[科普中國(guó)]-大跨度建筑

大跨度建筑通常是指跨度在80m以上的建筑，我國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定跨度60m以上的結(jié)構(gòu)為大跨度結(jié)構(gòu)。主要用于民用建筑的影劇院、體育場(chǎng)館、展覽館、大會(huì)堂、航空港以及其他大型公共建筑。在工業(yè)建筑中則主要用于飛機(jī)裝配車間、飛機(jī)庫(kù)和其他大跨度廠房。大跨度建筑結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)等基本空間結(jié)構(gòu)及各類組合空間結(jié)構(gòu)。

簡(jiǎn)介大跨度建筑是跨越80m以上屋蓋空間的建筑。

在一些建筑中，由于功能的要求，必須是大空間而且中間不容許立柱，如體育館、影劇院、展覽館、大會(huì)堂、候機(jī)、候車、候船大廳等公共建筑和工業(yè)建筑的廠房、飛機(jī)庫(kù)和其他大型倉(cāng)庫(kù)等。

大跨度建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)主要有：門式剛架、薄腹梁、折板、桁架、拱、殼體、網(wǎng)架、懸索和薄膜結(jié)構(gòu)等形式。1

歷史沿革大跨度建筑在古代羅馬已經(jīng)出現(xiàn)，如公元120~124年建成的羅馬萬(wàn)神廟，呈圓形平面，穹頂直徑達(dá)43．3m，用天然混凝土澆筑而成，是羅馬穹頂技術(shù)的光輝典范。在萬(wàn)神廟之前，羅馬最大的穹頂是公元1世紀(jì)阿維奴斯地方的一所浴場(chǎng)的穹頂，直徑大約38m。然而大跨度建筑真正得到迅速發(fā)展還是在19世紀(jì)后半葉以后，特別是第二次世界大戰(zhàn)后的幾十年中。例如1889年為巴黎世界博覽會(huì)建造的機(jī)械館，跨度達(dá)到115m，采用三鉸拱鋼結(jié)構(gòu)；又如1912-1913年在波蘭布雷斯勞建成的百年大廳直徑為65m，采用鋼筋混凝土肋穹頂結(jié)構(gòu)。目前世界上跨度最大的建筑是美國(guó)底特律的韋恩縣體育館，圓形平面，直徑達(dá)266m，為鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。我國(guó)大跨度建筑是在解放后才迅速發(fā)展起來(lái)的，20世紀(jì)70年代建成的上海體育館，圓形平面，直徑110m，鋼平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。我國(guó)目前以鋼索及膜材做成的結(jié)構(gòu)最大跨度已達(dá)到320m。

大跨度建筑迅速發(fā)展的原因一方面是由于社會(huì)發(fā)展使建筑功能愈來(lái)愈復(fù)雜，需要建造高大的建筑空間來(lái)滿足群眾集會(huì)、舉行大型的文藝體育表演、舉辦盛大的各種博覽會(huì)等；另一方面則是新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的出現(xiàn)，促進(jìn)了大跨度建筑的進(jìn)步。一是需要，二是可能，兩者相輔相成，相互促進(jìn)，缺一不可。例如在古希臘古羅馬時(shí)代就出現(xiàn)了規(guī)模宏大的容納幾萬(wàn)人的大劇場(chǎng)和大角斗場(chǎng)，但當(dāng)時(shí)的材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)條件卻無(wú)法建造能覆蓋上百米跨度的屋頂結(jié)構(gòu)，結(jié)果只能建成露天的大劇場(chǎng)和露天的大角斗場(chǎng)。19世紀(jì)后半期以來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建筑上的廣泛應(yīng)用，使大跨度建筑有了很快的發(fā)展，特別是近幾十年來(lái)新品種的鋼材和水泥在強(qiáng)度方面有了很大的提高，各種輕質(zhì)高強(qiáng)材料、新型化學(xué)材料、高效能防水材料、高效能絕熱材料的出現(xiàn)，為建造各種新型的大跨度結(jié)構(gòu)和各種造型新穎的大跨度建筑創(chuàng)造了更有利的物質(zhì)技術(shù)條件。

大跨度建筑發(fā)展的歷史比起傳統(tǒng)建筑畢竟是短暫的，它們大多為公共建筑，人流集中，占地面積大，結(jié)構(gòu)跨度大，從總體規(guī)劃、個(gè)體設(shè)計(jì)到構(gòu)造技術(shù)都提出了許多新的研究課題，需要建筑工作者去探究。

結(jié)構(gòu)類型拱券及穹隆結(jié)構(gòu)從迄今還保存著的古希臘宏大的露天劇場(chǎng)遺跡來(lái)看，人類大約在兩千多年前，就有擴(kuò)大室內(nèi)空間的要求。古代建筑室內(nèi)空間的擴(kuò)大是和拱結(jié)構(gòu)的演變發(fā)展緊密聯(lián)系著的，從建筑歷史發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)看，一切拱結(jié)構(gòu)-包括各種形式的券、筒形拱、交叉拱、穹隆-的變化和發(fā)展，都可以說(shuō)是人類為了謀求更大室內(nèi)空間的產(chǎn)物。券拱技術(shù)是羅馬建筑最大的特色及成就，它對(duì)歐洲建筑做出了巨大的貢獻(xiàn)，影響之大無(wú)與倫比。羅馬建筑典型的布局方法、空間組合、藝術(shù)形式和風(fēng)格以及某些建筑的功能和規(guī)模等等都是同券拱結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。

拱形結(jié)構(gòu)在承受荷重后除產(chǎn)生重力外還要產(chǎn)生橫向的推力，為保持穩(wěn)定，這種結(jié)構(gòu)必須要有堅(jiān)實(shí)、寬厚的支座。例如以筒形拱來(lái)形成空間，反映在平面上必須有兩條互相平行的厚實(shí)的側(cè)墻，拱的跨度越大，支承它的墻則越厚。很明顯，這必然會(huì)影響空間組合的靈活性。為了克服這種局限，在長(zhǎng)期的實(shí)踐中人們又在單向筒形拱的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造出一種雙向交叉的筒形拱。而之后為了建筑的發(fā)展熱門又創(chuàng)造出了穹隆結(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(kù)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)。

在大跨度結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)越分散，對(duì)于平面布局和空間組合的約束性就越強(qiáng)；反之，結(jié)構(gòu)的支承點(diǎn)越集中，其靈活性就越大。從羅馬時(shí)代的筒形拱衍變成高直式的尖拱拱肋結(jié)構(gòu)；從半球形的穹隆結(jié)構(gòu)發(fā)展成帶有帆拱的穹隆結(jié)構(gòu)，都表明由于支承點(diǎn)的相對(duì)集中而給空間組合帶來(lái)極大的靈活性。

桁架與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桁架也是一種大跨度結(jié)構(gòu)。在古代，雖然也有用木材做成各種形式的構(gòu)架作為屋頂結(jié)構(gòu)的，但是符合力學(xué)原理的新型桁架的出現(xiàn)卻是現(xiàn)代的事。桁架結(jié)構(gòu)雖然可以跨越較大的空間，但是由于它自身具有一定的高度，而且上弦一般又呈兩坡后曲線的形式，所以只適合擔(dān)當(dāng)作屋頂結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也是一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)。它具有剛度大、變形小、應(yīng)力分布均勻、能大幅度地減輕結(jié)構(gòu)自重和節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可以用木材、鋼筋混凝土或鋼材來(lái)做，并且具有多種多樣的形式，使用靈活方便，可適應(yīng)于多種形式的建筑平面的要求。國(guó)內(nèi)外許多大跨度公共建筑或工業(yè)建筑均普遍地采用這種新型的大跨度空間結(jié)構(gòu)來(lái)覆蓋巨大的空間。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可分為單層平面網(wǎng)架、單層曲面網(wǎng)架、單層平板網(wǎng)架和雙層穹隆網(wǎng)架等多種形式。單層平面網(wǎng)架多由兩組互相正交的正方形網(wǎng)格組成，可以正方，也可以斜放。這種網(wǎng)架比較適合于正方形或接近于正方形的巨型平面建筑。如果把單層平面網(wǎng)架改變?yōu)榍?拱或穹隆網(wǎng)架，或可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的剛度并減小構(gòu)件所承受的彎曲力。從而增大結(jié)構(gòu)的跨度。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)像框架結(jié)構(gòu)一樣，承重系統(tǒng)與非承重系統(tǒng)有明確的分工，即支承建筑空間的骨架是承重系統(tǒng)，而分割室內(nèi)外空間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)隔斷，是不承受荷載的。在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系下，室內(nèi)空間常依照功能要求進(jìn)行分隔，可以使封閉的，也可以是半封閉或開敞的。

