大跨度建筑结构

大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析学院:建筑城规学院班级:建筑131姓名:王宇轩（20130511031）孙伟耀（20130511030）陈一凡（20130511024）大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析人类自古就梦寐着创造能容纳大规模活动的室内空间。大空间建筑虽然在古希腊古罗马时代己经出现，如当时可容纳几万人的大剧场和大角斗场，但当时的材料和结构技术条件却无法建造成能覆盖上百米跨度的屋顶结构，结果只能建成露天的大剧场和露天的大角斗场。久负盛名的古罗马万神庙顶为最早出现的大空间结构，其圆顶跨度达到43.43m，并且这个纪录一直保持了1800年。当时聪明的古罗马人通过把弯窿内壁做成藻井式、根据不同部位受力的大小和受力特征采用不同性能的混凝土骨料以及改变壁厚的手法，成功的解决了增加弯窿的刚度、减轻自重以防止弯窿底部向外开裂的问题，从而显示出当时高超的工程技术水平。但相对的，也摆脱不了当时技术的局限，万神庙弯顶每平方米重达9吨，壁厚最厚处达到6.1米，而现代技术对于直径40米左右跨度的圆球壳，每平方米重量仅为200公斤，壁厚仅为几厘米。大空间建筑真正得到迅速发展还是在十九世纪后半叶以后，特别是第二次世界大战后的最近几十年中，随着结构技术创新及各种相关的建筑技术的巨大变化，塑造出变幻莫测，形式丰富的大空间建筑形象。薄膜结构的历史悠久，原始社会中游牧部落使用的帐蓬是张拉膜结构的原型。但这两种结构在现代建筑中的应用却比较迟缓，而张拉膜结构的发展则不过是近几十年的事情。膜结构是由多种高强薄膜材料及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。薄膜结构是最近发展起来的张拉结构中建筑与结构完美结合的结构体系。它以性能优良的柔软织物为材料，可以向膜内充气，使空气压力支撑膜面，也可以利用柔软形的拉索结构或刚性的支撑结构将薄膜绷紧或撑起，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。薄膜既承受膜面内的张力，作为结构的一部分;又可防雨挡风，起维护作用;同时还可采光，以节省室内照明的能源。膜材本身的刚度几乎为零，但通过不同的支撑体系使薄膜承受张力而形成具有一定刚度的稳定曲面。薄膜结构的建筑造型是结合结构构造的布局而自然产生的，力的平衡状态直接被表现在结构的形状上，这就使薄膜结构成为一种建筑与结构有机结合的新型大跨度结构型式。薄膜结构主要分为充气薄膜结构、悬挂薄膜结构、骨架支撑薄膜结构等。充气薄膜结构是利用薄膜材料制成气囊，充气后形成建筑空间，并承受外力，故称为充气薄膜结构。充气薄膜结构按照承力方式分为气承式、气肋式、气垫式三种。气承式充气建筑利用薄膜内外空气的压差把薄膜撑起来，形成使用空间。它可以只用薄膜来形成完整的建筑，也可以和围护结构配合，薄膜只用作屋盖。气肋式充气建筑以充了气而具有刚性的管子作为构架，外面覆盖薄膜作面层，形成使用空间，空间内外轮廓就是充气管子构成的形状。气垫式充气建筑就像密闭的薄膜袋子，充气后具有一定刚度，一般只用于屋盖。除此之外，大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析现在还有充气薄膜结构与钢结构或钢缆结构复合而成的多种新型结构。薄膜多采用尼龙、维尼龙、氟化乙烯树脂织成的玻璃纤维布或PVC材料织成的纤维布等制成。自从40年代美国建造了第一批充气薄膜结构建筑后，充气薄膜结构建筑渐渐发展起来。这种结构的造型美观，而且能适用于各种形状的平面，薄膜材料的透明度高，即使跨度很大的建筑不设天窗也能满足防震救灾等临时性建筑。图1是建于1959年的波士顿艺术中心剧场。这是一个直径为44m的圆盘形充气屋盖，中心高6m,双层屋面是用拉链联起来的，固定于支承在柱子上的受压钢环上。整个屋面倾斜，以使底部凸面有利于音响效果。图1悬挂薄膜结构是从帐篷结构得到启示发展而来的。