大跨度建筑結構形式與建筑造型實例

建筑構造作業(yè)大跨度建筑結構形式與建筑造型實例分析學號：20110511班級：建筑111建筑的三個最基本要素包括強度、適用和美觀。適用是指該建筑的實用功能，即建筑可提供的空間要滿足建筑的使用要求，這是建筑最基本的特性；美觀是建筑物能使那些接觸它的人產(chǎn)生一種美學享受，這種效果可能是由一種或多種原因產(chǎn)生，其中也包括了建筑形成的象征意義，形狀、花紋和色彩的美學特征；強度是建筑的最基本特征，它關系到建筑物保存的完整性和作為一個物體在自然界的生存能力，滿足“強度”所需要的建筑物部分是結構，結構是建筑物的基礎，沒有結構就沒有建筑物，也不存在適用，更不可能有美觀。大跨空間結構是目前發(fā)展最快的結構類型。為了滿足社會生活和居住的需要，人們需要更大的覆蓋空間，如大型的集會場、體育館、飛機庫等、跨度要求很大，達幾百米或者更大，這是就需要大跨度結構。大跨度建筑通常指跨度在30米以上的建筑。大跨度建筑及作為其核心的空間結構技術的發(fā)展狀況是代表一個國家建筑科技水平的重要標志之一。而大跨度結構的表現(xiàn)形式是多種多樣的。對于建筑師及工程師們而言，大跨度建筑提供了一種既方便又經(jīng)濟的覆蓋大面積空間的方法，尤其在大跨度建筑中，結構選型是制約建筑空間形式的造型的重要因素。大跨空間結構的類型和形式十分豐富多彩，習慣上分為如下這些類型：鋼架、桁架結構、拱結構、殼體結構、折板結構、網(wǎng)架結構、網(wǎng)殼結構、懸索結構、張弦梁結構和索－膜結構。大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑，我國現(xiàn)行鋼結構規(guī)范則規(guī)定跨度60m以上結構為大跨度結構。主要用于民用建筑的影劇院、體育場館、展覽館、大會堂、航空港以及其他大型公共建筑。在工業(yè)建筑中則主要用于飛機裝配車間、飛機庫和其他大跨度廠房。大跨度建筑在古代羅馬已經(jīng)出現(xiàn)，如公元120到124年建成的羅馬萬神廟，成圓形平面，穹頂直徑達43.5m，用天然混凝土澆筑而成，是羅馬穹頂技術的光輝典范。羅馬萬神廟雖然大跨度建筑在古代羅馬已經(jīng)出現(xiàn)，但是大跨度建筑真正得到迅速發(fā)展還是在19世紀后半葉以后，特別是第二次世界大戰(zhàn)后的最近幾十年中。大跨建筑迅速發(fā)展的原因一方面是由于社會發(fā)展使建筑功能越來越復雜，需要建造高大的建筑空間來滿足群眾集會、舉辦大型的文藝體育表演、舉辦盛大的各種博覽會等；另一方面則是新材料、新結構、新技術的出現(xiàn)，促進了大跨度建筑的進步。一是需要，二是可能，兩者相輔相成，相互促進，缺一不可。19世紀后半葉以來，鋼結構和鋼筋混凝土結構在建筑上的廣泛應用，使大跨建筑有了很快的發(fā)展，特別是近幾十年來新品種的鋼材和水泥在強度方面有了很大的提高，各種輕質高強材料、新型化學材料、高效能防水材料、高效能絕熱材料的出現(xiàn)為建造各種新型的大跨度結構和各種造型新穎的大跨度建筑創(chuàng)造了更有利的物質技術條件。大跨度建筑常用結構形式；大跨度常用建筑結構根據(jù)結構形式，受力構件排列組合不同可分平面平面機構體系和空間結構體系兩大類，共有八種。它們是：平面結構體系有拱、剛架以及桁架?？臻g結構體系有網(wǎng)架、折板（薄殼）、懸索、膜結構以及混合結構。拱是古代大跨度建筑的主要結構形式。由于拱成曲面形狀，在外力作用下，拱內的彎矩可以降到最小限度，主要內力變?yōu)檩S向壓力，且應力分布均勻，能充分利用材料的強度，比同樣跨度的梁結構斷面小，故拱能跨越較大的空間。但是拱結構在承受荷載后將產(chǎn)生橫向推力，為了保持結構的穩(wěn)定性，必須設置寬厚堅固的拱腳支座抵抗橫推力。常見方式是在拱的兩側作兩道厚墻來支承拱，墻厚隨拱跨增大而加厚。很明顯，這會使建筑的平面空間組合受到約束。