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第三章大跨度建筑及构造设计§3.1概述§3.2大跨度建筑结构类型及其造型、技术特点§3.3大跨度建筑屋顶构造设计§3.4中庭天窗构造§3.1概述一、大跨度建筑的特征建筑物的跨度达到30米以上建筑物的跨度达到60米以上（我国现行钢结构规范规定）多为公建，人流集中，规模大，占地面积大施工条件新材料、新结构、建造技术需要解决的难题由于体量增大带来的采光、通风、热舒适度等问题能源消耗、环境污染问题二、大跨度建筑的发展历程古代结构体系悬挂结构梁柱结构券洞放射形券出挑叠涩券叠涩穹隆藤条券拱顶体系筒形拱（四瓣拱）交叉拱、十字拱穹隆顶拱的施工尖券、肋骨拱骨架劵飞扶壁尖劵、尖拱穹窿结构帆拱（Pendentive）使集合在一起的穹顶有一个是主要的加鼓座d公元120～124年罗马万神庙，天然混凝土浇筑，穹顶直径43.3m，顶端高度43.3m，象征天宇。在现代结构出现以前，是世界上跨度最大的大空间建筑。1851年伦敦水晶宫，拱顶结构，主要材料为铁和玻璃。1889年巴黎博览会机械馆庞大的机械馆长420米、高45米，由20个钢拱门支撑，长达115米的玻璃长廊格外引人瞩目。钢制三铰拱最大截面高3.5米，宽0.75米。陈列馆的墙和屋面大部分是玻璃，继伦敦水晶宫之后又一次造出了使人惊异的建筑内部空间。1912～1913波兰布雷斯劳百年厅中心部分是广阔的圆形大空间，直径高达65米，高42米，可以容纳6,000多人。上方是23米高，由钢和玻璃构成的灯笼式圆顶。1979年美国底特律的韦恩县体育馆采用圆形平面，直径达266m，是目前世界上跨度最大的钢网壳结构建筑。1975年上海体育馆主馆呈圆形，高33米，屋顶钢平板网架跨度直径110米，可容纳观众18000人。三、大跨度建筑的主要结构类型结构技术是影响建筑空间形式及造型的重要因素，在大跨度建筑中尤其如此。按建筑材料和建造方式分为钢筋混凝土薄壳结构网架结构轻钢结构管桁架结构悬索结构膜结构索-膜结构混合结构§3.2大跨度建筑结构类型及其造型、技术特点一、拱结构及其建筑造型二、钢架结构及其建筑造型三、桁架结构及其建筑造型四、折板结构及其建筑造型五、网格结构及其建筑造型六、薄壳结构及其建筑造型七、悬索结构及其建筑造型八、膜结构及其建筑造型一、拱结构及其建筑造型（一）拱的受力特点、优缺点和适用范围拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。受力特点：在外力作用下，产生轴向压力和侧向推力。优点：轴向推力分布均匀，充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，能跨越较大空间。缺点：侧向推力影响结构的稳定性适用范围：商场、展览馆、体育馆、散装货仓等罗马万神庙室内弧三角拱哥特建筑尖拱与骨架拱文艺复兴时期公共会堂帕拉迪奥代表钢铁时代的埃菲尔铁塔法国里昂机场高速铁路车站（二）拱的形式三铰拱两铰拱无铰拱三铰拱两铰拱无铰拱（三）拱结构的建筑造型取决于矢高和平衡拱推力的方式矢高影响建筑的外部轮廓形象。通常矢高为拱跨的1/7～1/5，最小不小于1/10。解决水平推力的几种方式1.由拉杆承受拱推力2.由框架结构承受拱推力3.由基础承受拱推力由拉杆平衡拱推力——武汉体育馆由框架结构承受拱推力——北京崇文门菜市崇文门菜市场中间跨为售货大厅，屋顶为32m跨的钢筋混凝土两铰拱，两边布置三层高的钢筋混凝土框架以支承两铰拱，三层框架部分为小营业厅。拱为装配式整体结构，拱上铺加气混凝土屋面板，油毡屋面。根据建筑造型要求，拱的矢高为拱跨的1／8，即4m。由基础承受拱推力——北京体育学院田径房北京体育学院田径房面积6200m2，有200m的半圆跑道，100m直跑道及跳跃场地。田径房结构采用钢筋混凝土落地无铰拱，由基础直接承受拱推力，基底呈斜面，更有利于抵抗推力。并将落地拱暴露出来，以强烈的结构自身的韵律来美化室内环境。室内利用高侧窗采光。