大跨度空间结构选型与设计

大跨度空间结构选型与设计综述概述体系分类分析与设计全面认识大跨度钢结构设计体育场大悬挑力流转化手段体育馆大跨度分析与设计方法建筑效果图结构图纸施工施工配合吊装结构图纸实物大跨度空间结构选型与设计时间课程内容授课目的授课角度8月7日第一讲（2小时）包括发展历程、应用领域、结构体系分类与选型、结构分析方法与设计手段等。了解大跨度屋盖钢结构的特点；掌握结构体系的分类与选型要点；了解设计流程和分析方法。对全面的了解，更多从结构形式和分类的角度进行讲授。中场休息10分钟第二讲（1小时）体育场挑蓬钢结构概念设计与工程实践了解力流转化的途径和方法；掌握结构形式与力流传递的关系。大量工程案例的归纳总结，并提炼力学原型，更多从结构概念和感性认识的角度进行讲授。问答环节20分钟8月14日第三讲（2小时）典型大跨度屋盖结构的分析与设计（主题馆、绍兴、常熟）掌握典型大跨度结构的设计流程和各阶段的分析设计要求；了解这类特殊结构的设计思维和工种配合特点。从建筑效果图到结构图纸的实现过程，更多从设计流程和分析方法的理性角度进行讲授。中场休息10分钟第四讲（1小时）施工配合系列了解出图之后的后续配合工作，如深化设计配合、施工吊装、施工张拉、焊接质量控制等。从结构图纸到结构实物的实现过程，更多从设计对施工的配合的实践角度进行讲授。问答环节20分钟大跨度空间结构选型与设计大空间建筑概述1结构体系与结构构思2分析方法与分析手段3大跨度空间结构选型与设计大空间建筑概述1结构体系与结构构思分析方法与分析手段231.大空间建筑概述大空间建筑发展历程1.1大空间建筑应用领域1.2近代空间结构古代空间结构砖石现代空间结构混凝土、钢材膜材高强材料1.1大空间建筑发展历程建筑材料经历了从砖石，到混凝土、钢材和膜材，最终推进到拉索、碳纤维等高强材料的演变过程。砖石混凝土拉索膜材钢材碳纤维1.大空间建筑概述材料革新1.1大空间建筑发展历程1.大空间建筑概述技术革命施工技术分析手段CADSAPCADBIMANSYS张拉膜材吊装屋盖滑移现场索穹顶施工张拉材料革新技术创新1.1大空间建筑发展历程1.大空间建筑概述建筑结构的历史，也是材料革新和技术创新发展进步的历史。空间结构体系的发展现代空间结构19251975近代空间结构古代空间结构1.1大空间建筑发展历程1.大空间建筑概述空间结构年代划分图古代空间结构近代空间结构现代空间结构拱券式穹顶薄壳结构网架结构网壳结构悬索结构拱架结构桁架结构充气膜结构索膜结构张弦梁结构索穹顶结构弦支网壳结构斜拉网格结构树状结构多面体空间刚架结构罗马万神庙罗马奥运会小体育馆上海万人体育馆瑞雷比赛馆塞金纳伯特拱桥水晶大教堂大阪世博会美国馆法赫德国王国际体育场上海浦东国际机场T1、T2航站楼佐治亚穹顶光丘穹顶杭州黄龙体育中心体育场水立方1.1大空间建筑发展历程1.大空间建筑概述罗马竞技场意大利公元78年以厚实的砖石墙、半圆形拱券、逐层挑出的门框装饰和交叉拱顶结构为主要特点。平面近似呈椭圆形，长轴长约188m，短轴长约156m。罗马万神庙意大利公元128年穹顶直径43.2m。设计中，将作为模板的砖砌成环状，在其空隙中浇筑混凝土。采用宽达9m的梯状扶壁抵抗穹顶水平推力。古代空间结构1.1大空间建筑发展历程圣索菲亚教堂土耳其公元537年由石材与砖砌筑而成，石拱直径31m。两对巨大的扶壁和连续的半圆形穹隆在空间上成功解决了中央大穹顶的水平推力问题。圣母百花大教堂意大利1436年八角形尖顶穹顶直径42m，其外侧主要对抗严酷的气候条件，内侧起到展示庄严内部空间的作用。建造过程中，地面不设脚手架，采用砖模工艺。古代空间结构1.1大空间建筑发展历程圣彼得大教堂意大利1589年穹顶直径42m，离地120m。由砖石砌成的砌体结构，利用平面圆形的优势，减小了内壳的厚度，取消了环拱，减小了纵肋。无梁殿南京1381年整座建筑采用砖砌拱券结构，由于不设木梁，不用寸钉片木，故又称“无梁殿”。