大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

1、 凡是建筑結(jié)構(gòu)的形體成三維空間性狀，在荷載作凡是建筑結(jié)構(gòu)的形體成三維空間性狀，在荷載作用下具有三維受力特性、呈立體工作狀態(tài)的結(jié)構(gòu)用下具有三維受力特性、呈立體工作狀態(tài)的結(jié)構(gòu)稱為空間結(jié)構(gòu)。稱為空間結(jié)構(gòu)。日常生活中空間結(jié)構(gòu)的例子，如草帽、折扇、簸日常生活中空間結(jié)構(gòu)的例子，如草帽、折扇、簸箕、笸籮等。觀察自然界我們會發(fā)現(xiàn)許多空間結(jié)箕、笸籮等。觀察自然界我們會發(fā)現(xiàn)許多空間結(jié)構(gòu)，如蛋殼、烏龜殼、蚌殼、花生殼各種植物種構(gòu)，如蛋殼、烏龜殼、蚌殼、花生殼各種植物種子的外殼等，適合于各自的大自然環(huán)境，是一種子的外殼等，適合于各自的大自然環(huán)境，是一種受力性能很好的空間結(jié)構(gòu)受力性能很好的空間結(jié)構(gòu)( (薄殼結(jié)構(gòu)薄殼結(jié)構(gòu)

2、) )；蜂窩也是；蜂窩也是空間結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)( (空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)) )；蜘蛛網(wǎng)屬于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)；蜘蛛網(wǎng)屬于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)；肥皂泡是典型的空間結(jié)構(gòu)肥皂泡是典型的空間結(jié)構(gòu)( (充氣薄膜結(jié)構(gòu)充氣薄膜結(jié)構(gòu)) )。 圖 平板網(wǎng)架屋蓋圖 空間網(wǎng)殼圓屋頂（a）網(wǎng)架結(jié)構(gòu) （b）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 圖1.2 空間結(jié)構(gòu)高次超靜定，三向受力高次超靜定，三向受力，非線性，大變形。非線性，大變形。平面結(jié)構(gòu)：梁、屋架、框架、剛架、拱； 單向受力，計(jì)算理論成熟；（1）自重輕，經(jīng)濟(jì)性好。目前大部分空間結(jié)構(gòu)都采用鋼材、膜）自重輕，經(jīng)濟(jì)性好。目前大部分空間結(jié)構(gòu)都采用鋼材、膜材等制作，輕質(zhì)高強(qiáng)材料的運(yùn)用使結(jié)構(gòu)自重大大減輕。材等制作，輕質(zhì)高強(qiáng)材

3、料的運(yùn)用使結(jié)構(gòu)自重大大減輕。（2）剛度好，抗震性能好。由于空間結(jié)構(gòu)具有三維受力特性，）剛度好，抗震性能好。由于空間結(jié)構(gòu)具有三維受力特性，內(nèi)力均勻，對集中荷載的分散性較強(qiáng)，所以能很好的承受不對內(nèi)力均勻，對集中荷載的分散性較強(qiáng)，所以能很好的承受不對稱荷載或較大的集中荷載，整體剛度大。稱荷載或較大的集中荷載，整體剛度大。 （3）便于工業(yè)化生產(chǎn)?？臻g結(jié)構(gòu)的構(gòu)件通常在工廠中制作，）便于工業(yè)化生產(chǎn)。空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)件通常在工廠中制作，在工地上可以很快地安裝起來。在工地上可以很快地安裝起來。 （4）形式多樣化，造型美觀。空間結(jié)構(gòu)的形式豐富多彩，千）形式多樣化，造型美觀?？臻g結(jié)構(gòu)的形式豐富多彩，千變?nèi)f化，個(gè)性鮮明

4、，為建筑師的自由建筑創(chuàng)作提供了廣闊的想變?nèi)f化，個(gè)性鮮明，為建筑師的自由建筑創(chuàng)作提供了廣闊的想象空間。象空間。目前大跨度結(jié)構(gòu)的建造和所采用的技術(shù)已成為衡目前大跨度結(jié)構(gòu)的建造和所采用的技術(shù)已成為衡量一個(gè)國家建筑水平的重要標(biāo)志，許多宏偉而富有特色的大跨量一個(gè)國家建筑水平的重要標(biāo)志，許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當(dāng)?shù)氐南笳餍詷?biāo)志和著名的人文景觀。度建筑已成為當(dāng)?shù)氐南笳餍詷?biāo)志和著名的人文景觀。成為成為 標(biāo)志標(biāo)志性建筑性建筑；（5）建筑、結(jié)構(gòu)和使用功能的統(tǒng)一。建筑、結(jié)構(gòu)和使用功能的統(tǒng)一。 （1）剛性空間結(jié)構(gòu)剛性空間結(jié)構(gòu)體系是指剛性構(gòu)件構(gòu)成的具有很好剛度的空間結(jié)構(gòu)體系。包括薄殼結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及立

