结构的造型和选型方法概论

2.7.1　结构的造型和选型方法概论

事实上对结构的造型来说，至今没有一种理论，没有一种数学模型，造型分析并不能完全借助于数值运算。结构造型往往是在形象思维的基础上依赖于作图，并带有经验性，它伴随着经验和创造。结构的造型涉及建筑和结构两个领域。一种情况为建筑选型，结构对建筑给定的平面及空间几何外形选择结构体系，设计结构拓扑且对其作结构布置，使结构外形与建筑外形一致。在这种情况下可能会出现结构和建筑并不完美的结合，而且可能无法布置结构，这时应建议修改建筑外形。另一种情况为由结构对空间格构结构造型，使结构外形接近于建筑所希望的外形，这可以使结构完全符合力学原理。但不论哪一种情况结构造型仍带有相当的经验性。本书在第2.2.1节讨论了结构的基本构件，第2.3节讨论了基本结构，第2.4节讨论了基本结构体系，这些基本构件、基本结构和基本结构体系都是结构造型和选型的基础。因为这些基本构件、基本结构和基本结构体系都可以单独自成一体地成为可供选择的结构，同时经过一些拓扑和几何的变换使之更适合于建筑设计的外形，而基本力学性状仍呈现这些基本结构的特点。要了解一个复杂的空间格构结构的造型，从基本构件、基本结构和基本结构体系的造型和选型开始，是符合造型的过程和思维规律的。为了便于理解造型，下面针对一些工程中已采用的典型结构形式进行简单的结构分析。

1）拱

拱及拱桁架是一种常用的基本结构。随着跨度的增加单拱已不能满足需要，因此在大跨度结构中都采用拱形桁架。目前用在工程中的拱形桁架的跨度已达到300多米，如图2.7.1重庆袁家岗体育场网壳罩棚结构。体育场的看台屋面罩棚除满足一般屋面的防水要求外，突出的使用功能是要求看台上应视野宽阔，同时大体量的屋面建筑外形必须美观并有特色，构建体育场这个公共建筑物的建筑个性。由于拱桁架受力合理，外形呈抛物线或圆形，因此在很多建筑尤其是体育场馆中得到较多的采用。图2.7.1（a）显示了体育场看台屋面结构拱桁架的正立面，图2.7.1（b）显示了拱桁架的侧立面。看台的屋面网格用大悬挑结构在跨度大时比较困难，它在悬挑屋面的边缘设计了拱桁架以后，解决了悬挑的困难而使拱桁架和网壳共同工作。拱桁架目前较多地用在体育场馆上成为体育场馆屋盖结构的主要承重结构。

图2.7.1　重庆袁家岗体育场网壳罩棚结构

拱及拱桁架由于具有明确的几何外形，通常适合于特定几何形状的建筑物，其造型明确。拱及拱桁架在设计时主要应注意侧向稳定性，大跨度拱及拱桁架的侧向支承较少，而在拱平面内的强度和稳定性分析一般都不易被忽视，侧向稳定是较突出的问题。设计的另一个问题是如何减少水平推力以及对合理拱曲线的选择，也就是根据荷载类型选择合理的拱曲线，使得构件能充分发挥强度从而达到合理和经济。

2）单层网格及网壳

在前面的第2.5.1节讨论了单层柱面网格及网壳，第2.5.2节讨论了单层球面网格及网壳，第2.5.3节讨论了单层双曲面网格及网壳。单层网格及网壳结构是空间格构结构的一种主要形式，但由于单层网格必须具有特定的几何形状才能从中获得刚度，从而可能达到较大的跨度，因此绝大多数单层网格结构的造型有一定的限制和一定的规律。事实上第2.5.1节、第2.5.2节和第2.5.3节所讨论的这些形式也正是工程结构常用的单层网格及网壳的形式。