二、刚架结构及其建筑造型（一）受力特点、优缺点和适用范围刚架结构是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门式结构。受力特点：梁、柱是刚性结点，在外力作用下，结构受力合理。优点：结构受力合理，轻巧美观，能跨越较大空间，制作方便。缺点：刚度较差，当吊车起重量超过100KN时不宜采用。适用范围：体育馆、礼堂、食堂、菜场（二）刚架结构的形式三铰刚架——静定结构，刚度稍差，跨度较小两铰刚架——超静定结构，刚度大，跨度较大，不均匀沉降时产生附加内力。无铰刚架——超静定结构，刚度大，跨度较大，不均匀沉降时产生附加内力。（三）刚架结构的建筑造型无铰刚架两铰刚架三铰刚架悬臂刚架单跨不对称刚架三跨不等高刚架单跨悬臂刚架杭州黄龙洞游泳馆不对称刚架杭州黄龙洞游泳馆采用不对称钢筋混凝土刚架结构，充分利用结构下部空间布置跳水台，刚架下面部分设有吊顶，部分露明，借用结构构件作室内装饰。三、桁架结构及其建筑造型（一）受力特点、优缺点和适用范围桁架是由杆件组成的一种格构式结构体系。受力特点：杆件与杆件的结合假定为铰结，在外力作用下，杆件内力是轴向力，分布均匀，受力合理。优点：结构受力合理，材料强度充分利用，减少材料耗量和结构自重，使结构跨度增大。缺点：梁的材料强度不能充分利用适用范围：体育馆、影剧院、展览馆、食堂、菜场、商场等公共建筑。（二）桁架结构的形式1.用材：木材、钢材、钢筋混凝土2.形式：三角形、梯形、拱形、无斜腹杆式和三铰拱式（三）桁架结构的建筑造型单坡、双坡、单跨、多跨等不同外观和形状三角形豪式桁架三角形芬克式桁架梯形桁架拱形桁架拱形无斜腹杆桁架三铰拱桁架跨度≤18米跨度：18～36米，f/L=1/8～1/6跨度：15～30米，f/L=1/8～1/6跨度：18～36米，f/L=1/8～1/6拱形桁架曲面屋顶桁架式三铰钢架双坡屋顶桁架排架平屋顶梯形桁架单坡屋顶梯形桁架双坡屋顶三角形桁架双坡屋顶北京体育馆——三铰拱钢桁架北京体育馆：容纳6000人，跨度56m，采用三铰拱钢桁架。桁架暴露于比赛大厅，桁架顶部设有天窗，以利采光和通风。重庆体育馆——拱形钢桁架北京体育馆：容纳6000人，跨度56m，采用三铰拱钢桁架。桁架暴露于比赛大厅，桁架顶部设有天窗，以利采光和通风。空心管桁架结构——上海国际博览中心入口空心管桁架结构——上海国际博览中心内视空心管桁架结构——南京国际展览中心室内空心管桁架结构——广州白云机场室内我国首个按国际枢纽机场标准进行规划设计的机场。总建筑面积200000m2。采用大跨度空间巨型钢管桁架屋顶结构，桁架最大高度10m，最大跨度180m，节点部位最多由11根钢管相贯汇集，桁架两端支撑在人字形斜柱上。空心管桁架结构——新加坡国际会展中心室内跨度为99m的管桁架、扇形分布。空心管桁架结构造型美观，抗风力强，经济性好。虽然空心管桁架结构的单位成本较高，但由于空心管桁架结构标准钢材的屈服强度比普通结构钢要高，具有较高的强度，与网架相比，截面较大。空心管桁架结构自重轻，可以减少运输与安装费用。张弦梁桁架结构——张弦梁结构主要由柔性索和刚性梁或拱、再加上撑杆组成。张弦梁结构按受力特点可以分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。上海浦东国际机场航站楼就是采用的张弦梁结构。这是我国第一个采用张弦梁结构的建筑。张弦梁桁架结构——延安车站日本一家购物中心的屋顶用的张弦梁结构购物中心屋顶张弦梁结构的大样照片。可以肯定的是上弦杆为空间桁架，配以Y字形的撑杆，从而形成张弦梁。日本一家游泳馆的馆顶——张弦梁结构四、折板结构及其建筑造型（一）受力特点、优缺点和适用范围折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系。优点：结构呈空间受力状态，具有良好的力学性能，结构厚度薄,省材料，可预制装配，省模板，构造简单。适用范围：大跨度屋顶，也可以用作外墙。（二）折板结构形式：1.按波长数目分：单波和多波折板2.