拱的內力主要是軸向壓力，結構材料應選用抗壓性能好的材料。古代建筑的拱主要采用磚石材料，近代建筑中，多采用鋼筋混凝土拱，有的采用鋼衍架拱，跨度可達百米以上。拱結構所形成的巨大空間常常用來建造商場、展覽館、體育館、散裝貨倉等建筑。拱結構按組成和支座方式不同分為三鉸拱，兩鉸拱和無鉸拱三種。拱結構的造型主要取決于矢高大小和平衡拱推力的方式。拱的矢高對建筑的外輪廓形象影響最大。矢高小的拱，外形起伏變化小，成扁平狀，結構占用的空間小，但水平推力和拱身軸力都偏大。而矢高大的拱，外形起伏變化強烈，產(chǎn)生的水平推力和軸向力都較小，但是拱身材料耗費量多，拱下形成的內部空間大，拱曲面坡度很陡。因為拱是一種有水平推力的結構，因此解決水平推力的方式不同，建筑的外形也會明顯的不同。因此解決拱產(chǎn)生水平推力的方式在很大程度上決定了拱結構大跨度建筑的建筑造型。剛架是橫梁和柱以整體連接方式構成的一種門形結構。由于梁和柱是剛性結點，在豎向荷載作用下，柱對梁有約束作用，因而能減少梁的跨中彎矩。同樣，在水平荷載作用下，梁對柱也有約束作用，能減少柱內的彎矩。剛架結構比屋架和柱組成的排架結構輕巧，可以節(jié)省鋼材和水泥。由于大多數(shù)剛架的橫梁是向上傾斜的，不但受力合理，且結構下部的空間增大，對某些要求高大空間的建筑特別有利。同時，傾斜的橫梁使建筑的屋頂形成折線形，建筑外輪廓富于變化。由于剛架結構受力合理，輕巧美觀，能跨越較大的跨度，制作又很方便，因而應用非常廣泛。一般用于體育館、禮堂、食堂、菜場等大空間的民用建筑，也可用于工業(yè)建筑，但剛架結構的剛度較差，當?shù)踯嚻鹬亓砍^100KN時不宜采用。鋼制剛架結構的玻璃暖房鋼架按結構組成和構造方式的不同，分為無鉸鋼架、兩鉸鋼架和三鉸鋼架。無鉸鋼架、兩鉸鋼架是超靜定結構，結構剛度較大，但當?shù)鼗鶙l件較差，發(fā)生不均勻沉降時，結構將產(chǎn)生附加內力。三鉸鋼架則屬于靜定結構，在地基產(chǎn)生不均勻沉降時，結構不會引起附加內力，但其剛度不如前兩者好。一般來說，三鉸鋼架多用于跨度較小的建筑，兩鉸和無鉸鋼架可用于跨度較大的建筑。鋼架結構常用鋼筋混凝土建造，為了節(jié)約材料和減輕結構自重，通常將鋼架做成斷面形式，柱梁相交處彎矩最大，斷面增大，鉸接點處彎矩為零，斷面最小，所以鋼架的立柱斷面呈上大下小。根據(jù)建筑造型需要，立柱可做成里直外斜，或外直里斜。鋼架多采用預制裝配，用這些構件可組成單跨、多跨、高低跨、懸挑跨等各式各樣的建筑外形。屋脊一般在跨度正中間，形成對稱式鋼架，也可偏于一邊，構成不對稱式鋼架。某一鋼架結構車站,椼架是由桿件組成的一種格構式結構體系。桿件與桿件的結合假定為鉸結，所以在外力作用下桿件內力為軸向力（拉力或壓力），而且分布均勻，故椼架結構比梁結構受力合理。椼架的桿件內力是軸向力，而梁的內力主要是彎矩，且分布不均勻，梁的斷面大小常以最大彎矩處的斷面尺寸為整個梁的斷面大小，因此梁的材料強度未得到充分利用。椼架內力分布均勻，材料強度能充分利用，減少材料耗量和結構自重，使結構跨度增大。所以椼架結構式大跨度建筑常用的一種結構形式，主要用于體育館、影劇院、展覽館、食堂、菜場、商場等公共建筑。為了使椼架的規(guī)格統(tǒng)一，有利于工業(yè)化施工，建筑的平面形式宜采用矩形或方形。桁架一般用木材、鋼材、鋼筋混凝土建造。桁架形式分為三角形、梯形、拱形、無腹桿式和三鉸拱式等各種形式。三角形桁架可用鋼、木或鋼筋混凝土制作。當跨度不超過18米時，構件內利較小，比較經(jīng)濟，僅適用于跨度不大于18米的建筑。梯形桁架可用鋼或鋼筋混凝土制作。常用跨度為18到36米，桁架矢高與跨度之比一般為1/8到1/6。梯形桁架的端部增大，降低了結構的穩(wěn)定性，增加了材料用量。拱形桁架的外形呈拋物線，與上弦的壓力線重合，桿件內力均勻，比梯形桁架材料耗量少。