图2.7.2、图2.7.3和图2.7.4为德国MERO所表示的单层网格结构的形式和建造的结构，图2.7.2表示的是单层球面网格及网壳的形式；图2.7.3则显示了肋环型网壳，由于无斜杆对室内采光更加有利，同时为了提高刚度作了径向的加强，置于室内的这种加强并没有给屋面处理增加难度，并为室内装饰起了良好的效果。图2.7.4也显示了肋环型网壳，但采用了细小光亮的索对网格进行了加强。以上尽管都是单层网壳结构但是三种不同的加强方式，巧妙地将建筑与结构相结合，达到了完美的效果。

图2.7.2　肋环型单层网壳示意图

图2.7.3　某室内植物园肋环型单层网壳

图2.7.4　某室内植物园肋环型单层网壳

图2.7.5和图2.7.6所示的结构也均由德国MERO所建造，为单层网壳结构，采用的是联方型网壳结构，这点与图2.7.3和图2.7.4所示的结构不同。但同样是联方型网壳结构，图2.7.5与图2.7.6所示的结构其网格的处理方式是不同的，为了避免杆件过于密集，在图2.7.5所示的结构中显示了一种合并网格的方法。

图2.7.5　Mcmillan Bloedel Conservatory，Canada

图2.7.6　某室内植物园

3）双层网格及网架

双层网格是非常广泛应用的格构形式，由于它构成的是双层网格，通常可以采用铰接杆系，在我国习惯地称为网架，但在平面和空间上又可以有很多变化，在一些跨度很大或曲面几何不可能构成壳体的情况下，双层网格结构就有可能被采用。图2.7.7至图2.7.9为德国MERO所表示的双层网格结构示意图。

图2.7.7　平板型网格示意图

图2.7.8　平板型竖向网格示意图

图2.7.9　金字塔形网格示意图

图2.7.10至图2.7.22为德国MERO所建造的双层网格及网架结构工程实例。

图2.7.10为最常用的双层平板网架结构。第2.5.5节所讨论的各种形式的平板型网架结构都可以用于具有规则平面的结构中，具有规则几何平面的结构的选型是可以很任意的，各种结构形式都可以适用，而采纳哪种形式则取决于建筑及造价的要求。

图2.7.11显示了具有金字塔外形的双层网格结构，其结构拓扑或基本结构单元可采用第2.5.5节所示的角锥系网格，仅仅是几何外形构成了具有金字塔形式的锥面。除了角锥系以外，由第2.5.5节所示的平面桁架单元组成的网格也可以被采用。由于金字塔形的表面是由四块三角形平面所组成，因此采用第2.5.5节所讨论的单层网格体系则显得不尽合理。

图2.7.10　平板型双层网架

图2.7.11　金字塔形网架

图2.7.12为MERO建造的柏林火车站空间拱系结构，建筑的主要结构是由拱形主体桁架组成。拱形主体桁架为一种单向受力的空间杆系，由于火车站的屋盖结构是两边支承的，因此决定了结构体系呈拱的作用。假使采用第2.5.6节所讨论的双层柱面网架结构，由于两端部没有支承点，结构依然呈单向受力状态。同样由于跨度较大，单层柱面网壳不能适用。

图2.7.12　Railway Station，Berlin，Germany

图2.7.13　Frankfurt／Main Airport T2Frankfurt，Germany

与柏林火车站屋盖结构相类似，图2.7.13Frankfurt机场第二候机大厅的结构也采用了空间立体桁架，但是与柏林火车站屋盖结构不同的是在该拱型空间桁架的下弦加强了纵向系杆及斜杆，这就明显地提高了该结构的双向受力性能，图2.7.13。

从以上两个工程实例可以看出，在结构选型时应注意到传力路线的设计。也就是说，设计一条传力路线也可以切断结构中某一传力路线，从而改变力的传递路线和方向。至于采用哪种情况这与建筑的形体、支承条件、几何外形等都有关系。由此可见，相同类型的结构可有不同的结构性能，结构具有合理的工作性能才是设计所追求的目标。

