第三章大跨度建筑构造1
龙江（Loongle）
浙江林学院园林学院 2009年秋
概述
大跨度建筑——大百科全书中关于大跨度建筑的定时是：跨度在30米以上的建筑，主要有民用建筑影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港等。

最早的大跨度建筑可以追溯到古罗马的万神庙，公元120~124年建成‘圆形平面，穹顶直径达到43.3米，
用天然混凝土浇筑而成。

大跨度建筑常用结构形式
☐大跨度常用建筑结构根据结构形式，受力构件排列组合不同可分平面平面机构体系和空间结构体系两大类，共八种。

它们是：
☐平面结构体系有拱、刚架以及桁（héng）架。

☐空间结构体系有网架、折板（薄壳）、悬索、膜结构以及混合结构。

☐
拱是一种推力结构：在竖向荷载下产生水平推力；
☐拱是一种无矩结构：通过合理拱轴可使杆件无弯矩；☐拱可充分利用材料抗压强度，断面小、跨度大。

1 拱及拱券结构特点
早期罗马人在建筑中使用的拱券
拱券在早期建筑中的应用
拱券结构的住宅室内
美国蒙哥马里体育馆用平行拱支承屋面覆盖圆形平面
墨西哥马达莱纳体育中心体育宫用四道相交的拱支承屋面覆盖接近正方形的平面
两片刚性拱支撑屋面索网
两片交叉拱作为索网边缘构件
在体育建筑中的拱
2 刚架结构
刚架结构特征、优缺点和适用范围:
☐刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。

由于梁和柱是刚性节点，在竖向荷载作用下柱对梁有约束作用，因而能减少梁的跨中弯矩；同样，在水平荷载作用下，梁对柱也有约束作用，能减少柱内的弯矩。

☐由于刚架结构受力合理，轻巧美观，能跨越较大的跨度，制作又很方便，因而应用非常广泛。

一般用于体育馆、礼堂、食堂、菜场等大空间的民用建筑，也可用于工业建筑。

刚架结构跨度尺寸
☐跨度
①实腹式： 50～60米
②格构式两铰刚架： 60～120米
③格构式无铰刚架： 120～150米
④折线弓形刚架： 40～50米
高15～20米
☐断面
①实腹式梁高 h=(1/12～1/20)L
设预应力拉杆 h=(1/30～1/40)L
②折线弓形刚架梁高、柱宽 (1/15～1/25)L
钢制刚架结构的玻璃暖房
钢制刚架结构的飞机库
某室内体育馆的木构刚架及天窗
某刚架结构车站
3 桁架结构
☐桁架是由杆件组成的一种格构式结构体系。

杆件与杆件之间为铰接，所以在外力作用下，杆件的内力为轴向力。

☐造型可以设置成单坡，双坡，单跨等多种形式。

桁架结构——某单层厂房室内
桁架结构——厦门机场
4 薄壳
空间结构支承系统——各向受力，可以较为充分地发挥材料的性能，因而结构自重小，是覆盖大型空间的理想结构形式。

自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的薄壳结构，它们的外形符合力学原理，以最少的材料获得坚硬的外壳，以抵御外界的侵袭。

人们从这些天然壳体中受到启发，利用混凝土的可塑性，创造出各种形式的薄壳结构。

薄壳：属于空间薄壁结构，又可分为曲面壳和折板两种。

对建筑而言，结构本身就形成了“面”，而且可以切削
结构特征、优缺点
☐薄壳结构是用混凝土、塑料等刚性材料以各种曲面形式构成的薄壳结构，呈空间受力状态，主要承受曲面内的轴向力，而弯矩和扭距很小，所以混凝土强度能得到充分的利用。

☐由于是空间结构，强度和刚度都非常好。

薄壳厚度仅为其跨度的几百分之一。

而一般的平板结构厚度至少是跨度的几十分之一。

所以薄壳结构具有自重轻、省材料、跨度大、外形多样的优点，可用来覆盖各种平面形状的建筑屋顶。

☐但大多数薄壳结构的形式较复杂，多采用现浇施工，费工、费时、费模板，且结构计算较复杂，不宜承受集中荷载,这些缺点在一定程度上影响了它的推广使用。

罗马小体育馆圆形扁球壳屋顶
用八个双曲抛物面薄壳拼成了洛斯马纳提拉斯餐厅（墨西哥）
折板结构
☐折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系。