它采用桅杆、拱、拉索等支撑构件将薄膜张挂起来，利用柔性索向膜面施加张力将膜绷紧，形成稳定的薄膜屋盖结构。它造型新颖，适合于中小跨度的建筑物。沙特阿拉伯首都利雅得法赫德国际体育馆的轻型遮阳屋盖是世界上最大的悬挂薄膜结构之一(图2）。体育场场地平面形状呈椭圆形，最大尺寸188.7mX128m，面积近19000m2024根帐篷主桅杆布置在外围直径为246m的圆周上。覆盖于屋盖的薄膜材料为玻璃纤维织物加聚四氯乙烯涂层，是半透明的，结构本身就形成了美好的建筑外形，很受人们称赞。图2张拉膜结构是利用骨架、网索将各种现代薄膜材料绷紧形成建筑空间的一种结构型式。薄膜本身不承受荷载，只有将它绷紧后才能受力，所以这种结构只能承受拉力，而且在任何情况下都必须保持受拉状态，否则就会失去稳定。张拉膜结构轻巧柔软、透明度高、采光好、省材料、构造简单、安装快速、便于拆迁、外形千姿百态，因而在世界各地逐步兴建了许多这大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析种建筑。张拉膜结构适用于各种建筑平面，主要用于临时性或半永久性建筑，如供短期使用的博览会建筑、体育建筑、文艺演出建筑和进行其他活动的临时性建筑。张拉膜结构起源于古代的帐篷概念。五十年代出现了一些小型张拉膜结构，主要是靠模型和试验来进行结构设计。由于大型公共活动的发展和需要，加上建筑材料工业、化学工业的新产品不断问世，使人们认识到古老的帐篷也是一种可以适应新形势的、具有可行性的结构型式。同时，电子计算机的应用使变化不定的张拉膜结构计算难题得到解决，由此现代张拉膜结构开始不断发展创新。进入90年代后张拉膜结构体系发展迅速，这类造形独特的建筑物需要建筑师与结构工程师密切配合或集于一身去进行建筑造型创造与设计。计算机CAD造型功能的提高、计算分析的快捷与准确无疑会成为设计创作的密切助手。建筑师对张拉结构设计的浓厚兴趣，导致了许多创意新颖，结构体系合理，功能完善的新建筑出现。目前世界上单体规模最大的膜结构是英国的千年弯顶(MillenniumDome图3千年弯顶）位于伦敦东部泰晤士河畔的格林威治半岛上，是英国政府为迎接21世纪而兴建的标志性建筑。弯顶直径320m，周圈大于1000m，有12根穿出屋面高达1OOm的桅杆，屋盖采用圆球形的张力膜结构。膜面支承在72根幅射状的钢索上，这些钢索则通过间距25m的斜拉吊索与系索为桅杆所支撑，吊索与系索同时对桅杆起稳定作用。另外，还设有四圈索析架将钢索联成网状。千年弯顶产生于全世界范围为迎接对世纪到来的庆典，在建造过程中受到了不少赞扬与批评，但最终的结构还是显示了美好的形象。图3现代建筑所确立的重要原则之一就是利用先进的结构技术将新的建筑形式合理化。在一些成功的大跨度建筑实例中，往往会出现结构因素同时参与建筑表现。一些建筑实践中，结构构件不仅表现为建筑支撑骨架的作用，且作为一种整体装饰成分、一种特殊的造型表现元素在起作用，出现一些以结构构件为主体的建筑构成。结构构件的几何特性是内在力学性质的外显特征，是建筑形象塑造的外在要素。日本建筑师安藤忠雄曾说:‘建筑是以‘几何’来表现世界的艺术。一些自身具有一定几何特性的大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析结构构件可像“符号”和“语言”一样，起到传递美学信息树立美好形象的作用。从传统的建筑构图概念看，一些结构形式中的构件往往是多余的。其实不然，在许多情况下，这些容易被抹除的结构构件正是加强建筑形象和个性表现的“符号”和“语言”，问题在于建筑构图手法的运用是否有灵活性和独创性。柱、梁、析架、索、拱等结构构件都可以构成不同的“符号”和“语言系统”，在建筑物的局部将某种结构构件作为“符号或语言”来加以利用，利用符号和语言系统的“所指”或“感化”作用，不单会加深人们对建筑物的视觉印象，而且还能在相当大的程度上，体现建筑师所追求的某种建筑风格。建筑结构构件的几何表现，现技术美。另外，很多建筑还利用钢材抗拉强度高的特点，以斜拉杆件中张力所呈现出的紧张感和力度感给人们以视觉冲击。