5、體桁架結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土薄殼在施工中耗用模板及腳手架較多，所需勞動量較大，費(fèi)用高，高空澆筑或吊裝費(fèi)工費(fèi)時(shí)。因此，薄殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用近年來有所減少。 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)根據(jù)外形分為兩大類，一類稱為網(wǎng)架，其外形呈平板狀（圖1.2a）；另一類稱為網(wǎng)殼，其外形呈曲面狀 （圖1.2b） 。立體桁架結(jié)構(gòu)是以鋼管通過焊接有機(jī)連接而成的一種空間結(jié)構(gòu)（圖1.3）。立體桁架結(jié)構(gòu)是在網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相比具有獨(dú)特的優(yōu)越性和實(shí)用性。該結(jié)構(gòu)省去一些縱向弦桿和球節(jié)點(diǎn)，并具有簡明的結(jié)構(gòu)傳力方式，可滿足各種不同的建筑形式的要求，尤其是構(gòu)筑圓拱和任意曲線形狀更有優(yōu)勢。 1、按空間結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)來劃分（a）南

6、京會展中心（b）沈陽奧體中心圖1.3 立體桁架結(jié)構(gòu)（2）柔性空間結(jié)構(gòu) 柔性空間結(jié)構(gòu)體系是指由柔性構(gòu)件構(gòu)成，如鋼索、薄膜等，通過施加預(yù)應(yīng)力而形成的具有一定剛度的空間結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)的形體由體系內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力來決定。包括懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和張拉整體結(jié)構(gòu)等。（3）雜交結(jié)構(gòu)體系 將幾種不同類型的結(jié)構(gòu)體系組合成為一種新的結(jié)構(gòu)體系。 雜交體系按照其組合方式的不同可分為以下三類：第一類為剛性結(jié)構(gòu)體系之間的組合，如組合網(wǎng)架、組合網(wǎng)殼、拱支網(wǎng)殼等；第二類為柔性結(jié)構(gòu)體系與剛性結(jié)構(gòu)體系的組合，屬于半剛性結(jié)構(gòu)，這種又可分為斜拉結(jié)構(gòu)、拉索預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)、支承膜結(jié)構(gòu)等。第三類為柔性體系之間的組合，如柔性拉索與索網(wǎng)的雜交，

7、柔性拉索與膜材之間的組合形成的索-膜結(jié)構(gòu)。 雜交結(jié)構(gòu)雜交結(jié)構(gòu)懸索、索膜、張拉懸索、索膜、張拉 受拉為主，高強(qiáng)材料受拉為主，高強(qiáng)材料幾何非線性結(jié)構(gòu)幾何非線性結(jié)構(gòu)混合混合體系體系：受壓受壓剛剛性，性，受拉柔性；受拉柔性；張弦桁架，預(yù)應(yīng)力索拱。張弦桁架，預(yù)應(yīng)力索拱。2、按單元?jiǎng)澐?將組成空間結(jié)構(gòu)的基本單元?dú)w納為五種，即板殼單元、梁單元、桿單元、索單元和膜單元。一種單元或多種單元集合便構(gòu)成各種各樣具體形式的空間結(jié)構(gòu)，見圖表1。如網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，單層網(wǎng)殼由梁單元組成，而雙層網(wǎng)殼由桿單元組成，這樣單雙層網(wǎng)殼分屬于兩種不同的結(jié)構(gòu)。另外，這種劃分對尚未出現(xiàn)的新結(jié)構(gòu)形式留有較大空間。 單元形式 結(jié)構(gòu)形式I 板殼單元

8、薄殼結(jié)構(gòu)折板結(jié)構(gòu)波紋拱結(jié)構(gòu)I帶肋薄殼帶肋折板I+II懸掛薄殼I+IVII梁單元單層網(wǎng)殼空腹網(wǎng)架空腹網(wǎng)殼樹狀結(jié)構(gòu)II組合網(wǎng)殼空腹夾層板II+I局部雙層網(wǎng)殼II+III張弦梁結(jié)構(gòu)拱支網(wǎng)殼II+III+IVIII桿單元網(wǎng)架結(jié)構(gòu)雙層網(wǎng)殼立體桁架III張弦立體桁架斜拉網(wǎng)架（殼）拉索預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架（殼）III+IV組合網(wǎng)架III+I+IIIV索單元懸索結(jié)構(gòu)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)IV拉索網(wǎng)架索桁結(jié)構(gòu)懸索-桁架結(jié)構(gòu)張拉整體結(jié)構(gòu)IV+III索穹頂結(jié)構(gòu)IV+III+VV膜單元?dú)獬惺侥そY(jié)構(gòu)氣肋式膜結(jié)構(gòu)V骨架支承膜結(jié)構(gòu)V+II(或III)張拉膜結(jié)構(gòu)V+III+IV表1 空間結(jié)構(gòu)分類圣彼得大教堂 羅馬萬神廟古代空間結(jié)構(gòu) 悉尼歌劇院北京火

