大跨度建筑的结构形式及特点

2.2　大跨度建筑的结构形式及特点

在前文已经概述了大跨度建筑的组成和基本结构形式，下面将就各种结构形式的受力特点、常见形式等方面进行深入阐述。通过对大跨度建筑结构形式及特点的了解，为建筑师设计优秀的大跨度建筑打下坚实的基础。

2.2.1　排架结构

如果将一座建筑物的结构整体划分为竖直平面内的若干个单元，每个单元可以看作是一个片状的架构体系，而若干个架构体系成排布置，就构成了一套完整的排架结构。

这里定义的排架结构并不是一个通用的类型术语，仅是为了方便归纳和总结而特定的名词。它可以理解为，结构由若干构架型单元以有序的排列方式组成。排架结构属于平面结构体系，基本的类型可分为桁架结构和刚架结构。

2.2.1.1　桁架结构

桁架就像是空心的梁，是一种格构化的梁式结构，也常被称作“屋架”。桁架结构是解决建筑大跨度，同时有效降低梁高、节约材料的行之有效的结构方案之一。桁架本身是一个竖直面内的空间结构，依托柱的支撑形成完整的结构体系。对于跨度不是十分大的建筑，桁架结构具有广泛的适应性，常见的有钢桁架、钢筋混凝土桁架和胶合木桁架。作为“梁”的桁架有多种形式，常见的有三角形、弓形、梯形等。

桁架结构是在结构体系中采用格构化的桁架梁。其主要的受力特点是，各杆件的受力均以单向的拉、压为主，通过对杆件的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了平衡，整个结构不对支座产生水平推力，结构布置非常灵活，应用范围十分广泛。基于这样的受力特点，桁架结构无论是抗弯还是抗剪，都能够使材料强度得到充分的发挥，从而适用于各种跨度的建筑屋盖。同时，桁架结构用杆件的形式，清晰直观地展现了构件的拉、压应力状态和力的分布、传递方向，比起实腹梁内部不可知的复杂的受力状态，更加有利于设计师根据需要进行结构的变化、组合和分析、计算(如图2.11所示)。

图2.11　桁架结构与弯矩

图2.12　桁架结构常见形式

(a)三角形;(b)梯形;(c)平行弦;(d)折线形

桁架结构以桁架的几何形式分类，常见的有三角形桁架、梯形桁架、平行弦桁架、折线形桁架和拱形桁架等(如图2.12所示)。从受力分析进行比较，三角形桁架内力分布很不均匀，材料强度不能充分地发挥作用，用于大跨度建筑并不经济合理;梯形桁架形态比较接近均布荷载作用下的弯矩图形式，杆件内力分布比较合理;而平行弦桁架的内力分布也很不均匀，适用跨度有限，但由于便于加工，并且能够形成均匀、平直的外部形态，因此适用于具有特定外形要求的建筑。

图2.13(a)　南京火车站站台雨棚

图2.13(b)　南京火车站站台雨棚桁架

1.南京火车站(如图2.13(a)、(b)、(c)所示)

南京火车站站台雨棚即是一个钢桁架大跨度建筑，弓形的桁架一直延伸到接近地面附近，“Y”字形的支撑柱将整个雨棚的跨度分段，并通过柱子之间的联系将整个桁架结构拉结为一个有机的整体。局部的采光屋面和金属篷顶相映成趣，外露的结构构件使站台空间既开放明亮又极富时代感。

图2.13(c)　南京火车站站台雨棚桁架局部

图2.14(a)　宁波机场候机楼

图2.14(b)　宁波机场候机楼室内

2.宁波机场候机楼(如图2.14(a)、(b)所示)

宁波机场候机楼总建筑面积43 500米²，建筑高度27米，上、下二层，底层为混凝土框架结构，二层为大跨度钢桁架结构。

2.2.1.2　刚架结构

刚架是将梁和柱子通过刚性节点连接起来形成的刚性节点框架结构。常应用于大跨度建筑的是门式刚架，通常是单层，可以是单跨或多跨。

刚架结构的受力特点在于，梁端存在刚节点，可将梁的端弯矩传给柱子。刚架横梁在竖向荷载的作用下，与同样跨度的简支梁相比，由于两端负弯矩的存在，降低了跨中弯矩，因而可以实现较大的跨度。这与连续梁的弯矩分布极为相似。