图2.7.14为三层双曲抛物面网架。在大跨度建筑中，如果要采用三层或多层格构结构通常是为了增加结构的总高度以提高结构的刚度。但如果格构结构的高度已经很高，考虑到杆件之间的夹角又不能太小，因此只有增加结构面内的网格尺寸，但随之又产生一个问题：给体系的选择和处理会带来很大困难。优化设计的研究表明，考虑到屋面体系的受力情况，网格的尺寸不能大于4m。由于这些参数的制约，当需要增加结构高度时一般就是采用三层或多层网格，使得网格几何参数的设计能满足结构分析和构造设计的要求。至于结构的曲面采用双曲抛物面，这首先应出于建筑设计的要求，并且存在与曲面相应的平面形式。事实上，具有二次曲面的几何外形的结构其曲面方程与其平面有着对应关系，就是说，如果曲面是个球面，那与其适应的平面通常是圆形或椭圆形的；如果结构平面是矩形或方形的，那么具有球面几何外形的结构其边缘就必须作出相应的处理。相反，有球面几何外形的结构通常适合于圆形或椭圆形的平面；具有双曲面几何外形的结构，也应有相应的平面与之适应。

图2.7.15为用于体育场看台屋盖的双曲面三层网架。

图2.7.14　双曲抛物面网架

图2.7.15　某体育场看台

图2.7.16　点支承网架

图2.7.16显示了网架结构中一个点支承构造。无论哪一种基本结构体系或具任意形状的空间格构结构，其边缘支承点的布置也是很自由的，即不仅可以布置成连续支承，也可以布置成点支承。所谓连续支承是指每相邻边缘节点都被支承，而所谓点支承则是指边缘节点并非连续支承，而只是某些点被支承。对于结构边界点可以直接支承在基础上，也可以支承在其他结构上。图2.7.16显示结构支承在柱顶上，这时结构的支承点就位于柱子的底部节点。

图2.7.17至图2.7.21为典型的具任意形状的格构结构体系。图2.7.17显示了该建筑的平面，从图中可见不仅平面形状任意而且该结构的曲面也变化多样。结构设计中结合了建筑设计的要求，将图2.7.17上部的建筑分为四个部分，而下部也分为四个部分，这四个部分之间都有空间拱桁架，见图2.7.18。结构区段划分后就可以在每个区段内对结构进行选型，显然最贴近该建筑平面的结构应该是三向体系，而在三向体系中结构工程师选取了抽空的三角锥体系，图2.7.19。在四个三角锥体系之间设计了空间拱桁架，三角锥体系的一边就支承在空间拱桁架之上，如图2.7.20，图2.7.21为该三角锥体系结构的细部。

图2.7.17　任意平面的三角锥体系

图2.7.18　三角锥体系结构局部

图2.7.19　三角锥体系结构细部

图2.7.20　三角锥体系结构布置局部

图2.7.21　三角锥体系结构细部

图2.7.22　（MERO）Victorian Arts Centre，Melbourne，Australia

4）任意网格

图2.7.22为澳大利亚墨尔本维多利亚艺术中心。该结构是一个典型的任意形式的空间格构结构。

图2.7.23显示了格构式门式刚架结构。这是BACO建造的运动场。

图2.7.23　BACO Eberspacher－Eissporthalle

图2.7.24　广东佛山游泳馆

图2.7.24是由德国GMP建筑事务所设计的广东佛山游泳馆。游泳馆的承重结构为空间钢框架，钢框架的几何外形接近于折板结构，钢结构之间铺设了膜材，索作为膜结构的稳定系统。

5）折板

折板结构的命名起源于对薄壳结构的研究和发展，曾经把折板、幕结构等归类为一种壳体结构。在传统的结构中折板是一个连续体，而在格构结构设计中则将在折板面内布置的杆系结构称为折板结构。最简单的折板结构是V形折板。现在一般将由若干单面构成的结构通称为折板结构，而杆系只布置在这些平面内。图2.7.25显示了MERO折板体系。一般的折板体系的拓扑和外形已在第2.5.4节中加以讨论了。

