大跨度結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

張麗莉

摘 要：大跨度結(jié)構(gòu)形式非常多樣，無論是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)，還是懸索結(jié)構(gòu)或者是穹隆結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)形式都能夠打造出跨度極大的建筑空間，能夠打造出形態(tài)與風(fēng)格極其多樣的現(xiàn)代化建筑。大跨度結(jié)構(gòu)越來越廣泛的出現(xiàn)在各類建筑中，這種結(jié)構(gòu)不僅能夠打造出更為豐富多樣的建筑群，該結(jié)構(gòu)形式也有著許多獨(dú)有的優(yōu)越性。文章對(duì)此進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：大跨度結(jié)構(gòu)；建筑設(shè)計(jì)；應(yīng)用；分析

隨著建筑形式的不斷多樣化，大跨度結(jié)構(gòu)越來越廣泛的出現(xiàn)在各類建筑中，這種結(jié)構(gòu)不僅能夠打造出更為豐富多樣的建筑群，該結(jié)構(gòu)形式也有著許多獨(dú)有的優(yōu)越性。本文將具體談?wù)劥罂缍冉Y(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析。

1 椼架結(jié)構(gòu)與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

椼架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)都可以作為大跨度結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用。雖說在古代就已經(jīng)有了用木材做成的形式多樣的構(gòu)架被用作屋頂結(jié)構(gòu)，但是椼架結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生卻是現(xiàn)代的事情，椼架結(jié)構(gòu)才是真正符合力學(xué)原理，并且可以作為跨越較大空間的大跨度結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為大跨度結(jié)構(gòu)則更為普遍，不僅如此，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也有著其特有的優(yōu)越性。一方面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具備形變小、剛度大、應(yīng)力分布均勻并且能夠借助大面積減輕結(jié)構(gòu)自重的方法來減少建筑用材等優(yōu)勢(shì)。這些都使得網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用較為普遍的大跨度結(jié)構(gòu)。

比起椼架結(jié)構(gòu)而言，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更為普遍。50年代后期上海同濟(jì)大學(xué)曾建造了裝配整體式鋼筋混凝土單層聯(lián)方網(wǎng)架殼形結(jié)構(gòu)建筑，大廳部分凈跨度為40米，外跨度54米，這是一個(gè)非常典型的網(wǎng)架大跨度結(jié)構(gòu)，這個(gè)建筑也很有代表性。上海文化廣場(chǎng)的改建設(shè)計(jì)則采用了鋼結(jié)構(gòu)球節(jié)點(diǎn)平板型網(wǎng)架，1970年建成，這也是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)使用的一個(gè)很好的典范。

2 薄殼結(jié)構(gòu)（又稱殼體結(jié)構(gòu)）

薄殼結(jié)構(gòu)是大跨度結(jié)構(gòu)中很有代表性的一種。通常情況下采用輕質(zhì)且強(qiáng)度高的材質(zhì)所做成的結(jié)構(gòu)，如果按照強(qiáng)度計(jì)算其剖面尺度通常都可以大幅度縮減，但是也存在一個(gè)問題，這種結(jié)構(gòu)往往穩(wěn)定性較差，尤其是在荷載的情況下很容易由于形變而失去內(nèi)在的穩(wěn)定性。薄殼結(jié)構(gòu)則很好的避免了這些不足，這種結(jié)構(gòu)模式往往能夠均勻合理的分配其內(nèi)部應(yīng)力，并且能夠長(zhǎng)時(shí)間保持非常好的穩(wěn)定性，所以薄殼結(jié)構(gòu)是大跨度結(jié)構(gòu)中一個(gè)很好的典范。

薄殼結(jié)構(gòu)在大跨度結(jié)構(gòu)中也較為常見，其中最典型的一個(gè)例子便是人們熟知的悉尼歌劇院。整個(gè)悉尼歌劇院的屋頂是由三組巨大的殼體組成，聳立在一南北長(zhǎng)186米、東西最寬處為 97米的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基座上。殼體的用途也非常多樣，既可以每一個(gè)殼體獨(dú)立使用，同時(shí)，三個(gè)殼體也可以組合起來共同使用。正是因?yàn)檫@種組合的多樣性，使得這一組殼體所覆蓋的面積也可以根據(jù)需求產(chǎn)生變化。既可以覆蓋大面積，也可以借助殼體變化覆蓋中等面積。不僅如此，覆蓋的形狀也非常多樣，長(zhǎng)方形、矩形、三角形、圓形，這些形狀的平面都可以得到，甚至還可以組合成其它更為特殊形狀的平面。薄殼結(jié)構(gòu)在悉尼歌劇院中的應(yīng)用將其特征及其優(yōu)越性都發(fā)揮到了極致，是一個(gè)非常成功的大跨度結(jié)構(gòu)在建筑中應(yīng)用的實(shí)例。

3 懸索結(jié)構(gòu)

