空间格构结构的选型原则

3.1.2　空间格构结构的选型原则

空间格构结构的选型应根据建筑功能和建筑物造型的要求与结构布置及结构性能综合确定。结构的选型就是按上述结构布置的原则体系化的过程。按如前所说的结构类型和型式的概念，结构选型包括结构类型的选择以及对同一种类型的结构型式的选择。结构类型的选择其实质是受力体系的选择，事实上，结构的适用范围是比较广的，只不过是选择“合理性”，包括受力合理，构造合理。而结构型式的选择其实质是对已经选定的受力体系进行拓扑和几何形状的选择。

3.1.2.1　根据平面和曲面形状的结构选型

早期的结构选型是分别根据结构平面和曲面进行的。但是，结构平面和曲面往往是互相关联的，因为结构并非几何。某些平面和曲面组成的几何并不适用于布置结构，至少是合理的结构。因为，并不是几何上的一条线就是一个杆件。对于矩形平面，与之相应的曲面有平面、圆柱面、双曲抛物面等；对于圆形或椭圆形平面，与之相应的曲面有平面、球面、椭球面、旋转双曲面、双曲抛物面和锥面等；对于不规则平面，如果该不规则平面是由规则平面组成，则与之相应的曲面组成整个结构的曲面。平面和曲面都可以进行变换，以构成复杂的平面和曲面的组合。

对于矩形平面，与之相应的曲面为平面，这类几何条件下的结构可选用平板型网架、单向空间桁架，也可采用单索、横向加肋单向索系或索桁架。

对于矩形平面，与之相应的曲面为圆柱面，这类几何条件下的结构可选用圆柱形单层柱面网壳或双层柱面网架、单向拱形平面桁架或单向拱形空间桁架。

对于矩形平面，与之相应的曲面为双曲抛物面，这类几何条件下的结构可选用曲面网架、单向曲面空间桁架，单索、横向加肋单向索系或双曲抛物面索网。

对于圆形或椭圆形平面，与之相应的曲面为平面，这类几何条件下的结构可选用平板型网架、单向空间桁架，也可采用辐射状布置的索桁架。

对于圆形或椭圆形平面，与之相应的曲面为球面、椭球面，这类几何条件下的结构可选用球面或椭球面单层网壳，还可以选用球面或椭球面双层网架，也可采用索穹顶。

对于圆形或椭圆形平面，与之相应的曲面为旋转双曲面，这类几何条件下的结构可选用旋转双曲面单层网壳或旋转双曲面双层网架，还可以选用具有旋转双曲面外形的刚接单层或双层格构结构，也可采用旋转双曲面索网。

对于圆形或椭圆形平面，与之相应的曲面为双曲抛物面，这类几何条件下的结构可选用双曲抛物面单层网壳或双曲抛物面双层网架，还可以选用具有双曲抛物面外形的刚接单层或双层格构结构，也可采用双曲抛物面索网。

对于圆形或椭圆形平面，与之相应的曲面为锥面等，这类几何条件下的结构可选用锥面形单层网壳或锥面形双层网架，还可以选用具有锥面外形的刚接单层或双层格构结构。

对具有矩形、菱形、椭圆形平面及其他接近规则平面的索结构，可根据空间边缘构件设计成预应力单层索网或几块组合的预应力双曲索网结构。

对于斜拉结构，被悬挂的结构可采用网架、网壳、平面桁架、空间桁架，对支承体系可采用桅杆、拱及拱形空间框架。

3.1.2.2　形状特征、支承、荷载条件及结构性能对选型的影响

事实上，结构选型主要应根据结构性能，而所谓的根据平面和曲面形状的选型是将根据结构性能选型这个原则简单化和形象化了。当然，按平面和曲面形状的选型并非因简单而丢失原则，这是因为平面和曲面形状是决定结构性能的主要因素。其他如结构的支承条件和荷载条件也是决定结构性能的重要因素。

影响结构性能的形状特征主要有结构的支承跨度，矩形平面的长跨比，曲面性质如单曲、双曲以及曲面的曲率或矢跨比，这些几何形状特征对结构选型很有关系。如同样是矩形平面，其外形也是平面，当然可以采用平板型结构，但它的跨度大小就决定了平板型适应性。有时结构类型并不适应很大跨度，而有时结构类型却在大跨度中才更能体现出它的优越性。又如结构的长短跨比，图3.1.1显示了矩形平面和接近于方形平面的形状特征，其中图3.1.1（b）为方形平面，是两个方向传力，结构呈很好的传力性能，但对于长短跨相差很大的平面，即使是空间结构也呈现出较强的单向受力性能，图3.1.1（a），这时也许选择单向受力的空间结构更为合适。对于具有曲面几何外形的结构，单曲和双曲限制了很多结构型式，同样，曲率的正负也使结构的选型截然不同，就像网壳和索网类似于一种共轭结构，它们性质接近于曲面翻面，如果对曲面没有很多的限制，那就应该尽可能选择以轴向力为主传递荷载的结构体系，如图3.1.2（b），而尽可能避免以弯矩、剪力来传递荷载，如图3.1.2（a）。在选型中，支承条件也是一个很重要的因素，支承条件包括支承的布置，如周边支承或点支承，也包括支承的约束方向，如图3.1.3。由于支承条件限制了有些结构体系的选用，所以在选型时这些因素需要同时综合考虑。

图3.1.1　矩形平面和接近于方形平面的形状特征示意

图3.1.2　结构的外形

图3.1.3　支承的约束方向

荷载或主要荷载形式也在一定程度上决定了选型，在某些很特殊情况下，如动力作用、地震作用或风荷载可能成为结构的主要荷载，在这种情况下选型也不得不慎重考虑。

实际上结构选型是选择结构合适的形状，是一个合理化的过程，因为结构体系就是那么几种，说到底也就是那么几种基本构件、那么几种结构体系，如果意识到结构无定式，就做到无所不形，这时全盘皆活，这里的“全盘”包括设计、构造、制作、安装等过程。

3.1.2.3　节点、屋面等体系对选型的影响

空间格构体系用它的刚性、柔性构件可构造出任何覆盖结构空间的结构，但是毕竟还有体系的要求和限制，看上去极为复杂的结构但最终能抽象为某种体系，那么就可以获得实用意义，而结构体系主要在节点或屋面的构造即节点和屋面体系。节点和屋面体系在很大程度上也影响结构选型，如果结构的节点无法体系化，必然会造成经济上不可行。同样，屋面体系也如此，所以国内外很多制造商开发了很多体系。虽然不能说以此不变应万变，但以简单的构造解决复杂的形体方面确实起了很大作用，所以在选型时体系是万万不能忽视的。既然选型和体系很有关系，如果稍加注意不难发现，国外的成功体系都包含了屋面，因为这样可将结构和屋面浑然天成，如果将结构、节点与屋面分开考虑，那么必须注意到它们之间的容错能力，对于有檩屋面体系，采用压型钢板作为屋面覆盖层，结构有些偏差可借助屋面板来弥补，然而如果采用定型屋面板则对安装精度有较高的要求。总之，屋面不能当作一种构造，而应该加入体系的行列，在结构选型时一并考虑。