大跨度建筑构造(史上最全面)详解
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第四章
大跨度建筑构造
本章内容 主要的大跨结构类型及造型特点 屋顶的构造处理要点 天窗设计要点
学习重点
各类型大跨结构的基本力学原理和特征
建筑造型与结构的有机结合。 尺度的概念 屋顶构造及天窗
大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国 家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设 计与施工规程》将60m以上定义为大跨度结 构，计算和构造均有特殊规定。我国目前最 大跨度做到340m，以钢索和膜材做成的索膜 结构最大已做到320m。
如何选择结构形式
——造型 ——空间利用的合理性 ——对内部装饰的影响
万神庙
穹顶直径达43.3米。顶 端高度也是43.3米。它中央 开一个直径8.9米的圆洞。结 构为混凝土浇筑，为了减轻 自重，厚墙上开有壁龛，龛 上有暗券承重，龛内置放神 像。神像外部造形简洁，内 部空间在圆形洞口射入的光 线映影之下宠伟壮观，富有 神秘感。
大跨度建筑构造----概论
界定：30M以上 我国现行钢结构规：60M 以上 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）
二、刚架结构及其造型
结构类型
——无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架
二、刚架结构及其造型
三、桁架结构及其造型
特点 结构类型 造型
桁架由以铰接三角形为单元
(空腹桁架是刚接四边形)、不承受垂直于杆轴的荷
载的杆件组成的格构体系
空腹桁架:桁架通常由上下弦杆和腹杆组成，普通桁架（称之为实腹桁架）的腹
上海体育馆
是国内大型的体育馆之一，一九七五年建
成使用。主馆呈圆形，高33米，屋顶网架 跨度直径110米，可容纳观众18000人。
英国千年穹
整个建筑采用帐篷结构，12根100米高的钢 桅杆直刺苍穹，张拉着直径365米，周长大于 1000米的穹面钢索网。光是钢索网就用了长达 43英里的钢缆。室内最高处为50多米，容积约 为240万立方米。屋面材料表面积10万平方米， 材料仅为1毫米厚的膜状材料，却坚韧无比。同 时它有卓越的透光性，可充分利用自然光。
——结构高度较大，需增强稳定性 桁架结构的建筑造型 用于屋顶的承重结构，可设计为单坡、双坡、单跨、多跨等外观 形状
三、桁架结构及其造型
类型
按构成
●三角形 ●拱形 ●梯形 72m 结构高度最低 1/5-1/2 ≤18m 受力最好 1/6-1/8 18-36m 60m （无斜腹杆） 15-30m 受力较好 ，制作方便 1/6-1/8 18-36m
日本大馆树海圆拱
日本秋叶台文化体育馆
日本东京穹顶
以棒球等体育运动的观看为目的，膜屋顶是用空气的压力所支撑的，并由绳索 来补强的结构，膜屋顶平面是边长为180米的正方形，空气膜结构有加压送风系统， 室内压力比外部气压高300Pa，保持增压状态。
大跨度结构形式可分为两大类
平面结构体系
——桁架 ——刚架 ——拱 ——…… （把结构构件本身作为独立的单 元来考虑）
二、刚架结构及其造型 受力特点 ： 刚结点（与排架结构对比）：大大减少梁的跨中弯距 在竖向荷载作用下能减少梁的跨中弯距 在水平作用下能减少柱内弯距 刚架结构轻巧，可以节省钢材和水泥 结构下部的空间增大 倾斜的横梁使建筑的外轮廓富于变化
特点 ——结构断面小，外形简洁，可暴露结构构件 ——门型刚架中部向上微翘有利于综合利用室内空间， 扩大净空高度 ——适用于40m跨度以内，动荷载不能太大（吊车≤10T， 远小于排架） 适用范围： 体育馆、礼堂、食堂、菜场等
网架 折板 薄壳 悬索
帐篷薄膜（张拉）
充气薄膜 悬挑（各种方式的应用 和组合）
一、拱结构及其造型
特点 结构类型 影响造型的因素