9、車站屋面采用鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu) 當(dāng)代空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展 首都體育館首都體育館，矩形平板網(wǎng)架，矩形平板網(wǎng)架, , 19671967，122996m，平行弦桁架，用鋼量，平行弦桁架，用鋼量65kg/m2；1973，圓形平面，110m6m，平行弦桁架，用鋼量47kg/m2，這樣萬人級的體育館仍是大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的佼佼者。 上海體育館153+153m90m，采用三層斜放四角錐網(wǎng)架，焊接球節(jié)點(diǎn)平板網(wǎng)架，其跨度規(guī)模之大，在國際上是數(shù)一數(shù)二的，這是我國在鋼結(jié)構(gòu)方面的又一大殊榮。機(jī)場的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋由于建筑上的要求比較高，更是絢麗多彩。 首都機(jī)場四機(jī)位機(jī)庫 1994年建成的，放射狀布置的正放四角錐雙層球形網(wǎng)殼，直徑有

10、108m，網(wǎng)殼厚度為3m； 平面為三角形，邊長99.7m，屋蓋由三片四邊形的雙曲拋物面雙層網(wǎng)殼組成，支承在三叉形格構(gòu)式剛架和鋼筋混凝土邊梁上，1989年建成 北京石景山體育館天津市體育館空腹桁架橢球殼體結(jié)構(gòu)空腹桁架橢球殼體結(jié)構(gòu)，長軸長軸211.9211.9m m，短軸短軸143.2143.2m m，高高45.245.2m m國家大劇院國家大劇院2008 奧運(yùn)會老山自行車賽館位于北京石景山區(qū)老山街，結(jié)構(gòu)跨度149.536m，矢高14.69m，矢跨比約為1/10網(wǎng)殼支承于傾斜人字形鋼柱及柱頂環(huán)形桁架之上，柱頂支承跨度為133.06m網(wǎng)格尺寸約4m，網(wǎng)殼厚度2.8m，為跨度的1/47.5，屋蓋以金屬

11、屋面板為主，中部設(shè)玻璃采光帶該網(wǎng)殼為目前我國跨度最大的雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。老山自行車館采用雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)新奧爾良超級穹新奧爾良超級穹 D=205m 1975D=205m 1975建成建成 球面網(wǎng)殼球面網(wǎng)殼 圓形建筑的直徑為229.6m，支承在看臺框架柱頂?shù)奈萆w直徑則有187.2m,采用邊長約10m的鋼管構(gòu)成的三向網(wǎng)格，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有六根桿件相交，采用直徑為1.45m的加肋圓環(huán)，鋼管桿件與圓環(huán)焊接,成為能承受軸向力與彎矩的剛性節(jié)點(diǎn) 日本名古屋單層網(wǎng)殼北京北京工人體育館工人體育館D=94m D=94m , , 19611961直徑94m的車輻式雙曲面雙層懸索，主要由雙層索、中心鋼環(huán)（承受拉索作用下

12、產(chǎn)生的環(huán)向拉力）和周邊的混凝土環(huán)梁（承受軸壓力）三部分組成。 19671967年建成的，年建成的，橢圓平面橢圓平面馬鞍形馬鞍形雙曲拋物面正交雙曲拋物面正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，長徑，長徑80m80m，短徑，短徑60m60m。 浙江省人民體育館浙江省人民體育館黑龍江黑龍江滑冰館滑冰館, ,L=86L=86m m雙層懸索雙層懸索, , 19961996主體結(jié)構(gòu)采用由中央圓柱面與兩端半圓球面組成的雙層網(wǎng)殼，其輪廓尺寸為86.2m191.2m，支承在下部三角形框架上，覆蓋了200m速滑跑道。 為舉辦第六屆冬運(yùn)會省滑冰館建筑面積為8622平方米，擁有觀眾坐席2600個(gè)，是可供冰球、花樣滑冰、短道速度滑冰訓(xùn)練