由于富有表现力的钢构架常常暴露在外，所以外露的构造节点自然成为建筑形象的有机组成部分，构造节点便被赋予了特殊的意义，它与古典的柱头一样，具有明显的造型作用。其高质量的工艺水平，更能表达人们的技术审美情况，多采用巨型构架的造型和坦露结构构件的手法展同时也给建筑师们更多的表现空间。如法国里昂飞机铁路客运站(图4)的建筑外形采用欲将起飞的鸟的翅膀的造型，由玻璃和钢所构成的建筑形态表现了结构的张力和拉力，结构中通过屋顶起伏的深度拉紧四个跨越大厅的轻质支撑拱(拱的作用力集中在两侧单一的混凝土腿上)，拱下的钢肋则支撑着围护大厅的巨大的玻璃墙。客运站这种雕塑感的立体造型较好地照顾了从空中俯视或平视的透视效果。位于剖面中部的大厅不仅沟通了下部地铁与上部机场的联系，而且缩短了外部交通距离，室内外流动感。人们可以看到结构构件由下部混凝土到上部钢材料的重要转换。整个设计表现出结构构件与空间造型的完美结合。总之，这些几何特征鲜明的结构构件，就像文学和绘画艺术的语言和符号一样，强化了建筑的行为特征，增强了建筑形象的表现力和可识别性。图4结构构件的联系靠节点来完成。无论是传统木结构的桦卯连接，还是现代网架结构的球节点，都发挥着重要的作用。作为结构技术的一种表现手段，节点构造往往是人们视觉的焦点，是制作粗糙还是加工精美，直接反映出建筑的水准，结构与构造“制造”到精密的程度时，建筑就有了它的时代感，因为工业化的水平和机械制造的精细程度直接相关，当这种超乎寻常的技术理性在建筑建造时充分表达出来时，建筑及结构也就成为了艺术，如德国柏林索尼中大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析心(图5），建筑师把整个结构与结点裸露在外，取得了良好的艺术效果。图5昆山市体育中心体育馆新馆是由昆山市政府新建的现代化的体育馆。它占地560亩，拥有一个3万人体育场、一个5000人座位的体育馆、一个棒球场和其它相应配套设施，工程总投资5.6亿元，北侧与昆山森林公园隔路相望，视野开阔、环境优美。该中心由中国工程院院士、著名体育场馆设计专家魏敦山教授领衔设计，由于我的师长也参与其中，所以我才有幸对魏教授的作品作近距离的研究。体育场馆均为薄膜结构，文章的前部分提到过薄膜结构是最近发展起来的张拉结构中建筑与结构完美结合的结构体系，主要分为充气薄膜结构、悬挂薄膜结构、骨架支撑薄膜结构等。本设计属于骨架支撑薄膜结构，它是利用骨架、网索将各种现代薄膜材料绷紧形成的一种建筑空间结构型式。薄膜本身不承受荷载，只有将它绷紧后才能受力，所以这种结构只能承受拉力，而且在任何情况下都必须保持受拉状态，否则就会失去稳定。张拉膜结构轻巧柔软、透明度高、采光好、省材料、构造简单、安装快速、便于拆迁、外形千姿百态，因而在世界各地逐步兴建了许多这种建筑。昆山体育馆（图6)位于体育场的旁边，平面形状呈椭圆形，其中长轴为126.4m，短轴为98.45m，建筑面积约22860m2，设备和附属设施置于地下室，地上一层全为运动功能区，包括一个篮球比赛厅，两个篮球训练场，两个多功能活动厅。看台座位是活动的，可以根据使用功能的需要任意增加或减少，甚至拆除，这是大型公共建筑设计与其它建筑设计不同点之一:大跨度建筑的多功能要求，皆因业主考虑口后经济效益使然。这样，对空间的需求或是尺度较大、或是功能分区很复杂，对视觉、声学、疏散和内外环境等等必然提出更多的要求。尽管对建筑师的要求是一次性设计，却要以不变应万变，必须以前詹性的眼光去构思每一处细部。图6大跨度建筑结构形式与建筑造型实例分析馆的主体部分为钢筋混凝土结构，屋面为骨架支撑薄膜结构，整个屋面的设计采用结构形态仿生与裸露结构构件的综合表现手法。从结构形态仿生手法来看:整个屋面结构模仿龟壳，中间的落地析架拱作为龟壳的脊骨，两侧银灰色的薄膜被钢骨架固定成连续起伏龟壳形，较好的照顾了空间的俯视效果，更为独特的是建筑的侧立面效果却似一只展翅的蝴蝶，真是妙趣横生。设计师在运用访生手法时清楚的知道几何相似容易而材料相似很难，龟壳虽薄而坚硬，但若放大数百倍、上千倍，则连其自重都将难以承受，因此应着眼于生态结构的内在合理性，神似比形似更重要。从利用结构构件的表现手法来看: