大跨建筑發(fā)展概述

武 濤

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

大跨建筑發(fā)展概述

武 濤

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

簡單介紹了大跨度建筑的發(fā)展歷史，著重對(duì)大跨鋼結(jié)構(gòu)的主要形式及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了闡述，并對(duì)大跨木結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)與限制因素作了分析，為大跨建筑的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

大跨度，建筑，結(jié)構(gòu)，發(fā)展

0 引言

我們將橫向跨度大于60 m的各類空間結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為大跨度空間結(jié)構(gòu)。近些年來隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高以及文化生活的發(fā)展，促使大量可同時(shí)容納上萬人的體育館以及大型的影劇院拔地而起，其中比較典型的有鳥巢、國家大劇院。它們以其寬敞明亮的空間和獨(dú)特的造型贏得人們贊揚(yáng)的同時(shí)，也彰顯出大跨度建筑的巨大進(jìn)步。

1 大跨度建筑的發(fā)展歷史

大跨度建筑的萌芽最早出現(xiàn)在古羅馬建筑的拱頂中，古羅馬帝國在全國各地修建的教堂、角斗場大多采用拱券結(jié)構(gòu)，也正是憑借著其對(duì)拱券結(jié)構(gòu)的深入認(rèn)識(shí)，使得古羅馬建筑內(nèi)部空間寬敞雄偉、功能齊全。其中建于東羅馬時(shí)期的圣索菲亞大教堂的拱頂跨度已達(dá)33 m，是當(dāng)時(shí)大跨度建筑的典范。

近代大跨度建筑的發(fā)展在19世紀(jì)末取得了一定突破，主要成就體現(xiàn)在于1889年在巴黎世界博覽會(huì)中修建的跨度115 m的機(jī)械館。它深深受到工業(yè)革命的影響，采用當(dāng)時(shí)最為先進(jìn)的鋼制三鉸拱結(jié)構(gòu)。20榀這種鋼拱相連形成一個(gè)一覽無余的內(nèi)部空間，是繼英國水晶宮之后又一令人咋舌的建筑。

進(jìn)入20世紀(jì)以來，由于土木工程材料的不斷豐富以及研究的不斷深入，特別是在鋼筋混凝土技術(shù)的研究方面，使結(jié)構(gòu)的形式日新月異。例如，建于波蘭的布雷斯勞百年大廳總覆蓋面積超過5 000 m2，直徑有65 m之長，使用鋼筋混凝土肋穹頂結(jié)構(gòu)。

到20世紀(jì)中葉，材料科學(xué)迅速發(fā)展，使得以合金鋼為首的一批輕質(zhì)高強(qiáng)材料開始進(jìn)入土木工程領(lǐng)域，這些材料的產(chǎn)生與應(yīng)用極大地減輕了結(jié)構(gòu)自重，促進(jìn)了大跨度建筑的進(jìn)一步發(fā)展。例如，形如倒扣著的貝殼的巴黎國家工業(yè)與技術(shù)中心陳列大廳，占地面積90 000 m2，采用雙層雙曲薄殼結(jié)構(gòu)，每個(gè)殼體都采用分段預(yù)制，之后再通過預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土將雙曲薄殼連接，每邊的跨度均達(dá)到了218 m。再如，為1964年東京奧運(yùn)會(huì)而興建的日本代代木國立綜合體育館，是一座典型的使用懸索結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大跨度的建筑，長邊達(dá)到240 m，短邊也有120 m，整座建筑20 000 m2的面積全部為懸索托起。

2 大跨建筑的結(jié)構(gòu)體系

混凝土結(jié)構(gòu)因其自身重力大、形式單一等缺點(diǎn)不宜用于大跨度建筑當(dāng)中。常用于大跨度建筑中的結(jié)構(gòu)包括鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)，其中以鋼結(jié)構(gòu)為主。本文以鋼結(jié)構(gòu)為主對(duì)大跨度建筑的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行介紹并簡要介紹木結(jié)構(gòu)大跨度建筑。

2.1 大跨鋼結(jié)構(gòu)

常見鋼結(jié)構(gòu)形式見表1。

表1 常見的鋼結(jié)構(gòu)形式表

平面桿系結(jié)構(gòu)中的輕型門式剛架以其重量輕、施工速度快、安裝方便等方面的優(yōu)勢(shì)得到了人們的一致認(rèn)同，又因其高度的系統(tǒng)化與裝配化被廣泛應(yīng)用于大型倉庫、飛機(jī)庫當(dāng)中。例如，建于北京西郊機(jī)場的飛機(jī)庫正是利用這種建筑結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)72 m的大跨度的。