13、和比賽的國際性標(biāo)準(zhǔn)場地。2007亞冬會冰球比賽將在吉林省滑冰館舉行。場內(nèi)設(shè)有運(yùn)動員、裁判員休息室、官員室、仲裁室、醫(yī)療急救室、興奮劑檢測室。音響、燈光、電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)采用世界先進(jìn)設(shè)備。吉林省滑冰館吉林省滑冰館雙層懸索雙層懸索, 59m77m ，1986浦東國際機(jī)場浦東國際機(jī)場：張弦桁架結(jié)構(gòu)張弦桁架結(jié)構(gòu)世界上第一座現(xiàn)代懸索結(jié)構(gòu)是1953年建成體育館屋蓋，采用以兩個(gè)斜放的拋物線拱為邊緣構(gòu)件的馬鞍形正交索網(wǎng)，其平面尺寸92m97m。該索網(wǎng)被公認(rèn)為第一個(gè)具有現(xiàn)代意義的大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)。 北卡羅來納州雷里（ Releigh）為1988年第十五屆冬季奧運(yùn)會修建于，容納觀眾19300席。屋蓋平面形狀為與圓很

14、接近的橢圓形，長軸135.3m，短軸129.4m。采用單層雙曲拋物面索網(wǎng)屋蓋，其圓形平面直徑135m，邊緣構(gòu)件采用弧形混凝土結(jié)構(gòu)形成巨大的環(huán)梁。 加拿大卡爾加里滑冰館1983年建成日本東京代代木體育館日本東京代代木體育館 鞍形索網(wǎng)懸掛在兩個(gè)塔柱上的兩條中央懸索及分列兩側(cè)的兩片鞍形索網(wǎng)是屋蓋結(jié)構(gòu)的主要組成部分。高聳的塔柱、下垂的主懸索和流暢的兩片鞍形曲面組成了雄偉別致的建筑物 造型獨(dú)特新穎，象一只待飛的飛行器。體育場看臺主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土斜向框架。看臺上空設(shè)一大型輕質(zhì)罩蓬，采用膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其外緣水平投影呈近似橢圓形，輪廓尺寸236m209m，內(nèi)環(huán)尺寸205m143m，罩蓬覆蓋面積約25000

15、m2。罩蓬由44座傘型膜結(jié)構(gòu)單元連接而成，各傘形膜結(jié)構(gòu)單元由膜、桅桿、前脊索、后脊索及谷索組成。膜面采用聚氯乙烯涂層的聚酯纖維膜材，外加PVDF面層，其特點(diǎn)為白色、自重輕、經(jīng)濟(jì)性好、自潔性好、耐久性好、有一定透明度。 1997建成的威海體育中心1997年建成的馬鞍形看臺挑蓬，采用懸挑鋼桁架覆以傘形膜材, 馬鞍形屋蓋平面投影尺寸為288.4m274.4m。由64榀徑向懸挑桁架和環(huán)向次桁架組成的空間結(jié)構(gòu)作為骨架，最大懸挑長度73.5m。屋面共有57個(gè)由8根拉索和一根立柱覆以膜材組成的傘狀單體，膜的覆蓋面積2.89萬平方米，是中國的第一個(gè)大跨度膜結(jié)構(gòu),雖然其技術(shù)與材料主要還依靠國外,但對中國膜結(jié)構(gòu)的

16、發(fā)展必然將起重大推動作用。 上海八萬人體育場 佛山世紀(jì)蓮新穎輕巧的張拉膜結(jié)構(gòu)形式象一朵盛開的蓮花，是佛山市的標(biāo)志性建筑。青島頤中體育場我國第一個(gè)自行設(shè)計(jì)和安裝、采用整體張拉式索膜結(jié)構(gòu)體育場工程 。美國館 富士館 以16個(gè)輪胎狀的半圓形筒體組成50m直徑的圓頂，每個(gè)筒體直徑為4m，長78m，這一布置使房屋兩個(gè)頂端向前突出7m，管子上每隔4m有一根50cm寬的水平帶把它們環(huán)箍在一起。中間的拱是半圓形的，其他各拱的矢高隨著拱腳愈來愈近而愈來愈高。兩端各有寬10m的開口作為出入口。 世界上第一個(gè)大跨度的氣承式膜結(jié)構(gòu)。 “鳥巢”我國為2008年奧運(yùn)會修建的國家體育場游泳中心，是國內(nèi)首次采用膜結(jié)構(gòu)建設(shè)的國