無腹桿桁架的上弦為拋物線形，猶如拱，主要承受軸向壓力，豎桿和下弦受拉力，結構用料經(jīng)濟，由于無腹桿，結構造型簡潔，便于制作，在桁架之間鋪管道和進行檢修工作均很方便，特別用于在桁架下弦有較多吊重的建筑。桁架選型考慮的因素是：綜合考慮建筑的功能要求、跨度和何在大小、材料供應和施工條件等因素。當跨度在36米以上時，為了減輕結構自重，宜選擇鋼桁架；跨度在36米以下時，一般可選用鋼筋混凝土桁架，有條件時最好選用預應力混凝土桁架；當桁架所處的環(huán)境相對濕度大于75%或有腐蝕性介質時，不宜選用木桁架和鋼桁架，而應選用預應力混凝土桁架。桁架結構在大跨度建筑中多用做屋頂?shù)某兄亟Y構，根據(jù)建筑的功能要求、材料供應和經(jīng)濟的合理性，可設計成單坡、雙坡、單跨、多跨等不同的外觀和形狀。網(wǎng)格是一種由很多桿件以一定規(guī)律組成的網(wǎng)狀結構。它具有下列優(yōu)點：桿件之間互相起支撐作用，形成多向受力的空間結構，故其整體性強、穩(wěn)定性好、空間剛度大，有利于抗震；當荷載作用于網(wǎng)架各節(jié)點上時，桿件主要承受軸向力，故能充分發(fā)揮材料的強度，節(jié)省材料；網(wǎng)架結構高度小，可以有效的利用空間；結構的桿件規(guī)格統(tǒng)一，有利于工廠化生產(chǎn)；網(wǎng)架形式多樣，可創(chuàng)造豐富多彩的建筑形式。網(wǎng)架結構主要用來建造大跨度公共建筑的屋頂，適用于多種平面形狀，如圓形、方形、三角形、多邊形等各種平面建筑。網(wǎng)格結構,網(wǎng)格結構按其外形分為平板網(wǎng)格結構和曲面網(wǎng)格結構兩類，前者稱為網(wǎng)架，后者稱為網(wǎng)殼，通常采用金屬材料制作。網(wǎng)架一般都是雙層的，也可做成多層的；網(wǎng)殼可以是單層的，也可以是雙層的。網(wǎng)架自身不產(chǎn)生推力，支座為簡支，構造比較簡單，可以適用于各種形狀的建筑平面，所以應用廣泛。網(wǎng)殼多數(shù)是有推力的結構，支座條件較復雜，但外形豐富，建筑造型多變。網(wǎng)架結構網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構的建筑造型：網(wǎng)格結構的建筑造型主要受兩個因素的影響：一是結構的形式，二是結構的支撐方式。平面網(wǎng)架的屋頂一般是平屋頂，但是建筑的平面形式可以多樣化。網(wǎng)殼的外形多變，如拱形網(wǎng)架的建筑外形呈拱曲面，但平面形式往往比較單一，多為矩形平面，穹形網(wǎng)殼的外形呈半球形或拋物面形等，平面則為圓形或其它形狀。網(wǎng)架及網(wǎng)殼的支承方式對建筑造型是一個很重要的影響因素。網(wǎng)架和網(wǎng)殼的下部支承或為墻、或為柱、或懸挑、或封閉、或開敞。應根據(jù)建筑的功能要求、跨度大小、受力情況、藝術構思等因素確定。當跨度不大時，網(wǎng)架可支承在四周圈梁上，圈梁則由墻或柱支承。這種支承方式對網(wǎng)架尺寸的劃分比較自由，網(wǎng)架手里均勻，門窗開設位置不受限制，建筑立面不受限制，建筑立面處理靈活。當跨度大時，網(wǎng)架宜直接支承與四周的立柱上。這種支承方式傳力直接，受力均勻，但柱網(wǎng)柱網(wǎng)尺寸要與網(wǎng)架的網(wǎng)格尺寸相一致，使網(wǎng)架節(jié)點正好處于柱頂位置。穹形網(wǎng)殼結構——國家大劇院折板結構由折板和橫隔構件組成，在波長方向，折板猶如一塊折疊起伏的鋼筋混凝土連續(xù)板，折板如同一鋼筋混凝土梁，其強度隨折板的矢高（f）而增加。橫隔構件的作用是將折板在支座處牢固地結合在一起，如果沒有它，折板會坍塌而破壞。橫隔構件可根據(jù)建筑造型需要來設計，如鋼筋混凝土橫隔板、橫隔梁等。折板的波長不宜太大，否則板太厚，不經(jīng)濟，一般不應大于12M。