基本结构体系的集成

2.7.3　基本结构体系的集成

在结构造型技术的发展过程中，对于不同基本结构或具有不同材料的基本结构进行集成，也是对复杂结构造型设计的重要方法。经集成后结构有许多不同的命名，这些命名出于各种不同的角度，譬如所谓的“杂交结构”、“组合结构”等等，但“结构的集成”最贴切地反映了结构的造型过程，同时也比较准确地描绘了结构造型后所得结构的性状。因为从结构学的角度看，结构设计的好坏主要依据结构的性状，所以集成既反映了过程也说明了最终的状态，集成后的结构是混为一体的，不同的基本结构集成后不是协同工作而是共同工作的，所谓共同工作是各部分成为集成结构不可缺少的部分，如果拆除任一部分这集成结构就无法工作，而结构之间的协同工作则反映了两独立作用的结构之间的相互关系，如拆除一个结构对另一个无伤大雅。

基本结构的集成可以采用不同几何外形的基本结构进行集成，从而使集成后的结构满足造型的要求，譬如球面网壳和圆柱面网壳进行集成，集成后的平面接近于椭圆。如图2.7.39。

图2.7.39　1／4球面和圆柱面的集成

图2.7.40（d）显示了由矩形平面框架体系支承一个椭圆平面的空间格构结构，该椭圆平面的空间格构结构如图2.7.40（c）所示，其结构创意是按图2.7.35所示的建筑造型创意过程构造而成的。

图2.7.40（a）、（b）显示了椭圆平面的空间格构结构的变换过程，该变换过程是通过以下步骤完成的。首先构造一个椭球网壳，如图2.7.40（a），然后，将网壳的下半球冠切除，并将网壳的下半球冠的节点坐标进行变换以形成一个墙面，而上半球冠依然保持椭球面，然后将结构绕椭球短轴旋转一个角度形成图2.7.40（b）所示的外形，经过修正以后成为图2.7.40（c）所示的屋盖结构，最后和矩形平面的框架体系进行集成，形成了图2.7.40（d）所示的结构。这个结构造型过程包含着结构的变换与集成过程。

图2.7.40　空间杆系的集成

推而广之，具有不同几何外形的基本结构就可以集成，当然在几何造型过程中尚需考虑到结构性能，这就是结构造型与单纯的几何造型之间的区别。上海F1国际赛车场是桅杆与环、与索、与膜集成一体的，如图2.7.41。

图2.7.41显示了索、膜和杆的集成，其中，图2.7.41（i）为该结构的全貌。该结构是由独立桅杆支承的结构体系，在桅杆的顶部通过辐射状的斜索与椭圆形平面的上刚性环连接，上刚性环通过三根斜撑与桅杆连接，在桅杆的下部布置了圆形平面的下刚性环，该下刚性环也通过径向杆与桅杆连接，在上下刚性环之间布置了索膜，形成了一个不规则的倒旋转双曲面。通过对这结构的建筑创意分析以后，可以很明确地将该结构系统分解为：图2.7.41中的（a）所示的桅杆；（b）所示的上刚性环；（c）所示的下刚性环；（d）所示的斜索；（e）所示的双曲面索网；（f）所示的双曲面膜等基本结构与基本结构体系，然后可依次将这些基本结构与基本结构体系集成。首先可将上刚性环与下刚性环和桅杆集成，如图（g）所示；然后在此基础上集成斜索和索网，如图（h）所示；斜杆一端支承于桅杆顶部，另一端与上刚性环连接，而呈旋转抛物索网集成在上下刚性环之间，最后将图（f）所示的膜集成于上下刚性环之间形成如图（i）所示的结构系统。该结构造型过程不仅体现了结构的几何关系，也体现了结构的传力路线，图2.7.41中的（g）、（h）、（i）均是一个可以直接承受荷载的结构体系。

图2.7.41　索、膜和杆的集成

事实上斜拉结构就是基本结构体系的集成。通常是通过索段悬挂在桅杆上，被索段拉结的结构可以是梁、平面桁架、空间桁架（网架）或空间框架（网壳）。图2.7.42为斜拉梁、板结构；图2.7.43为斜拉桁架结构。过去传统的斜拉结构不存在自平衡系统，由于无自平衡系统，所以斜拉结构很可能在不同的荷载下发生松弛。现在的斜拉结构设计中一般都布置了稳定系统。因此，过去传统的斜拉结构稳定性靠荷载来维持稳定，类似于单索；现在的斜拉结构由于设计了稳定系统，结构的稳定性靠稳定系统来维持，通常通过张拉稳定系统来施加预应力。

图2.7.42　斜拉梁、板结构

图2.7.43　斜拉桁架结构