刚架结构从几何形式看，有平顶、坡顶、拱顶，以及单跨、多跨和单柱悬挑等形式。从截面形式看，刚架的梁柱截面可根据内力分布情况相应地做变高度处理，也可采用矩形、工字形、丁字形和箱形等多种截面形式。从结构材料看，刚架可采用钢筋混凝土、钢结构、胶合木结构等多种材料;从构件形式看，刚架梁柱既可采用实腹式，也可采用空腹式(如图2.15(a)、(b)所示)。

图2.15(a)　刚架常见形式

刚架结构实例(如图2.16(a)、(b)所示)如下。

如图所示，体育馆采用的是门形刚架，并且屋面呈单坡形;飞机库采用的是拱形刚架，屋面采用了细肋混凝土浇注。结构形式不仅满足了功能的需求，巧妙地解决了排水问题，而且结构具有内外的装饰性，赋予了建筑美感。

图2.15(b)　刚架形式的变化

图2.16(a)　刚架结构实例——体育馆剖面

图2.16(b)　刚架结构实例——飞机库剖面

2.2.2　网格结构

网格结构，即空间网格结构，是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小型结构单元组合而成的结构体系。网格结构依据屋盖的结构在二维平面或三维空间展开的差异，可分为平面网架结构和空间网壳结构两种。双层或多层平板形网格结构，称为网架结构或网架;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。

网格结构可以适应大跨度建筑的多种平面形状，同时可以形成独特的外观造型。另外，由于这种结构设计技术相对成熟，施工简便，在大跨度建筑中占有相当大的比重。

2.2.2.1　平板网架结构

平板网架根据节点分布可以分为双层网架和三层网架。平板网架的结构实质与平面桁架相似。从单元组合的形式分，可将平板网架分为交叉平面桁架体系网架和角锥体系网架，它通常采用钢管或各种型钢材料制作而成(如图2.17所示)。

图2.17　网架的两种结构体系

(a)交叉平面桁架体系;(b)角锥体系

平面桁架体系网架，是由互相交叉的平面桁架组成，一般把斜腹杆设计成拉杆，竖杆设计成压杆，其特点是上、下弦杆长度相等，且与腹杆共处于同一竖直平面内。常见的分类有双向正交正放网架、双向正交斜放网架、双向斜交斜放网架和三向网架(如图2.18(a)、(b)、(c)、(d)所示)。

图2.18(a)　双向正交正放网架

图2.18(b)　双向正交斜放网架

图2.18(c)　双向斜交斜放网架

图2.18(d)　三向网架

其中，双向斜交斜放网架由于弦杆与边界轴线呈一定角度，适用于两个方向网格尺寸不同的情况，可用于平面形式为梯形或扇形的大跨度建筑，但由于受力性能不佳，节点构造相对复杂，因而其应用受到很大的局限。而三向网架，杆件呈60度交叉，受力性能好，空间的刚度大，传力均匀，适用于60米以上的大跨度建筑，并能满足平面为三角形、六边形、多边形及圆形多种情况，但由于节点处汇交的杆件数量多，构造较复杂，成为大跨度建筑选型时的一个不利因素。

角锥体系的网架，分为四角锥体系和三角锥体系两种。

四角锥体系网架，上下弦均为正方形或矩形网格，并相互交错，下弦网格的角点与上弦网格的形心对应，上下弦节点之间用腹杆连接起来即成。

三角锥体系网架，上下弦为三角形网格，下弦节点位于上弦三角形网格的形心。这种网架整体抗扭、抗弯刚度好、受力均匀，适用于大中跨度、屋面荷载较大的建筑，并有很强的平面适应性。

广东奥林匹克中心体育场(如图2.19(a)、(b)所示)

广东奥林匹克中心位于广州市天河区东圃镇，占地30万米²，可容纳8万名观众。体育场屋顶由两片弯曲起伏的钢网架组成，好似两条飘带环绕。

图2.19(a)　广东奥林匹克中心体育场

图2.19(b)　广东奥林匹克中心体育场雨棚网架

2.2.2.2　空间网壳结构

空间网壳结构就整体而言是一个受弯的平板，是由多个不同方向的杆件构成的曲面网格结构。曲面网壳结构可以设计成单层或双层，通常在应用于大跨度建筑时，为了加强网壳的外部刚度，采用双层网壳。可用于空间网壳结构的材料很多，钢网壳、钢筋混凝土网壳、铝型材网壳、胶合木网壳都已得到了成熟的应用，并还有其他的新型复合材料不断成为空间网壳的用材。空间网壳结构从外部形态上，大致可分为筒壳、球壳和扭壳三种。

筒壳又叫做圆柱面网壳，可以覆盖矩形的建筑平面，在工业和民用建筑中得到了广泛的应用，它的网格形式大致有双向、三向、四向三种。(如图2.20所示)

图2.20　筒网壳的网格形式

球壳可以适应三角形、矩形、多边形、圆形、椭圆形等各种建筑平面。球壳的网格形式多样，造型可以是整球、大半球、半球和扁球面多种。(如图2.21所示)

扭壳为反向双曲抛物面，属负高斯曲面，适用于正方形平面的建筑。(如图2.22所示)

空间网壳结构中网壳的结构高度和网壳覆盖的空间跨度的比值，叫做高跨比。从表2.2的三个实例的对应比较中，可以推知，球壳的整体刚度较优，且高跨比更小，即空间的使用率较高。

图2.21　球网壳的网格形式

图2.22　扭壳的网格形式

表2.2　各种类型网壳实例比较

(注:表2.2内数据来自《空间结构设计与施工》，肖炽、李维滨、马少华编著，南京:东南大学出版社，1999.12)

1.北京海洋馆(如图2.23(a)、(b)、(c)所示)

图2.23(a)　北京海洋馆

北京动物园海洋馆屋顶网架结构跨度大、造型独特、受力形态复杂。海洋馆整体结构分表演厅与展览馆两部分，表演厅为蚌壳形曲面，跨度约60米，采用双层焊接球节点网壳结构，网壳矢高3.6米，网壳结构为点支撑。展览馆为渐开线形旋转曲面，跨度最大约40多米，采用螺栓球节点网壳结构，网壳矢高2.6米，网壳结构为点支撑。海洋馆网架覆盖面积约为2.14万米²，其中表演厅覆盖面积约为4 500米²，海洋展览馆覆盖面积约为15 000米²。

图2.23(b)　北京海洋馆屋顶室内

图2.23(c)　北京海洋馆结构模型

2.2010上海世博会阿联酋馆(如图2.24(a)、(b)所示)

图2.24(a)　2010上海世博会阿联酋馆北面效果图

图2.24(b)　2010上海世博会阿联酋馆西面实景

2010上海世博会阿联酋馆总建筑面积6 000米²，采用双曲面空间网壳结构屋盖，不锈钢板屋顶材料在阳光照射下呈现出玫瑰金般变幻的色彩。屋盖结构曲线流畅，造型优美，宛若起伏的沙丘。

2.2.3　张力结构

张力结构是指通过施加预应力等措施，使柔性材料的结构产生张力，并赋予一定的形状，成为在外荷载作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构。简单地说，即是由承受拉力的结构部件组成的空间结构。

依据承受张力的结构部件的材料不同，可将张力结构分为悬索结构和膜结构两种。悬索结构主要是以索来跨越大空间的结构体系，可以充分发挥钢材的抗拉强度;膜结构主要依托薄膜材料作为张拉构件形成的空间结构体系，发挥的是膜材的优异性能。