折板结构通常用钢筋混凝土建造，也可用钢丝网水泥建造。

☐折板结构由折板和横隔构件组成。

在波长方向，折板犹如一块折叠起伏的钢筋混凝土连续板，折板的波峰和波谷处刚度最大，可视为连续板的各支点，折板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，省模板，可预制装配，构造简单。

折板结构可用来建造大跨度屋顶，也可用作外墙。

折板水平铺设
用作建筑物的屋面折板成角度铺设用作建筑物的屋面
(a) 立面
(b)剖面
折板作为支承某体育馆屋顶的垂直构件
折板薄壳结构建筑
5 网架
网架：由许多杆件按照受力的合理性有规律地排列组合而成，可以分为平板网架和网壳两种。

网架空间整体性好。

平板网架杆件正交、斜交后可以形成不同的平面形状，使用相当灵活。

在需要时结构杆件可以暴露。

☐网架结构主要用来建造大跨度公共建筑的屋顶，适用于多种平面形状，如圆形、方形、三角形、多边形等各种平面的建筑。

☐按外形分为平板网架和曲面网架；
☐按建造材料可分为钢网架、木网架、钢筋混凝土网架；☐按网架本身的构造又可分为单层网架和双层网架。

网架是一种由很多杆件以一定规律组成的网状结构，它具有下列优点：
（1）杆件之间相互起支撑作用，形成多向受力的空间结构，故其整体性强、稳定性好、空间刚度大，有利于抗震；
（2）当荷载作用于网架各节点上时，杆件主要承受轴向力，故能充分发挥材料的强度，节省材料；（3）网架结构高度小，可以有效地利用空间；
（4）结构的杆件规格统一，有利于工厂化生产；（5）网架形式多样，可创造丰富多彩的建筑形式。

平板网架都是双层的，曲面网架可以是单层网架或双层网架。

平板网架多采用钢管或角钢制作。

曲面网架可采用木、钢、钢筋混凝土，我国受木材资源少的限制，很少用木材制作网架，而多采用钢网架，有时也采用钢筋混凝土网架。

平板网架自身不产生推力，支座为简支，构造比较简单，可以适用于各种形状的建筑平面，所以应用最广泛。

曲面网架多数是有推力的结构，支座条件比较复杂，但外形美观，建筑造型独具特色。

网架的构造组成
1）杆件
①角钢
②钢管
2）节点
①十字钢板节点：用于角钢杆件，焊接或螺栓
②球节点：用于钢管杆件
a.实心球：螺栓连接
b.空心球：焊接连接
3）网架上弦起坡
排水坡度要求 2～5%
①结构起拱：跨度>60m时，起拱1/300
②上弦加柱：按坡度变高
网架结构覆盖的音乐厅
由网架结构覆盖的交通空间
空间网架在建筑物入口
曲面网架的大型展示空间及运动馆
6 悬索结构
悬索用高强钢丝做拉索，加上高强的边缘构件以及下部的支承构件，使结构自重极大地减小，而跨度大大增加。

除稳定性相对较差外，是比较理想的大跨屋盖结构形式。

拉索显示出柔韧的状态，使得结构形式轻巧且具有动感。

柔性的悬索在自然状态下不仅没有刚度，其形状也是不确定的。

必须采用敷设重屋面或施加预应力等措施，才能赋予一定的形状，成为在外荷作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构。

因此也称其为张力结构。

屋盖用悬索结构的冰球馆
悬索结构屋面覆盖的某世博会展厅
某展示厅（意大利）
7 膜结构
膜在本质上也是受拉构件。

像薄壳一样，兼有承重和围护的双重功能。

其张拉力来源于充气或者用桅杆、拱、拉索等构件来将膜绷紧。

由于这些构件灵活的布置形式以及膜本身轻柔的外表，在城市室外空间小品中也常应用；张拉式膜（或索-膜）结构自80年代以
来在发达国家获得极大发展。

这种体系与索网结构类似，张紧在刚性或柔性边缘构件上，或通过特殊构造支承在若干独立支点上，通过张拉建立预应力，并获得确定形状。

膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。

自从上世纪70年代以来，膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。

膜结构已成为大跨度建筑造型的一个重要手段。

体育场张拉膜结构顶盖
膜结构可以想象把索网结构的索细化加密，直到交织成一张薄膜
张拉膜结构的连廊
张拉膜结构的展示空间
安联体育场充气膜结构。