空間桿系結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以及張力結(jié)構(gòu)中的膜結(jié)構(gòu)都是空間結(jié)構(gòu)中發(fā)展最快的兩種結(jié)構(gòu)形式。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因其兼具桿件結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)，可以形成優(yōu)美的建筑造型以及桿件單一，易于實(shí)現(xiàn)工廠化、預(yù)制化；便于快速安裝等長處。不僅在國內(nèi)具有廣泛的市場，而且得到世界各國的普遍關(guān)注，是一種極具發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)形式。目前在我國已建成的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑多達(dá)80座，總建筑面積也已接近70 000 m2，每年用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的鋼材多達(dá)20萬t，建造量已達(dá)800萬m2。其中以修建于1989年的北京奧林匹克體育中心綜合體育館最具代表性，其采用雙層圓柱面斜拉網(wǎng)殼，平面尺寸70 m×87 m，是當(dāng)時(shí)國內(nèi)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中跨度最大的。國外關(guān)于膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展起步較早，到19世紀(jì)70年代，膜結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于體育場館、展覽中心等需要開闊空間的建筑中。相比而言，我國的膜結(jié)構(gòu)起步較晚，但是發(fā)展迅速不容小覷。僅在2003年一年全國膜結(jié)構(gòu)建筑就達(dá)到了18萬t。2008年北京奧運(yùn)會(huì)、2010年上海世博會(huì)和廣州亞運(yùn)會(huì)的舉辦，引發(fā)了我國膜結(jié)構(gòu)發(fā)展的高潮?！傍B巢”和“水立方”均采用雙層膜結(jié)構(gòu)，充分利用、展現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)的環(huán)保性、透光性等優(yōu)點(diǎn)，給人以簡潔、明快之感。

2.2 大跨木結(jié)構(gòu)

木材用于大跨度建筑中具有很長的歷史，我國古代建筑的主要原材料即為木材。但受到科技水平及文明程度的影響，建筑形式比較單一，建筑的跨度也受到很大的限制。

近代大跨木結(jié)構(gòu)的發(fā)展可以追溯到工業(yè)革命時(shí)期。工業(yè)革命后，以鋼筋、混凝土為代表的一批新興建筑材料迅速占據(jù)了人們的視野，木材在建筑行業(yè)中的作用漸漸被人淡忘。但工業(yè)革命催生了木材的工業(yè)化進(jìn)程，使木材的深加工技術(shù)日趨完善，出現(xiàn)了新型木材如膠合木、層壓板等。它們與成材相比，強(qiáng)度提高，內(nèi)應(yīng)力減小，不易開裂與翹曲。這為木材在大跨度建筑中再次應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。工業(yè)革命后期，伴隨著霧霾等環(huán)境污染問題的出現(xiàn)，人們的生活質(zhì)量急劇下降。這引起了人們對(duì)環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等議題的重視。大跨木結(jié)構(gòu)也順勢(shì)再次得到發(fā)展，促使了跨度162 m的世界第一座大型木結(jié)構(gòu)穹頂——美國塔科馬穹頂，于1983年落成。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)水平的上升以及物質(zhì)生活的提高，無論是對(duì)于更大活動(dòng)空間的要求還是對(duì)雄偉大氣建筑物的神往，都促進(jìn)了大跨度建筑的進(jìn)一步發(fā)展。相信隨著對(duì)建筑材料結(jié)構(gòu)體系的進(jìn)一步深入研究，大跨度建筑定會(huì)日益昌盛。

[1] 劉宏偉.大跨建筑混合結(jié)構(gòu)的分類[J].城市建筑，2008(15):29-31.

[2] 何 晨.技術(shù)的復(fù)合——現(xiàn)代大跨木結(jié)構(gòu)的探索[J].華中建筑，2011(10):63-66.

[3] 袁雪峰，李效梅，周俐俐.淺析大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系[J].四川建筑科學(xué)研究，2007(31):40-42.

[4] 宋 林.淺析多層大跨超長混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].安徽建筑，2014(4):68-69.

The overview of large span architecture development

Wu Tao

(CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

This paper introduced the development history of large span architecture, emphatically elaborated the major forms and advantages of large span steel structure, and analyzed the development trend and limiting factors of large span wood structure, laid foundation for the further development of large span architecture.

large span, architecture, structure, development

2015-01-05

武 濤(1994- )，男，在讀本科生

1009-6825(2015)08-0060-02

TU393.3

A