2.2.3.1　悬索结构

悬索结构由悬索系统、覆盖系统和支撑系统三部分组成。

悬索系统又称为索系，是悬索屋盖中跨越水平距离、形成大空间的主要构件，是大跨度建筑中重要的结构组成，也是悬索结构特殊的结构受力部分。它由一系列按一定规律布置的高强度索及附件组成，索系起着形成屋面形态，担负屋面荷载，并把力传至建筑的支撑体系的作用。悬索屋盖结构是使用拉力构件通过强力的张拉形成的，跨度越大所需的拉力也就越大，需要支撑结构来承受巨大的反力(如图2.25所示)。悬索结构在外荷载的作用下，索内只产生拉力，因此选用钢材发挥其抗拉的力学性能，比起普通的钢结构用量减小，具有自重轻、强度高的优点，更适合在大跨度建筑中应用。同时，悬索结构的屋面造型新颖独特，运输和施工方便，是这种结构的重要优点，得到建筑师和工程师的青睐。

悬索屋盖按照内力传递的方向，大致可分为三类:单向悬索屋盖、双向悬索屋盖和辐射状悬索屋盖。这三种悬索屋盖又都有单层结构和双层结构之细分。

单向单层悬索结构是通常所说的单层平行索结构，由多根平行索通过纵向连接组成，索面呈单曲面形，其横截面近似于抛物线，适用于矩形平面的大跨度建筑。(如图2.26(a)所示)

单向双层悬索结构由一层平行走向的承重索和一层稳定索组成，上下索通过竖杆或斜杆连接，一般上凸的为承重索，下凹的为稳定索，承重索和稳定索可以同在一个竖直平面内，也有的错开布置。(如图2.26(b)所示)

图2.25　悬索结构简图

图2.26(a)　单向单层(平行索)悬索结构

图2.26(b)　单向双层悬索结构

双向单层悬索结构，即交叉索网结构，为中心下凹的双曲面形式，根据边缘构件的不同，有刚性边缘构件和柔性边缘构件两种，适用于圆形和矩形平面的大跨度建筑。(如图2.27所示)

图2.27　双向单层悬索结构

双向双层悬索结构，即双向网状索结构，上下两层索为正交网格，中间通过支撑杆联系。同样适用于圆形和矩形的建筑平面。

辐射状单层悬索结构，中心设置受拉环，边缘设置受压环。一种为中心下凹的蝶形，其结构的稳定依赖屋面的重力;另一种为中心突起的伞形。(如图2.28所示)

图2.28　辐射状单层悬索结构

辐射状双层悬索结构，两层索均呈辐射状，同样须设置受压环和受拉环。辐射状悬索结构适用于圆形和椭圆形的建筑平面。

通过不同形式的支撑结构与悬索屋面结合，形成了形形色色的大跨度悬索结构建筑。

北京朝阳体育馆(如图2.29(a)、(b)、(c)所示)

北京朝阳体育馆主馆平面为椭圆形，建筑面积7 888米²，主场地长44米，宽34米，固定座位2 704个。建筑采用下沉式，采用悬索结构，造型新颖。

图2.29(a)　北京朝阳体育馆

图2.29(b)　北京朝阳体育馆屋顶平面

2.2.3.2　膜结构

膜结构是用连续薄膜为基本材料的一种张拉结构。薄膜既是结构材料，又是建筑材料，既具备一定的材料强度，承受自重、内压和应力，又具备一定的防水、隔热、透光等物理性能。膜结构有骨架式、张拉式和充气式三种，在大跨度建筑中均有广泛的应用，详见本书第三章。

图2.29(c)　北京朝阳体育馆剖面图

2.2.4　薄壁结构

薄壁结构特指采用厚度一定的建材作为屋顶覆盖的结构，包括曲面的薄壁结构和直面的薄壁结构两种，即包括空间曲面的薄壳结构和直面的板状结构组合成的折板结构。

2.2.4.1　薄壳结构

薄壳是指壳体的厚度与其中面的最小曲率半径之比小于1/20的壳体。薄壳结构采用轻薄的壳体作为屋盖的结构，是一种刚度较好的空间结构体系。它包括球壳、筒壳、双曲扁壳、扭壳和折板等多种形式。采用薄壳结构的大跨度建筑，充分挑战了建筑师和工程师的设计思维和创造力，是大跨度建筑结构中独具特色的一种。