按结构跨度的数目分：单跨、多跨3.按断面形式分：三角形折板、梯形折板4.按构成情况分：平行折板、扇形折板（三）折板结构的建筑造型矩形、方形、梯形、多边形、圆形等平面，造型新颖，外观独特折板结构的组成和形式折板结构——巴黎联合国教科文组织会议大厅该会议大厅由惹大利著名工程师奈尔维设计，大厅为梯形平面，其屋顶沿大厅纵向布置成扇形折板，和同样是折板的前后山墙相交。折板为两跨，分别为40m和27m。两跨交界处用一根大梁加强折板，大梁由6根柱支托。为加强折板，在折板之间加了一层与之相交的肋板，肋板随折板结构的弯矩图上下波动形成一个曲面，使大厅顶棚呈现出结构的韵律感和空间的深度感。折板结构——巴西圣保罗会堂扇形折板从会堂中心向四周呈放射布置成圆形.巧妙地运用切割手法形成一圈三角形的外墙，结构形式与建筑造型完美统一。五、网格结构及其建筑造型（一）受力特点、优缺点和适用范围网格是一种由很多杆件以一定规律组成的网状结构。优点1.杆件之间互相支撑，形成多向受力的空间结构，整体性强、稳定性好、空间刚度大，有利于抗震；2.杆件主要承受轴向力，充分发挥材料的强度，节省材料3.结构高度小，有效利用空间；4.结构的杆件规格统一，有利于工厂化生产；5.形式多样，建筑形式丰富多彩。适用范围：平面形状多样的大跨度公共建筑。（二）网格结构形式：（课本P199）1.用材：钢网架、木网架、钢筋混凝土网架2.外形：平板网格（双层，网架）、曲面网格（单层、双层，网壳）3.构造：单层网格、双层网格、多层网格（三）网架的类型与尺寸1.交叉桁架体系的平板网架交叉桁架体系由两向或三向相互交叉的桁架所构成。2.角锥体系平板网架两向交叉桁架的交角大多数为90O，按网架与建筑平面的相对位置，有正放和斜放两种布置方式。由三个方向的桁架相互以60。夹角组成。它比两向交叉桁架的刚度大，杆件内力更均匀，能跨越更大的空间，但其节点构造复杂。角锥体系平板网架三角锥体平板网架：受力更均匀，是大跨度建筑中应用最广的一种网架形式，适合于各种建筑平面形状。四角锥体平板网架：受力情况不及三角锥体网架，多用于中小型大跨度建筑六角锥体平板网架：节点处聚集的杆件数目最多，构造复杂，施工麻烦，用钢量较大，一般宜用于60m以上跨度。（四）网架杆件断面与节点连接网格排水坡度的形成方法排水坡度：2％～5％。坡度的形成方法有两种：网架自身起拱，屋面板或檩条直接搁于网架节点上在网架上弦节点加焊短钢管或角钢找出屋面坡度（五）网架结构的建筑造型网架屋面——桂林市体育中心国家大剧院国家大剧院六、薄壳结构及其建筑造型（一）受力特点、优缺点和适用范围薄壳结构是用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构。受力特点：结构呈空间受力状态，主要承受曲面内的轴向力，弯矩和扭矩很小，刚度和强度都非常好。结构厚度仅为跨度的几百分之一。优点：结构自重轻、省材料、跨度大、外形多样。缺点：多数薄壳结构建筑的形体较为复杂，多采用现浇施工；费工、费时、费模板，结构计算较复杂，不宜承受集中荷载。（二）薄壳结构的形式1.筒壳2.圆顶壳3.双曲扁壳4.马鞍形壳筒壳：由筒面、边梁、横隔构件三部分组成。横隔构件——拱形梁、拱形桁架、拱形刚架等结构形式。筒壳是单曲面薄壳，形状简单、便于施工、较常见。圆顶壳：由壳面和支承环两部分组成。支承环对壳面起到箍的作用，主要内力为拉力。应适当加厚。壳面径向受压，环向上部受压，下部受拉或压。圆顶壳可以支承在墙上、柱上、斜拱或斜柱上。适用于大型公建，如天文馆、展览馆、体育馆、会堂等。双曲扁壳：由双向弯曲的壳面和四边的横隔构件组成。受力特点：壳体中间区域为轴向受压，弯矩出现在边缘，四角有较大的拉力。优点：受力合理，厚度薄，可覆盖较大空间，较经济，适用于工业与民用建筑的各种大厅或车间。双曲抛物面壳（马鞍形壳）:由壳面和边缘构件组成，外形象马鞍。受力特点：倒悬的曲面如同受拉的索网，向上拱起的曲面如同拱结构，拉压相互作用，提高了壳体的稳定性和刚度，使壳面可以做的很薄。（三）薄壳结构的建筑造型