當(dāng)今，空間平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在我國(guó)已有較大發(fā)展，而由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)多采用金屬管材制造，能承受較大的縱向彎曲力，與一般鋼結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)約大量鋼材和降低施工費(fèi)用（根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，節(jié)約鋼材約35%，降低施工費(fèi)用約25%，甚至在某些情況下，耗鋼量接近于普通鋼筋混凝土梁中的鋼筋數(shù)量）。因此，空間網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)形式，用于大跨度建筑具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。另外，由于空間平板網(wǎng)架具有很大的剛度，所以結(jié)構(gòu)高度不大，這對(duì)于大跨度空間造型的創(chuàng)作，具有無(wú)比的優(yōu)越性。

殼體結(jié)構(gòu)一般而言，用輕質(zhì)高強(qiáng)材料做成的結(jié)構(gòu)，若按強(qiáng)度計(jì)算，其剖面尺寸可以大大地減小，但是這種結(jié)構(gòu)在荷載的作用下，卻容易因變形而失去穩(wěn)定并最后導(dǎo)致破壞。而殼體結(jié)構(gòu)正是由于合理的外形，不僅內(nèi)部應(yīng)力分配既合理又均勻，同時(shí)又可以保持極好的穩(wěn)定性，所以殼體結(jié)構(gòu)盡管厚度極小卻可以覆蓋很大的空間。

殼體結(jié)構(gòu)的剛度，取決于它的合理形狀，而不像其他結(jié)構(gòu)形式需要加大結(jié)構(gòu)斷面，所以材料消耗量低；其靜載也不像其他結(jié)構(gòu)形式那樣隨跨度增大而加大，所以其厚度可以做得很薄；該結(jié)構(gòu)的承重和無(wú)蓋合二為一，使其更加經(jīng)濟(jì)有效，且在建筑空間利用上越加充分。

殼體結(jié)構(gòu)按其受力情況不同可以分為折板、單曲面殼和雙曲面殼等多種類型。在實(shí)際應(yīng)用中，殼體結(jié)構(gòu)的形式更是豐富多彩的。例如悉尼歌劇院，其外觀為三組巨大的殼片，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。而殼體結(jié)構(gòu)既可以單獨(dú)使用又可以組合起來(lái)使用；既可以用來(lái)覆蓋大面積空間，又可以用來(lái)覆蓋中等面積的空間；既適合方形、矩形平面要求，又可以適應(yīng)圓形平面、三角形平面，及至其他特殊形狀平面的要求。

因?yàn)闅んw結(jié)構(gòu)屬于高效能空間薄壁結(jié)構(gòu)范疇，可以適應(yīng)于力學(xué)要求的各種曲線形狀，所以其承受彎曲及扭轉(zhuǎn)的能力遠(yuǎn)比平面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)大。另外，因結(jié)構(gòu)受力均勻，因而可充分發(fā)揮材料的材耗，所以殼體結(jié)構(gòu)體系非常適用于大跨度的各類建筑。

懸索結(jié)構(gòu)由于鋼的強(qiáng)度很高，很小的截面就能夠承受很大的拉力，因而在本世紀(jì)初就開始用鋼索來(lái)懸吊屋頂結(jié)構(gòu)。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(huì)產(chǎn)生垂直向下的壓力，而且還會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)的水平拉力。單向懸索結(jié)構(gòu)為了支承懸索并保持平衡，必須在索的兩端設(shè)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(fēng)力的作用下，容易產(chǎn)生振動(dòng)和失穩(wěn)。