薄壳结构的壳体主要承受由于各种作用而产生的内力，有时也存在面外作用的弯矩、剪力和扭矩等其他内力。

薄壳结构常见的壳体形式有球壳、筒壳、扁壳、扭壳几种，同时还有壳体多种的形态变化与组合。

球壳为旋转曲面薄壳，可以是球面壳、椭圆面壳或旋转抛物面壳等多种，通常被人们称为穹顶。它的平面投影呈现为圆形，非常适合平面为圆形或正多边形的大跨度建筑，从古到今都得到了广泛的应用。球壳的受力并不是均匀的，壳体沿经向的内力总是压力，而沿纬向的内力存在一个分界线，压力自上而下逐渐减小，越过分界线后转化为拉力，并不断向下增大。针对这种受力特点，许多球壳在适当的部位设置抗拉的构件是十分必要的;此外在壳体的支座环附近，内力分布较为复杂，因此构造上往往做一些特殊的处理，以抵御局部弯矩的作用。(如图2.30所示)

图2.30　球壳的内力分布

筒壳为柱状的单曲面壳，截面形式有半圆、椭圆、抛物线等曲线形式，有单筒和连续筒的分别，适用于矩形平面的大跨度建筑。筒壳是单曲面，其结构刚度较差，因此通常有边梁和横隔作为结构构件，出现多种截面形式。根据其筒壳覆盖平面的长宽比不同，存在长筒壳和短筒壳的差别，二者的受力不同。(如图2.31(a)、(b)、(c)所示)

图2.31(a)　筒壳截面

图2.31(b)　长筒壳

图2.31(c)　短筒壳

扁壳又称双曲扁壳，为正高斯曲面。与旋转曲面不同，扁壳可以通过母线的移动来成形，经过裁切后可以适应不同长宽的矩形建筑平面。扁壳又可以看作是幅角较小的球壳，其壳体的矢量高度f与底部平面较小边长l之间的比例很小，因此壳体内部经向和纬向均产生压力，可以较好地发挥材料的抗压性能，同时减少了不必要的建筑高度，从而提高了建筑和结构的使用效率。(如图2.32所示)

图2.32　扁球壳

扭壳为反向双曲抛物面，是负高斯曲面，又称双曲抛物面扭壳。扭壳的受力状态比较理想，在均布荷载的作用下，壳体各点的应力状态相同，均处于纯剪力状态，主拉应力和主压应力分别位于两个主曲率方向，并且大小相等。整个扭壳在下凹的方向呈索的作用，而在上凸的方向起拱的作用，两部分相得益彰共同保持了扭壳形态和结构的稳定。(如图2.33(a)、(b)、(c)所示)

图2.33(a)　扭壳的受力简图

图2.33(b)　扭壳及支撑体系

图2.33(c)　常见的扭壳组合

除了上述几种单纯的薄壳形式，壳体还通过变形、裁切和组合多种方式形成了多样化的空间组合，这些变化和组合的薄壳结构在技术上满足大跨度建筑需求的同时，极大地丰富了建筑外在的艺术表现力。

纽约肯尼迪机场候机楼(如图2.34所示)

纽约肯尼迪机场候机楼由四个形态不同的扁壳屋面组合而成，建筑呈现和谐的飞扬态势，好像一只展翅的大鸟。

2.2.4.2　折板结构

薄壁板结构常被称为折板结构，是通过一系列薄壁板的空间组合形成的结构体系。就像是一张薄薄的纸，通过不同方向上的折叠，形成一个稳定的空间结构，具有一定的跨度，可以承受自重并可承担一定的外力。折板结构在形态上具有极大的灵活性，存在无穷变化的可能，是大跨度建筑中一道独特的风景。

折板结构是一种用多折平板构成的空间结构，它通过薄壁板的空间组合所形成的构件，其横向抗弯和抗剪的能力都大为增强。折板结构的刚度是通过形态的变化产生的，各块斜板相互依靠，通过折缝形成整体。

图2.34　纽约肯尼迪机场候机楼

折板的形态与多波筒壳有些相似，它的受力特性也有一定的共性。折板的受力传力机制，首先由小跨折板承受外力，横向传给折缝，然后再以折板梁的方式，纵向传给支座。

折板结构的板单元有矩形和三角形两种。矩形折板又分有边梁折板、无边梁折板、双折板和多折板等，其受力特点类似于柱面壳。三角形折板空间形态丰富，可以形成折板刚架。(如图2.35(a)、(b)所示)