图2.7.25　折板结构

6）索及索杆

图2.7.26至图2.7.28显示了由索和杆组成的帐篷结构，桅杆之间由索网连成一片，索网支承在柔性的边索上，而边索直接锚固于基础。索网具有双曲面的外形，这样索系才具有刚度。在索杆系统中，桅杆可设计为有拉索固定，也可以设计成由索网来固定。拉索和桅杆应该构成一个几何不变体。索杆系统非常适合于具任意平面的建筑中，但在索杆系统中要确保结构的稳定，避免索产生松弛是非常重要的。

图2.7.26　多点支承的帐篷结构

图2.7.27　单根桅杆支撑的帐篷结构

图2.7.28　索网结构

图2.7.29为广东佛山体育场世纪莲体育场屋盖结构，是德国GMP建筑事务所作的建筑设计，由德国SBP和华南理工大学建筑设计院进行结构设计。结构采用40根上径向索、40根下径向索组成的沿圆形平面环向布置的索桁架，和柔性内环索构成了索网体系。上径向索、下径向索分别支承于体育场周边高达20m的环形钢桁架。该索网结构与边缘钢桁架共同工作。在体系中，下垂的上径向索为承重索，上拱的下径向索为稳定索。在竖向荷载作用下，上径向索加载，下径向索卸载；而在向上荷载作用时，上径向索卸载，下径向索加载。不论在竖直向下或向上荷载作用时，索所产生的水平力均在环形边桁架中自平衡。整个结构与建筑上的莲花的创意贴近，而且结构受力清晰合理。该结构是目前国内外单跨跨度最大的索结构。

图2.7.29　广东佛山世纪莲体育场屋盖结构

图2.7.30为澳大利亚悉尼奥运村中的超级穹顶，该体育场为2000年悉尼奥运会主赛场馆。该结构也可视为斜拉穹顶。斜拉索通过环向布置的桅杆拉结，呈圆形平面的格构结构。被拉结的格构结构实际上是一类空间框架梁系，整个索杆体系共同工作。桅杆的斜拉索锚固在钢筋混凝土框架上，而呈拱形的空间框架水平力与桅杆水平力互相平衡。从图中空间框架支座处的细部可以看出结构系统关于水平力的处理，而跨中呈梭形的杆件体系与斜拉主索形成下垂的索系。梭形的杆系又具足够的刚度以悬挂荷载很大的电视屏幕等设备。

图2.7.30　澳大利亚悉尼超级穹顶supper dome（Sdeny）

图2.7.31　澳大利亚皇家农业协会主体育场（Cox Group）

图2.7.31为COX建筑事务所设计的澳大利亚皇家农业协会主体育场。

图2.7.32也是COX建筑事务所设计的澳大利亚悉尼国际田径中心。图2.7.32（a）为悉尼国际田径中心看台结构的立面，图2.7.32（b）为悉尼国际田径中心看台结构的剖面。在该结构中，巧妙地利用了体育场中的4根灯柱作为桅杆，布置了斜拉索桁架，看台结构悬挂在索桁架的底部。考虑到索系的稳定，还布置了上拱的稳定索。

同样是体育场的看台结构，图2.7.1所示的采用拱桁架作为看台屋盖的承重结构，图2.7.15采用了悬挑的空间网架作为看台屋盖的承重结构，而图2.7.32采用下垂的索系作为体育场的看台屋盖结构的主要承重结构。在体育场的看台屋盖结构中，这三种处理方法无论是建筑还是结构在处理上都具有不同的特点，应该说，结构性能决定了该结构的造型。反之，选择具有合理的力学性能的结构来适应建筑这就是造型的原则之一。

图2.7.32　澳大利亚悉尼国际田径中心（COX）

图2.7.33　树状结构

7）树状结构

树状结构，不言而喻，主要是适应于竖向结构的，由于结构像树状一样向空间展开，因此它可以作为大跨度结构的支承体系，具有一种特殊的建筑效果，如图2.7.33。

德国斯图加特机场候机大厅也是采用树状结构，候机大厅内有几个树结构支承了平板型的屋盖体系，如图2.7.34。

图2.7.34　斯图加特机场候机大厅树状结构