一、拱结构及其造型
特点
——轴向受压（无弯距、只要求材料的受压性能好，可以很薄。相同 截面高的拱与梁，由于前者的曲面作用，跨度相差n倍） ——有横向侧推力
杆由斜腹杆和（竖）直腹杆组成，但往往建筑师不希望出现斜腹杆影响其造型 和采光，那么去掉斜腹杆以后剩下由直腹杆和上下弦杆组成的桁架即为空腹桁 架。
三、桁架结构及其造型
特点
——格构形，全部节点均为铰接，每一杆件受力均为轴向力。 ——受力时考虑施于节点，可避免使杆件受弯。
优点 ——①省材②受力明确③自重轻，可跨越较大空间④便于安装运 输缺点
按材料
●钢 ●钢筋混凝土 ●木 ——特殊环境（相对湿度大于75%或有腐蚀性介质时） 不宜钢、木材料，只宜预应力钢筋混凝土材料。 适宜36m以上跨度，自重轻 适宜36m以下跨度
三、桁架结构及其造型
一、拱结构及其造型
结构类型
——无铰拱、两铰拱、三铰拱 ——木、钢、钢筋混凝土 ——实腹、空腹
一、拱结构及其造型
影响造型的因素
——矢高f（1/5-1/7 不小于1/10） ——平衡水平侧推力的方式（见下图） 由拉杆承受拱推力的建筑造型 由框架结构承受拱推力的建筑造型 由基础承受拱推力的建筑造型 ——屋面材料的类型（如油毡f不小于1/8）
实例
二、刚架结构及其造型
特点 结构类型 影响造型的因素
刚架结构是由梁和柱组成的结构，各杆件主要受弯。刚架的梁和 柱结点主要是刚结点，也可以有部分铰结点或组合结点。
排架的结构:排架由屋架（或屋面梁）、柱和基础组成，柱与 屋架铰接，与基础刚接。是单层厂房结构的基本结构形式。 排架结构：顾名思义，一排一排的。主要用于单层厂房，由 屋架、柱子和基础构成横向平面排架，是厂房的主要承重体 系，再通过屋面板、吊车梁、支撑等纵向构件将平面排架联 结起来，构成整体的空间结构。
空间结构体系
——网架 ——折板 ——薄壳 ——悬索 ——…… （把结构的所有组成构件协同起 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）
十种常用的大跨度结构形式
拱
刚架
桁架
大跨度建筑构造
本章内容 主要的大跨结构类型及造型特点 屋顶的构造处理要点 天窗设计要点
学习重点
各类型大跨结构的基本力学原理和特征
建筑造型与结构的有机结合。 尺度的概念 屋顶构造及天窗
大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国 家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设 计与施工规程》将60m以上定义为大跨度结 构，计算和构造均有特殊规定。我国目前最 大跨度做到340m，以钢索和膜材做成的索膜 结构最大已做到320m。
如何选择结构形式
——造型 ——空间利用的合理性 ——对内部装饰的影响
万神庙
穹顶直径达43.3米。顶 端高度也是43.3米。它中央 开一个直径8.9米的圆洞。结 构为混凝土浇筑，为了减轻 自重，厚墙上开有壁龛，龛 上有暗券承重，龛内置放神 像。神像外部造形简洁，内 部空间在圆形洞口射入的光 线映影之下宠伟壮观，富有 神秘感。
大跨度建筑构造----概论
界定：30M以上 我国现行钢结构规：60M 以上 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）
二、刚架结构及其造型
结构类型
——无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架
二、刚架结构及其造型
三、桁架结构及其造型
特点 结构类型 造型
桁架由以铰接三角形为单元
(空腹桁架是刚接四边形)、不承受垂直于杆轴的荷
载的杆件组成的格构体系
空腹桁架:桁架通常由上下弦杆和腹杆组成，普通桁架（称之为实腹桁架）的腹
上海体育馆
是国内大型的体育馆之一，一九七五年建
成使用。主馆呈圆形，高33米，屋顶网架 跨度直径110米，可容纳观众18000人。
英国千年穹
