力悬索结构；预应力索网结构等。

7.3悬索结构的建筑造型
以曲面图形为特征，自身特点主要表现在两个方面：一是悬索只能受拉不能受压，外形大多呈凹曲面，薄壳结构用钢筋混凝土建造组成，外形以拱曲面、抛物线曲面和球形曲面居多；二是悬索结构是由两种不同材料的构件组成，级钢索网和钢筋混凝土边缘构件，索网的曲面形式多样，边缘构件的形式各异，只要变动其中的一种，就能创造出与基本形式截然不同的造型。

8膜结构
8.1定义与特点
薄膜结构也称为织物结构，是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间
结构形式。

它以性能优良的柔软织物为材料，由膜内空气压力支承膜面，或利用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。

自重轻、跨度大；建筑造型自由丰富；施工方便；具有良好的经济性和较高的安全性；透光性和自结性好；耐久性较差。

8.2膜结构的形式
主要有空气支承膜结构；张拉式膜结构；骨架支承膜结构等形式。

8.3膜结构的建筑造型
1张拉膜结构只有在受拉绷紧的状态下才能保持结构的稳定，因此建筑物的形体全部由双曲面构成，形体随撑杆的数目和位置、索网牵引和锚固的方向、部位等因素而变化。

建筑造型灵活自由。

2骨架支承膜结构，膜材仅仅作为表面材料使用，起到维护和造型的作用。

因此设计、制作都较为简单，造价相对低，具有一定造型效果。

3空气支承膜结构兼有承重和维护双重功能，大大简化了建筑构造。

薄膜充气后均与受拉，能充分发挥材料的力学性质，省材料，薄膜本身就轻，可以覆盖巨大的空间。

此结构的造型美观，且能适应各种形状的平面。

薄膜材料的透明度高，即使跨度很大的建筑也可不设天窗而能满足采光要求。

9其他跨度结构
其他跨度结构还有组合网架结构、预应力网格结构、管桁结构、张弦梁结构等，前两者结构形式可视为网格结构的改进型。

下面仅讲后来者结构形式。

9.1管桁结构
管桁结构为平面或空间桁架，与一般的金属桁架的不同之处在于节点处采用杆件直接焊接的相贯节点连接。

管桁结构优点在于：节点形式简单，外形简洁流畅；施工简单，节省材料；有助于防锈与清洁。

9.2张弦梁结构
近年来发展起来的一种预应力大跨度结构，由承受弯矩和压力的上弦梁、拱或桁架，下弦拉索及连接两者的撑杆组成。

张弦梁结构的受力性能较好，外形简洁，富于表现力，多为建筑师所采用。

结束语
大跨度建筑在古代罗马已经出现，经过长时间的发展，进步有目共睹且仍在探索和追求。

在人类社会的发展历程中，能够提供更大跨度和空间的结构常常是人们追求的梦想和目标，空间结构的发展很大程度上反映了人类建筑史的发展。

空间结构设计应正确合理地运用不同的计算理论和程序方法进行精确的分析，同时在空间结构的形体设计中不能只注重美观，还必须注重结构受力的合理性和工程成本的等因素。

汤鹏 1108070009 2015.1.4。