17、際上面積最大、功能要求最復(fù)雜、技術(shù)難度最大的膜結(jié)構(gòu)體系。采用乙烯四氟乙烯共聚物（ETFE）的膜材，該材料具有質(zhì)量輕、韌性好、耐候性好、透光性好特點(diǎn)，每天平均有近10個(gè)小時(shí)的自然光照明，可大大節(jié)省能源。 游泳中心水立方1996年在美國亞特蘭大舉行的奧運(yùn)會主館年在美國亞特蘭大舉行的奧運(yùn)會主館 佐治亞穹頂佐治亞穹頂 ，橢橢圓形索膜結(jié)構(gòu)（圓形索膜結(jié)構(gòu)（235m 186m） 張拉索膜張拉索膜 1999年建成，年建成， 張拉索膜張拉索膜結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) ，穹頂周長，穹頂周長1km，直徑，直徑365m，中心高度，中心高度50m，它由，它由超過超過70km的鋼索懸吊在的鋼索懸吊在12根根100m高的鋼桅桿上，是當(dāng)今高

18、的鋼桅桿上，是當(dāng)今世界上跨度最大的屋蓋結(jié)構(gòu)。世界上跨度最大的屋蓋結(jié)構(gòu)。 格林威治千禧頂格林威治千禧頂柏林機(jī)庫：柏林機(jī)庫：363m363m長，長，225225m m跨跨, ,107107m m高，高，20002000，鋼拱架，膜屋面，鋼拱架，膜屋面L=205m 1989 L=205m 1989 拋物線網(wǎng)殼，可開啟拋物線網(wǎng)殼，可開啟多多倫倫多多天天空空穹穹頂頂倉倉儲儲（72m72m剛架剛架）、煤棚、機(jī)庫；）、煤棚、機(jī)庫；工業(yè)廠房：工業(yè)廠房：190190420420m m 網(wǎng)架網(wǎng)架；體育場館體育場館、娛樂中心、娛樂中心；展覽，會議廳，影劇院展覽，會議廳，影劇院；車站、航空港車站、航空港；超市、商場超

19、市、商場。大跨建設(shè)高潮：大跨建設(shè)高潮：機(jī)場、會展中心、體育館機(jī)場、會展中心、體育館奧運(yùn)場館、世博館奧運(yùn)場館、世博館(1)社會社會需求：巨型場所，人工環(huán)需求：巨型場所，人工環(huán)境，然境觀保護(hù)境，然境觀保護(hù)；(2)高強(qiáng)輕質(zhì)材料：復(fù)合材料，碳高強(qiáng)輕質(zhì)材料：復(fù)合材料，碳纖維，有機(jī)材料，非金屬；纖維，有機(jī)材料，非金屬；(3)新結(jié)構(gòu)形態(tài)新結(jié)構(gòu)形態(tài)：雜交結(jié)構(gòu)雜交結(jié)構(gòu)，可開可開閉結(jié)構(gòu)閉結(jié)構(gòu),多種體系混合；建筑結(jié)多種體系混合；建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)“另類另類”化化， “新新建筑結(jié)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)”， 仿生學(xué)仿生學(xué)(4)非線性計(jì)算理論非線性計(jì)算理論：高效算法高效算法，非線性，大變形，地震，非線性，大變形，地震，風(fēng)振，風(fēng)振，顫振顫振；

20、（5 5）設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分析計(jì)算工作量大：結(jié)構(gòu)大，節(jié)點(diǎn)和桿件多分析計(jì)算工作量大：結(jié)構(gòu)大，節(jié)點(diǎn)和桿件多；高次超靜定，整體穩(wěn)定和幾何非線性分析復(fù)雜；高次超靜定，整體穩(wěn)定和幾何非線性分析復(fù)雜；構(gòu)造復(fù)雜：考慮制造、運(yùn)輸、拼裝、安裝等因素構(gòu)造復(fù)雜：考慮制造、運(yùn)輸、拼裝、安裝等因素；高高新技術(shù)新技術(shù)： 新新材料材料、新新安裝工藝、機(jī)械和測控技術(shù)。安裝工藝、機(jī)械和測控技術(shù)。（6 6）施工施工制造：尺寸準(zhǔn)確，控制積累誤差，試拼裝，降低殘余應(yīng)制造：尺寸準(zhǔn)確，控制積累誤差，試拼裝，降低殘余應(yīng)力和初始應(yīng)力；力和初始應(yīng)力；運(yùn)輸：交通工具，限制尺寸，保證側(cè)向剛度；運(yùn)輸：交通工具，限制尺寸，保證側(cè)向剛度；安裝：拼裝次序合理，吊裝驗(yàn)算，防止傾覆。安裝：拼裝次序合理，吊