整个建筑采用帐篷结构，12根100米高的钢 桅杆直刺苍穹，张拉着直径365米，周长大于 1000米的穹面钢索网。光是钢索网就用了长达 43英里的钢缆。室内最高处为50多米，容积约 为240万立方米。屋面材料表面积10万平方米， 材料仅为1毫米厚的膜状材料，却坚韧无比。同 时它有卓越的透光性，可充分利用自然光。
——结构高度较大，需增强稳定性 桁架结构的建筑造型 用于屋顶的承重结构，可设计为单坡、双坡、单跨、多跨等外观 形状
三、桁架结构及其造型
类型
按构成
●三角形 ●拱形 ●梯形 72m 结构高度最低 1/5-1/2 ≤18m 受力最好 1/6-1/8 18-36m 60m （无斜腹杆） 15-30m 受力较好 ，制作方便 1/6-1/8 18-36m
日本大馆树海圆拱
日本秋叶台文化体育馆
日本东京穹顶
以棒球等体育运动的观看为目的，膜屋顶是用空气的压力所支撑的，并由绳索 来补强的结构，膜屋顶平面是边长为180米的正方形，空气膜结构有加压送风系统， 室内压力比外部气压高300Pa，保持增压状态。
大跨度结构形式可分为两大类
平面结构体系
——桁架 ——刚架 ——拱 ——…… （把结构构件本身作为独立的单 元来考虑）
二、刚架结构及其造型 受力特点 ： 刚结点（与排架结构对比）：大大减少梁的跨中弯距 在竖向荷载作用下能减少梁的跨中弯距 在水平作用下能减少柱内弯距 刚架结构轻巧，可以节省钢材和水泥 结构下部的空间增大 倾斜的横梁使建筑的外轮廓富于变化
特点 ——结构断面小，外形简洁，可暴露结构构件 ——门型刚架中部向上微翘有利于综合利用室内空间， 扩大净空高度 ——适用于40m跨度以内，动荷载不能太大（吊车≤10T， 远小于排架） 适用范围： 体育馆、礼堂、食堂、菜场等
网架 折板 薄壳 悬索
帐篷薄膜（张拉）
充气薄膜 悬挑（各种方式的应用 和组合）
一、拱结构及其造型
特点 结构类型 影响造型的因素
一、拱结构及其造型
特点
——轴向受压（无弯距、只要求材料的受压性能好，可以很薄。相同 截面高的拱与梁，由于前者的曲面作用，跨度相差n倍） ——有横向侧推力
杆由斜腹杆和（竖）直腹杆组成，但往往建筑师不希望出现斜腹杆影响其造型 和采光，那么去掉斜腹杆以后剩下由直腹杆和上下弦杆组成的桁架即为空腹桁 架。
三、桁架结构及其造型
特点
——格构形，全部节点均为铰接，每一杆件受力均为轴向力。 ——受力时考虑施于节点，可避免使杆件受弯。
优点 ——①省材②受力明确③自重轻，可跨越较大空间④便于安装运 输缺点
按材料
●钢 ●钢筋混凝土 ●木 ——特殊环境（相对湿度大于75%或有腐蚀性介质时） 不宜钢、木材料，只宜预应力钢筋混凝土材料。 适宜36m以上跨度，自重轻 适宜36m以下跨度
三、桁架结构及其造型
一、拱结构及其造型
结构类型
——无铰拱、两铰拱、三铰拱 ——木、钢、钢筋混凝土 ——实腹、空腹
一、拱结构及其造型
影响造型的因素
——矢高f（1/5-1/7 不小于1/10） ——平衡水平侧推力的方式（见下图） 由拉杆承受拱推力的建筑造型 由框架结构承受拱推力的建筑造型 由基础承受拱推力的建筑造型 ——屋面材料的类型（如油毡f不小于1/8）
实例
二、刚架结构及其造型
特点 结构类型 影响造型的因素
刚架结构是由梁和柱组成的结构，各杆件主要受弯。刚架的梁和 柱结点主要是刚结点，也可以有部分铰结点或组合结点。
排架的结构:排架由屋架（或屋面梁）、柱和基础组成，柱与 屋架铰接，与基础刚接。是单层厂房结构的基本结构形式。 排架结构：顾名思义，一排一排的。主要用于单层厂房，由 屋架、柱子和基础构成横向平面排架，是厂房的主要承重体 系，再通过屋面板、吊车梁、支撑等纵向构件将平面排架联 结起来，构成整体的空间结构。
空间结构体系
——网架 ——折板 ——薄壳 ——悬索 ——…… （把结构的所有组成构件协同起 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）
十种常用的大跨度结构形式
拱
刚架
桁架