為了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力，還可以采用雙層懸索或雙向懸索。雙層懸索結(jié)構(gòu)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(nèi)外兩個(gè)圓環(huán)上而形成整體。這種形式的懸索結(jié)構(gòu)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(wǎng)，經(jīng)過(guò)預(yù)張拉后形成整體，具有良好的穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力。

懸索結(jié)構(gòu)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(nèi)部空間既寬大宏偉又富有運(yùn)動(dòng)感；主剖面呈下凹的曲面形式，曲率平緩，如處理得當(dāng)既能順應(yīng)功能要求又可以大大節(jié)省空間和空調(diào)費(fèi)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。

在大跨度結(jié)構(gòu)建筑選型時(shí)，懸索結(jié)構(gòu)由于沒(méi)有繁瑣支撐體系的屋蓋結(jié)構(gòu)選型，所以該種結(jié)構(gòu)是較為理想的形式。在荷載作用下，懸索結(jié)構(gòu)體系能承受巨大的拉力，因此要求設(shè)置能承受較大壓力的構(gòu)件與之相平衡。

膜結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來(lái)的一種類型，它以性能優(yōu)良的織物為材料，或是向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性骨架將膜面繃緊，從而形成具有一定剛度并能覆蓋大跨度結(jié)構(gòu)體系。膜結(jié)構(gòu)既能承重又能起圍護(hù)作用，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，其重量卻大大減輕，僅為一般屋蓋重量的1/10-1/30。

膜結(jié)構(gòu)按其支承方式的不同，一般包括：

（1）空氣膜結(jié)構(gòu)-跨度大時(shí)可用氣承式，就是在建筑物內(nèi)部空間注以空氣，屋面的拱度一般都較低，以減小欺壓，大跨度時(shí)往往在建筑物的對(duì)角線方向布置交叉的鋼索，對(duì)膜面起加勁作用。而氣脹式空氣膜結(jié)構(gòu)則是將膜材做成周圍密封的圓形雙層，充氣后形成飛碟狀；或?qū)⒛げ淖鞒砂雸A形圓筒，充氣后如同半個(gè)輪胎，以此為單元組合成各種屋蓋。該膜結(jié)構(gòu)主要用在跨度較小的臨時(shí)性建筑上。

（2）懸掛膜結(jié)構(gòu)-一般采用獨(dú)立的桅桿或拱作為支承結(jié)構(gòu)將鋼索與膜材懸掛起來(lái)，然后利用鋼索向膜面施加張力將其繃緊，這樣就形成了具有一定剛度的屋蓋。

（3）骨架支撐膜結(jié)構(gòu)-這是以鋼骨架代替了空氣膜結(jié)構(gòu)中的空氣作為膜的支撐結(jié)構(gòu)，骨架可按建筑要求選用拱、網(wǎng)殼之類的結(jié)構(gòu)，然后在骨架上敷設(shè)膜材并繃緊，適用于平面為方形、圓形或矩形的建筑物。

（4）復(fù)合膜結(jié)構(gòu)-這是膜結(jié)構(gòu)中新的結(jié)構(gòu)體系，由鋼索、膜材及少量受壓的桿件組成，由于主要用于圓形平面，稱“索穹頂”。這個(gè)體系包括連續(xù)的拉索和單獨(dú)的壓桿，在荷載作用下，力從中心受拉環(huán)或桁架通過(guò)放射狀的徑向脊索、谷索、環(huán)向拉索、斜拉索傳向周圍的受壓環(huán)梁。扇形的膜面從中心環(huán)向外環(huán)方向展開。通過(guò)對(duì)鋼索施加拉力而繃緊，固定在壓桿與接合處的節(jié)點(diǎn)上。該結(jié)構(gòu)適用于大跨度的圓形或橢圓形建筑。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)