图2.35(a)　折板结构工作原理

图2.35(b)　折板结构组合形式

联合国教科文组织总部会堂采用的是混凝土折板结构，外观简洁有力，形成了鲜明的光影变化，这也是折板建筑最突出的特点。(如图2.36(a)、(b)所示)

2.2.5　组合结构

大跨度建筑是对于结构设计极大挑战的建筑类型，在长期研究解决“大跨度”的难题上，建筑师和工程师们找到了多种行之有效、殊途同归的设计方案，所以才呈现出今天的大跨度建筑异彩纷呈的局面。组合结构是基于前人研究的基础，将不同的结构方案综合利用于大跨度建筑的产物，它进一步促进了大跨度建筑的成熟发展。组合结构，通常是柔性构件和刚性构件的联合应用，并纳入了多种材料的可能性，常见的有组合网架结构、斜拉网壳结构等。

各种空间结构组合图(如图2.37(a)、(b)所示)

图2.36(a)　联合国教科文组织总部会堂立面

图2.36(b)　联合国教科文组织总部会堂结构简图

图2.37(a)　各种空间结构组合

图2.37(b)　斜拉式网架组合结构形式简图

组合结构由两种或多种空间结构组合而成，可以由不同单元和不同材料组合，从而使原有的空间结构性能有效地提高。这种结构能够利用原有结构的优点，取长补短，适应面广，造型自由，具有良好的发展前景。

对于不同结构单元的组合，通常有柔性索与刚性杆件的组合，有平面结构和曲面结构的组合，有线性结构和面状结构的组合。对于不同材料的组合，常见的有钢筋混凝土、钢丝网水泥、钢、胶合木、薄膜等材料之间的组合。

组合结构的特点是多变，各种结构组合出现种类繁多的组合结构形式，分类没有明确的界限，以下仅以张拉式组合结构为例，分析其类型及特点。

张拉式组合结构是以承受张力的结构构件与其他各种结构相互组合形成的。这种组合结构常见有斜拉式、悬索式和张弦式三种基本类型。每种分类都可能与网架、网壳、折板、薄壳、桁架等多种结构进行组合。下面以网架为例，分别解析三种张拉式组合结构的特点。

将斜拉体系引用到屋盖结构中来，可形成一系列组合结构形式。这种体系利用由塔柱顶端伸出的斜拉索为屋盖的横跨结构(主梁、桁架、平板网架等)提供了一系列中间弹性支撑，使这些横跨结构不需靠增大结构高度和构件截面即能跨越很大的跨度。斜拉式网架组合结构是斜拉式组合结构的一种，它由斜拉体系与平板网架组合而成。按布索的形式可分为放射式、竖琴式、扇式、星式等多种。(如图2.37、图2.38所示)

图2.38　斜拉式网架组合结构布索形式

(a)放射式;(b)竖琴式;(c)扇式;(d)星式

悬索式网架组合结构是在悬索结构的基础上的一种优化。悬索结构的缺点在于屋面的外部刚度较差，为了达到一定的刚度要求，需要加大悬索的拉力，由此产生的水平方向的力就更加难以平衡，屋面采用网架后，刚度增强，索力不必太大，很好地克服了原有的缺点。(如图2.39所示)

图2.39　悬索式网架组合结构形式简图

(a)上悬索式网架;(b)下悬索式网架

张弦式网架组合结构与新型的结构形式张弦梁结构有关。张弦梁是将张拉索置于室内梁的受拉部位，形成压杆与拉索分明的空腹梁式结构。张弦式网架组合结构，是由平面网架替代原有结构中刚性梁构件，使屋面的刚度进一步增强，保留了张弦索受力的科学性。由于取消了伸出外面的塔柱，将构件防腐、维护和屋面防水的要求都相应降低，因而可以取得较高的经济效能。(如图2.40所示)

图2.40　张弦式网架组合结构形式简图

(a)水平张弦式网架;(b)下折多边形张弦式网架;(c)平行张弦式网架