折板結構按波長數(shù)目的多少分為單波和多波折板；按結構跨度的數(shù)目有單跨和多跨之分；若按結構斷面形式分為三角形折板和梯形折板；若依折板的構成情況，又可分為平行折板和扇形折板。平行折板構造簡單，最常用。扇形折板一端的波長較小，另一端的波長較大，成放射狀，多用于梯形平面的建筑。由于折板結構構造簡單，又可預制裝配施工，故被廣泛用于工業(yè)與民用建筑，可用于矩形、方形、梯形、多邊形，圓形等平面。由折板結構建造的房屋，造型新穎，具有獨特的外觀。巴黎聯(lián)合國教科文組織會議大廳薄殼結構是用混凝土等剛性材料以各種曲面形式構成的薄板結構，呈空間受力狀態(tài)，主要承受曲面內的軸內力，而彎矩和扭矩很小，所以混凝土強度能得到充分利用。由于是空間結構，強度和剛度都非常好。薄殼厚度僅為其跨度的幾百分之一。而一般的平板結構厚度至少是跨度的幾十分之一。所以薄殼結構具有自重輕、省材料、跨度大、外形多樣的優(yōu)點，可用來覆蓋各種平面形狀的建筑物屋頂。但大多數(shù)薄殼結構的形體較復雜，多采用現(xiàn)澆施工，費工、費時、費模板，且結構計算較復雜，不宜承受集中荷載，這些缺點在一定程度上影響了它的推廣作用。薄殼結構形式很多，常用的有筒殼、圓頂殼、雙曲扁殼，鞍形殼等四種。每種形式的受力特點和產(chǎn)生的空間各有特點，應根據(jù)實際來設計。薄殼結構的建筑造型以各種幾何曲面圖形為基本特征，基本形式為圓筒形、圓球形、雙曲拋物面形。它與梁、板、架一類結構相比，在造型上獨具特色，容易給人以新奇感，突出建筑的個性。懸索用高強鋼絲做拉索，加上高強的邊緣構件以及下部的支承構件，使結構自重極大地減小，而跨度大大增加。除穩(wěn)定性相對較差外，是比較理想的大跨屋蓋結構形式。拉索顯示出柔韌的狀態(tài)，使得結構形式輕巧且具有動感。柔性的懸索在自然狀態(tài)下不僅沒有剛度，其形狀也是不確定的。必須采用敷設重屋面或施加預應力等措施，才能賦予一定的形狀，成為在外荷作用下具有必要剛度和形狀穩(wěn)定性的結構。因此也稱其為張力結構。懸索結構按其外形和索網(wǎng)的布置方式分為單曲面曲面懸索和雙曲面懸索，單層懸索和雙層懸索等形式。懸索結構的造型與薄殼結構一樣是以幾何曲面圖形為特征，但也有其自身的特點。主要表現(xiàn)在兩個方面：一是懸索只能受拉不能受壓，外形大多呈凹曲面；二是懸索結構由兩種不同材料的構件組成，即鋼索網(wǎng)和鋼筋混凝土邊緣構件，索網(wǎng)的曲面形式多樣，邊緣構件形式各異，只要改變其中一種，就能創(chuàng)造出與基本形式截然不同的造型。膜結構是建筑結構中最新發(fā)展起來的一種形式，它以性能優(yōu)良的織物為材料，或是向膜內充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性支撐結構將面繃緊，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。自從上世紀70年代以來，膜結構在國外已逐漸應用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨度建筑中。膜結構已成為大跨度建筑造型的一個重要手段。膜結構按其支撐方式通常可以分為張拉式膜結構、骨架式膜結構，空氣支承式膜結構三類。膜結構重量輕、跨度大、施工方便，透光性和自潔性好，建筑造型豐富。但其隔聲效果較差，耐久性不好。膜結構的空間研究大樓除了上述常用的結構外，大跨度結構還有組合網(wǎng)架結構、預應力網(wǎng)格結構、管桁結構，張弦梁結構等。實例分析：日本代代木體育館代代木體育館是日本建筑大師丹下健三的作品。它是60年代的技術進步的象征，它脫離了傳統(tǒng)的結構和造型，被譽為劃時代的作品。代代木國立室內綜合體育館的整體構成、內部空間以及結構形式，展示出丹下健三杰出的創(chuàng)造力、想象力和對日本文化的獨到理解。它采用了高張力纜索為主體的懸索屋頂結構，創(chuàng)造出帶