无梁殿东西向并列3个拱券，中间的拱券跨度11.5m，净高14m。古代空间结构1.1大空间建筑发展历程罗马奥运会小体育馆意大利1957年屋顶最高处21m，穹顶直径52m，采用钢筋混凝土薄壳结构。薄壳由沿圆周布置的36根Y形混凝土斜柱支承，斜柱的侧推力由地下的预应力基础受拉环梁平衡。阿特兰教堂乌拉圭1960年曲面墙和壳体屋顶在同一个水平面交接，墙壁和屋顶都呈波浪起伏状，最大跨度60m。整个建筑依靠其几何形状而不是材料的构造厚度来获得足够刚度。近代空间结构1.1大空间建筑发展历程曼海姆联邦园艺展览会主场馆德国1975年开创了方形网格薄壳的先河。建筑内部没有柱和梁，而是将木条“编织”成的连续网壳罩在基底上，最大跨度60m。采用双层构造的方法增加结构稳定性。上海万人体育馆上海1975年圆形平面的三向网架，屋顶网架跨度直径110m，厚6m，采用圆钢管构件和焊接空心球节点。近代空间结构1.1大空间建筑发展历程瑞雷比赛馆美国1952年落地交叉拱支撑双曲预应力索网结构。建筑周边为间距2.4m的钢柱，由钢筋混凝土曲梁将支柱联系起来。建筑平面近似呈椭圆形，长轴97m，短轴92m。慕尼黑奥林匹克体育场德国1972年屋面采用索网结构，8根主桅杆悬吊的索网屋面只覆盖体育场的一侧。屋面每个局部都呈马鞍形曲面，上覆亚克力板，内部光线充足且柔和。近代空间结构1.1大空间建筑发展历程东京体育场日本1988年日本第一个依靠空气压力支撑的穹顶，建筑平面为方形带圆抹角，边长180.6m。采用室内超压膜结构，屋顶（包括钢索）在内，平均重量0.142kN/m2。佛山世纪莲体育场佛山2007年佛山世纪莲采用交错式索桁架结构，外环直径310m，内环直径125m。其索桁架系统由脊索、谷索、中间径向索、内环索、悬挂索、膜面支撑索与分叉索构成，体育场外缘设置高差20m的上下压环。上下径向索通过刚性撑杆撑开，布置于内拉环与上下外压环之间，构成屋面主体结构。现代空间结构1.1大空间建筑发展历程韩国奥运会体操馆韩国1988年直径120m，主体结构为下部支承结构和索穹窿。屋盖结构的突出特点是没有形成三角形网格，而是经纬分格的肋环形布置。美国佐治亚穹顶美国1996年平面尺寸为240m×192m，采用三角形分割的索穹顶。在几何上更容易构造出椭圆形的平面。在结构受力上，冗余度高，稳定性好。现代空间结构1.1大空间建筑发展历程上海浦东机场T1航站楼上海1999年采用张弦梁结构。张弦梁上弦为圆弧形，下弦为折线形，腹杆平行布置。腹杆上端以销轴与上弦相连，下端通过特殊设计的索球与钢索相连。上海浦东机场T2航站楼上海2008年波浪形钢屋盖，平面尺寸414m×217m，采用Y形斜柱支承的多跨连续张弦梁。上弦为五跨连续的变截面箱梁，下弦为单根屈服刚度550MPa的钢棒。现代空间结构1.1大空间建筑发展历程结构构件巨型化结构形式杂交化屋面立面一体化绿色建筑的崛起建筑材料的革新结构布置单层化发展趋势探索1.1大空间建筑发展历程上海世博会越南馆上海2010年采用竹子作为主要材料。将竹子用于拱形结构，创造出波浪感的表皮形态。垂直的竹柱创造出一个线性的空间，让人感到仿佛置身于竹林一般。上海世博会英国馆上海2010年由亚克力管组成的展馆。白天，亚克力管像光线的导管一样，将阳光引入场馆内部；夜晚，亚克力管一侧的LED灯使场馆亮起来，构成一幅流动的画面。发展趋势探索——建筑材料的革新1.1大空间建筑发展历程上海自然博物馆上海在建是国内三大自然博物馆之一，为绿色建筑三星级设计标识。采用绿化屋顶外墙、地源热泵、雨水回收、太阳能回收的配套功能。同济设计院办公楼上海2011年以建筑改造替代建筑重建，既避免了拆除原有建筑导致的混凝土处理，又减少了新建建筑材料。采用太阳能光伏发电板，每年减少CO2排放量566t。发展趋势探索——绿色建筑的崛起1.1大空间建筑发展历程东方跳水池上海2011年建筑造型为月牙形。为配合该建筑造型，结构方面中采用18榀形状相似的悬臂钢桁架，沿斜置的椭圆环排列，彼此通过横向杆件及拉索连接成稳定的整体。