淺論大跨度結構在建筑工程中的應用

文/林炳良、于志國、王磊 煙建集團有限公司 山東煙臺 264000

1、大跨度結構

所謂大跨度結構，是指橫向跨越60米以上空間的各類結構形式的建筑的總稱。在古羅馬時代就已有大跨度結構建筑的雛形。在進入新世紀以來，隨著新型高強度輕質量的建筑材料（如合金鋼、特種玻璃、特種合金等）和高分子合成材料的發(fā)展，極大地減輕大跨度結構自重的同時又顯著增強了其強度和韌性，其應用變得日益廣泛。目前為止，大跨度結構多用于民用建筑中的影劇院、體育館、展覽館、大會堂、航空港候機大廳及其他大型公共建筑以及工業(yè)建筑中的大跨度廠房、飛機裝配車間和大型倉庫等，其在應用中所帶來的實際價值也受到人們的交口稱贊。

2、大跨度結構在建筑工程中的應用

2.1 網架結構與網殼結構應用

一般的，網格結構是指由多根桿件按照某種規(guī)律的幾何圖形通過節(jié)點連接起來的空間結構，其中雙層或多層平板形的網格結構就稱為網架結構或網架，這種網架結構通常是采用鋼管或者型鋼材料制作而成的。網架結構的主要特點就是重量輕、剛度大和抗震性能好，同時此結構在施工安裝時操作簡便，再加上由于網架桿件和節(jié)點可以實現定型化、商品化以及可以在工廠中進行批量生產，因此有利于提高生產效率；事實上，網架靈活的平面布置更加利于吊頂以及一些管道、設備的安裝。隨著人們對審美要求的不斷提高，網架造型輕巧、美觀、大方和便于建筑處理、裝飾的特點在很大程度上滿足了人們的要求。網架結構的主要形式包括平面桁架系組成的網架結構、四角錐體組成的網架結構、三角錐組成的網架結構和六角錐體組成的網架結構，具體使用哪種網架結構要根據實際情況分析后進行選擇，因為不同的結構使用范圍不同，為使其充分發(fā)揮作用，所以建筑設計過程中，大跨度結構的選擇應認真考慮。

與網架結構相比，網殼結構比較簡單。通常將曲面形網格結構稱為網殼結構，由于網殼層數的區(qū)別，又有單層網殼和雙層網殼之分。網殼結構的優(yōu)點較為突出，這種結構具有桿系結構和薄殼結構的主要特性，其桿件比較單一，受力也較為合理，而且剛度大，跨越能力強，既可以通過小型構件進行組裝，又不需要大型機械設備，因此安裝方便，經濟合理，不論是建筑平面還是空間曲面，都可根據創(chuàng)作的要求來選取。而網殼的用材主要有鋼網殼、木網殼、鋼筋混凝土網殼等。它的結構形式可以分為球面網殼、雙曲面網殼、圓柱面網殼、雙曲拋物面網殼等。隨著建筑設計的要求不同，對網殼結構的形式選擇也是設計者必須要慎重研究決定的。

2.2 懸索結構應用

由于鋼的強度很高，很小的截面就能夠承受很大的拉力，因而在本世紀初就開始用鋼索來懸吊屋頂結構。懸索在均勻荷載作用下必然下垂而呈懸鏈曲線的形式，索的兩端不僅會產生垂直向下的壓力，而且還會產生向內的水平拉力。單向懸索結構為了支承懸索并保持平衡，必須在索的兩端設置立柱和斜向拉索，以分別承受懸索所給予的垂直壓力和水平拉力。單向懸索的穩(wěn)定性很差，特別是在風力的作用下，容易產生振動和失穩(wěn)。

為了提高結構的穩(wěn)定性和抗風能力，還可以采用雙層懸索或雙向懸索。雙層懸索結構平面呈圓形，索分上下兩層，下層索承受屋頂全部荷載，為承重索；上層索起穩(wěn)定作用，為穩(wěn)定索，上下兩層索均張拉于內外兩個圓環(huán)上而形成整體。這種形式的懸索結構承重索與穩(wěn)定索具有相反的彎曲方向，這兩種索交織成索網，經過預張拉后形成整體，具有良好的穩(wěn)定性和抗風能力。

懸索結構除跨度大、自重輕、用料省外還具有平面形式多樣（除可覆蓋一般矩形平面外還可以覆蓋圓形、橢圓、正方形、菱形乃至其他不規(guī)則平面的空間），使用的靈活性大、范圍廣；由多變的曲面所形成的內部空間既寬大宏偉又富有運動感；主剖面呈下凹的曲面形式，曲率平緩，如處理得當既能順應功能要求又可以大大節(jié)省空間和空調費用；形式變化多樣，可以為建筑形體和立面處理提供新的可能性。在荷載作用下，懸索結構體系能承受巨大的拉力，因此要求設置能承受較大壓力的構件與之相平衡。

2.3 拱卷結構應用

拱卷結構是當前建筑發(fā)展中最為常見的結構形式，其被廣泛的應用在西方建筑結構當中，在古希臘最為常見，其建筑結構設計和發(fā)展的前提基礎，更是當前建筑發(fā)展中的主要施工措施和施工完善體系。人類大約在兩千多年前，就有擴大室內空間的要求。在古代建筑施工的過程中，由于建筑技術手段和施工工藝的欠缺，使得在建筑施工的過程中對空間利用不夠完善。古代建筑室內空間的擴大是和拱結構的演變發(fā)展緊密聯系著的，是通過拱門形式進行結構的連接和變化。人類為了謀求更大室內空間在建筑施工的過程中采用各種技術分析手段和控制措施對建筑結構進行嚴格的設計和管理。拱卷結構技術是羅馬建筑最大的特色及成就，它對歐洲建筑做出了巨大的貢獻。羅馬建筑典型的布局方法、空間組合、藝術形式和風格以及某些建筑的功能和規(guī)模等等都是同拱卷結構有密切聯系。

拱形結構在承受荷重后除產生重力外還要產生橫向的推力，為保持穩(wěn)定，這種結構必須要有堅實、寬厚的支座。例如以筒形拱來形成空間，反映在平面上必須有兩條互相平行的厚實的側墻，拱的跨度越大，支承它的墻則越厚。很明顯，這必然會影響空間組合的靈活性。為了克服這種局限，在長期的實踐中人們又在單向筒形拱的基礎上，創(chuàng)造出一種雙向交叉的筒形拱。

結語：

隨著當前社會技術的不斷發(fā)展，在建筑施工的過程中各種結構形式不斷的變化，大跨度建筑結構體系逐步成為當前建筑施工中的主要應用形式。大跨度結構不僅能提供十分優(yōu)秀的承載力，而且自重輕，能夠節(jié)約大量的建筑材料，為建筑工程節(jié)約成本。大跨度結構的可控性很強，讓設計師有很大的發(fā)揮余地，未來大跨度結構會具有極強的市場競爭力。

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