结构选型合理

3.1.4　结构选型合理

结构选型就是要选择与建筑物空间的跨度、建筑物的高度、建筑造型和施工技术等相适应的结构材料和结构类型。

结构理论和施工技术水平对建筑空间组合和造型起着决定性的作用。20世纪初以来，随着科学技术的进步，以及新结构、新材料的发展，特别是钢铁和钢筋混凝土的使用，促使建筑业发生了巨大的变革。

目前建筑中常用的结构形式，不外乎三种类型：墙体承重结构、框架结构和空间结构。一般中、小型民用建筑物，如住宅、旅馆、医院等多选择墙体承重结构，大型办公楼、宾馆、商场等多选择框架结构，而大跨度公共建筑，如影剧院、体育馆等多选择空间结构。随着科学技术的不断发展，钢结构、膜结构等一些新型的结构技术也会更加普及。

1.墙体承重结构

目前国内选用墙体承重的一般民用建筑物中，以配合钢筋混凝土梁板系统形成混合结构形式最为普遍。由于梁板经济跨度的制约，这种结构形式仅适合于那些空间不太大、层数不太多的中、小型民用建筑物，如住宅及较低档次的中小学、办公楼、医院等以排比空间为主的建筑类型，如图3-7所示。

墙体承重结构形式的特点是外墙和内墙同时起着支承上部结构荷载和分隔建筑空间的双重作用。在进行空间组合时，应注意以下几点：

(1)结合建筑功能和空间布局的需要确定承重墙布置方式：纵墙承重或横墙承重。并应使承重墙的布置保证墙体有足够的刚度。

图3-7　墙体承重结构的建筑示例图

(2)承重墙的开间、进深尺寸类型应尽量减少，以利于楼板、屋顶的合理布置，结构、构件的规格要统一。

(3)上、下层承重墙应尽可能对齐，开设门窗洞口的大小应控制在相关规范规定的限度内。

(4)墙体的高、厚比，即自由高度与厚度之比，应在合理的允许范围之内。如半砖厚墙的高度不能超过3m，并且不能作承重墙考虑等。

2.框架结构

框架结构是采用钢筋混凝土柱和梁作为承重构件，而分隔室内外空间的围护结构和内部空间分隔墙均不作为承重构件，这种使承重系统与非承重系统明确分工是框架结构的主要特点，如图3-8所示。这种结构为建筑物外貌配置大面积玻璃窗创造了条件。建筑物的内部空间组合亦获得较大的灵活性，可以根据功能需要将柱、梁等承重结构确定的较大空间，进行二次空间组织，空间可以开敞、半开敞，或封闭空间形状亦可以随意分隔成折线形或曲线形等不规则形状。

近20年来，由于建筑物层数不断增加，促使结构设计水平也进一步提高。对高层建筑结构来说，抵抗水平力是很重要的，如筒状抗剪墙和框架结合的筒体结构，其基本目标是增加结构刚度，使整个建筑物形成一个一端固定在地下的空心筒状悬臂构件，以便较好地抵抗水平荷载外墙柱子趋向于互相靠近(中距1.2～3m)，窗孔较窄，密布的柱子与刚性上、下窗间墙连成一个带孔的刚性筒。这种“筒”的概念以多种形式被应用于近代钢结构和钢筋混凝土结构高层建筑物中，如图3-9所示。其优越性为获得无柱的大空间，给使用者提供空间自由分隔的最大灵活性。

图3-8　承重结构与围护结构分工明确

图3-9　广东南海电力大厦平面图

3.空间结构

近年来，新建筑材料和新结构理论的发展，促使轻型高效能空间结构突飞猛进，使大跨度公共建筑的空间形式和结构选型获得多种处理手法。当前，在土木建筑工程中常见的空间结构有：悬索结构、空间薄壁结构和空间网架结构等。

(1)悬索结构

悬索结构主要是充分发挥钢索耐拉的特性，以获得大跨度空间。由于悬索结构体系在荷载作用情况下承受巨大的拉力，要求能承受较大压力的构件与之相平衡。常见的悬索结构有单向、双向和混合三种类型，如图3-10所示。我国20世纪60年代初期修建的“北京工人体育馆”，直径94m的圆形屋盖就是采用辐射悬索结构的例子。1969年杭州建成的浙江人民体育馆，椭圆形(长轴80m、短轴60m)比赛大厅，是采用鞍形悬索屋盖。1990年建成的四川省体育馆，也是“花篮”式的悬索结构的成功实例。

图3-10　悬索结构基本形式示意图

(2)空间薄壁结构(薄壳结构)

由于钢筋混凝土具有良好的可塑性，故作为壳体结构的材料是比较理想的。当选择的形状合理时，可以获得刚度大、厚度薄的高效能空间薄壁结构，空间薄壁结构具有骨架和屋盖双重作用的优越性，成为大跨度公共建筑广泛采用的一种结构形式，常用的形式有筒壳、折板、波形壳、双曲壳等，如图3-11所示。巴西圣保罗体育馆，如图3-12所示，在圆形平面的顶上采用钢筋混凝土折板屋面，顶盖中央为钢筋窗，安装黄色玻璃纤维板。主厅直径为65m，圆形的平面形式使观众有较好的视线，观众最远视距不大于40m。

图3-11　常见的空间薄壳结构形式示意图

图3-12　巴西圣保罗体育馆

(3)空间网架结构

网架结构多采用金属管材制造，能够承受较大的纵向弯曲力，用于大跨度公共建筑物，具有较好的经济意义。这种结构形式在国内的许多大跨度建筑物中亦常采用，因这种结构形式既可以在地面操作，待拼装成整体后再上升就位，减少了空间作业，又可以根据平面布置需要，组合成多种形式。此外，还有充气结构体系已在国外的大跨度公共建筑中采用。所谓“充气结构”是指充气后的薄膜系统，能承受外力，形成骨架或与围护系统相结合的整体。这种结构体系，国内亦已开始研究，并逐步开始尝试应用。

从以上分析可以看出，结构对建筑物的空间形成和造型特征起着重要的作用，优秀的建筑设计往往是和良好的结构形式融为一体的。国外大跨度结构的成功实践表明，跳出各类空间结构的基本型模式，充分挖掘各类空间结构的内在潜力，才能创造多种多样、别具一格的空间形式。如意大利罗马20世纪50年代末期建造的小体育馆(见图3-13)，直径60m的拱顶，通过拱截面的变换，大大改变了波形拱形象，且把支承圆顶的36根Y形斜撑直接暴露出来，显示出体育建筑物的风格。

图3-13　罗马小体育馆

日本东京代代木体育中心(见图3-14)，是日本著名建筑师丹下健三于1961年设计的，两个交错的新月形平面的本馆采用了“巴”形悬索顶，主跨126m，室内游泳池可以改为滑冰场，其他馆采用了螺旋形悬索顶，圆形平面，可以作篮球场。两座建筑物不仅功能、音响令人满意，而且建筑造型优美而富有民族特色。

图3-14　日本东京代代木体育中心

从上述这些成功的建筑作品中得到启示，建筑形式不是简单地取决于使用功能，也不是被动地取决于结构形式，而是可以按照设计的构思创造出一种预想的建筑形式，这就需要设计者掌握与精通材料、结构、技术以及相关特性，以大胆革新的科学态度进行创作。