济南奥体中心体育场济南2009年运用柳叶作为母题，轻柔飘逸，大自然中单片柳叶的两个折面与叶脊的结构形态启发了外部维护单元与屋面罩棚所形成的连续空间折板体系。发展趋势探索——屋面立面一体化1.1大空间建筑发展历程伦敦碗英国2012年屋盖挑篷采用A形柱支承外压缩环桁架，内张力环采用索，其间辐射布置双层径向索形成索网，屋面覆盖PVC膜材。A形柱立在内拉力环索上，设后稳定索和环向稳定索。华沙国家体育场波兰2011年屋盖呈椭圆形，长轴长314m，短轴长280m，屋盖悬挑长度85m。屋盖采用轮辐式索桁架结构，上覆膜材。发展趋势探索——结构形式杂交化1.1大空间建筑发展历程上海世博会世博轴上海2010年在全长1045m、宽约100m的世博轴上，13根大型桅杆、数十根斜拉索和巨大的幕布巧妙组成了中国第一、世界罕见的索膜结构建筑。深圳大运会中心体育场上海2003年为了与周边绵延起伏的山地景观相呼应，体育场采用单层折面空间网格结构，体育场整体由20个形状相似的单层结构单元通过空间作用联系在一起。发展趋势探索——结构布置单层化1.1大空间建筑发展历程东胜体育场鄂尔多斯2011年东胜体育场采用巨拱斜拉桁架体系，设计了一个跨度330m，高度129m的巨拱，通过23组斜拉索，拉住桁架屋面。巨拱采用四管桁架结构，形似草原弓箭，是此体育场的最大亮点。韩国济州体育场韩国2001年挑篷采用巨型独立桅杆式斜拉结构。6根梭形巨型桅杆柱沿场边周圈布置，并向后倾斜，每根桅杆设置成组的拉索斜拉屋面，并设置两根平衡索，直接锚固于地面。发展趋势探索——结构构件巨型化1.1大空间建筑发展历程自行车馆体育馆体育场游泳馆体育建筑客运中心机场航站楼火车站站房火车站雨棚交通建筑美术馆博物馆会展中心大剧院文化建筑大空间建筑应用领域1.2大空间建筑应用领域1.大空间建筑概述1.2大空间建筑应用领域体育建筑国家体育场“鸟巢”北京2008年平面投影成马鞍形，长轴方向最大尺寸332.3m，短轴方向最大尺寸296.4m。采用交叉平面桁架体系，主桁架围绕屋盖中部的洞口呈放射形布置。南通奥体中心体育场南通2006年我国第一个采用巨型活动开启式屋盖的体育场，东西向最大跨度278m。固定屋盖采用拱支单层网壳，活动屋盖采用周边加强的单层网壳结构。1.2大空间建筑应用领域体育建筑南京奥体中心体育场南京2004年平面为直径242m的圆，屋盖结构体系是由与水平面成45°倾斜、跨度372.4m的三角形变断面钢桁架拱和马鞍形罩棚结构组成。蔚山体育场韩国2002年平面投影呈切角四边形，桅杆后倾，平衡索不落地，而是通过撑杆转换力流连接于看台大柱后侧；在屋盖较低部分设抗风索，保证屋盖钢结构在风荷载作用下的稳定。1.2大空间建筑应用领域体育建筑北京大学体育馆北京2007年水平投影为93.2m×72m的矩形。屋盖结构采用“柔性”拉索与“刚性”空间桁架通过撑杆连接而成的预应力张拉空间桁架壳体。济南奥体中心体育馆济南2009年南北向长约220m，东西宽约168m。体育馆屋盖采用弦支穹顶结构。弦支穹顶由上部凯威特型和葵花型混合布置的单层网壳及下部肋环型布置的索杆张拉体系组成。1.2大空间建筑应用领域体育建筑济宁文体中心游泳馆济宁2012年屋盖主体呈现连续折板形态，以纵向中轴对称，采用张弦梁结构体系。屋盖纵向长度195m，横向最大宽度102m。侧部六边形蜂窝立面下包至室外地面，与屋盖主结构连成整体。常熟体育馆常熟2012年常熟市体育馆建筑造型呈海螺状，体育馆由比赛馆、训练馆和周围幕墙主框架三部分组成。比赛馆屋盖呈切角扁平球壳，采用弦支穹顶结构体系。训练馆呈外端落地的空间异形壳面形态，采用平面桁架结构体系。比赛馆和训练馆壳面相切，在分缝部位平滑过渡。1.2大空间建筑应用领域体育建筑1.2大空间建筑应用领域交通建筑广州南站站房广州2010年站房屋盖东西向长468.8m，南北宽220m。屋盖短跨方向采用三角形钢桁架作为主梁，长跨方向采用索拱体系，中央采光带采用拉索加劲的单层筒壳体