隨著鋼材在建筑應(yīng)用中的日趨廣泛，這種性能非常優(yōu)質(zhì)的材料也慢慢成為大跨度結(jié)構(gòu)的一種用材。鋼材通常都具備很高的強(qiáng)度，很小的截面就能夠承受很大的壓力，因此，采用鋼索搭建懸吊屋頂結(jié)構(gòu)慢慢發(fā)展成為一種新型的大跨度結(jié)構(gòu)。如果是單向懸索其穩(wěn)定性及強(qiáng)度通常較差，在大風(fēng)的作用下更是容易振動(dòng)失衡。想要彌補(bǔ)這種缺陷將單向懸索換成雙向懸索是一個(gè)很好的選擇。雙向懸索通常都分為上下兩層，上層為穩(wěn)定層，起到整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用，下層則為承重層，需要承受整個(gè)屋頂?shù)呢?fù)載量。這種雙向懸索通常具有很好的承重性及穩(wěn)定性，并且具備很大的空間跨度。

懸索結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以追溯到很早的階段，早在上世界50年代美國(guó)羅利市便建成了著名的牲畜場(chǎng)。這個(gè)建筑采用了一種少見的雙曲馬鞍形懸索結(jié)構(gòu)。上世界1960年前后建造的位于華盛頓的杜勒斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)的候機(jī)廳也采取了這種懸索結(jié)構(gòu)。候機(jī)廳的空間面積非常廣闊，上下一共分為兩層，屋頂上懸掛的一組直徑為2.5cm的懸索將整個(gè)候機(jī)大廳長(zhǎng)183m、夸45m的空間結(jié)構(gòu)支撐起來，可謂是一個(gè)建筑奇觀。

4 拱券結(jié)構(gòu)及穹隆結(jié)構(gòu)

歷史最為悠久的大跨度結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)屬拱券結(jié)構(gòu)及穹隆結(jié)構(gòu)，早在2000多年前的古希臘時(shí)期這種建筑形式就已經(jīng)存在，這種結(jié)構(gòu)具有非常顯著的擴(kuò)大室內(nèi)空間的功效。古代時(shí)期遠(yuǎn)沒有現(xiàn)代社會(huì)這么多的建筑材料，石頭通常是建筑物建造中最為常用的材料，然而，僅僅借助這些最為原始的材料古人們憑借智慧已經(jīng)打造出了一種最為古老的大跨度結(jié)構(gòu)。古建筑室內(nèi)空間的逐漸擴(kuò)大與延伸，這和拱形結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展演變有著很直接的關(guān)系。對(duì)于建筑歷史展開研究后不難發(fā)現(xiàn)，各種形式的拱結(jié)構(gòu)，無論是簡(jiǎn)形拱、交叉拱還是穹隆，這些結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生都是先人為了能夠逐漸擴(kuò)大室內(nèi)空間才慢慢被發(fā)掘與利用。

拱形結(jié)構(gòu)是最早被用作擴(kuò)大室內(nèi)空間的一種大跨度結(jié)構(gòu)，然而，這種結(jié)構(gòu)自身卻存在著一些局限性，不僅會(huì)制約空間組合的靈活程度，為了保持建筑物整體的穩(wěn)定需要有很厚實(shí)的支座來支撐拱頂。為了化解這種不足，人們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)踐中找到了以雙向交叉的簡(jiǎn)形拱作為替代，之后又創(chuàng)造了另一種更為優(yōu)越的結(jié)構(gòu)——穹隆結(jié)構(gòu)。穹隆結(jié)構(gòu)也是一種古老的大跨度結(jié)構(gòu)形式，早在公元前14世紀(jì)建造的阿托雷斯寶庫所運(yùn)用的就是一個(gè)直徑為14.5米的疊澀穹隆。到了羅馬時(shí)代，半球形的穹隆結(jié)構(gòu)已被廣泛地運(yùn)用于各種類型的建筑，其中最著名的要算潘泰翁神廟。神殿的直徑為43.3米，其上部覆蓋的是一個(gè)由混凝土做成的穹隆結(jié)構(gòu)。

大跨度結(jié)構(gòu)形式非常多樣，無論是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)，還是懸索結(jié)構(gòu)或者是穹隆結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)形式都能夠打造出跨度極大的建筑空間，能夠打造出形態(tài)與風(fēng)格極其多樣的現(xiàn)代化建筑。隨著對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用研究的不斷深入，相信日后的建筑設(shè)計(jì)中對(duì)其的使用會(huì)更為成熟，這種結(jié)構(gòu)也能夠更好的為建筑設(shè)計(jì)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉宏偉.大跨建筑混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2008.

[2] 蘇朝浩.結(jié)構(gòu)藝術(shù)與建筑創(chuàng)作之協(xié)同研究[D].華南理工大學(xué)，2010.

[3] 戴明.信息化進(jìn)程中建筑設(shè)計(jì)的歷史變遷[D].同濟(jì)大學(xué)，2006.

[4] 徐洪濤.大跨度建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的建構(gòu)研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2008.

[5] 于艷麗.橋建合一大型站房結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué)， 2010.

[6] 王麗萍.山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入與側(cè)向剛度控制方法[D].重慶大學(xué)，2010.