淺析大跨房屋鋼結構建筑的結構體系

【摘 要】隨著我國改革開放的進一步深化和世界知識經濟的普遍發展，經濟騰飛，人民生活水平日益提高，房產建筑和交易市場呈現出前所未有的繁榮景象。20時間后半期，土木工程和結構工程涌現出更高、更大、更長的超大型復雜結構，大跨房屋鋼結構建筑形式得到更為廣泛的應用，然而中國以建筑師的設計思維和視角對此進行研究的課題甚少。本文基于傳統大跨房屋鋼結構建筑體系的理論和實踐，從建筑師的角度，充分考慮建筑因素的復雜性和難度處理，對其基本構成要素和材料、構件、技術等進行詳細分析，并參考《大跨空間結構選型的因素體系模型》一文的建模系統，對大跨房屋鋼結構建筑的結構體系進行了重新的詮釋與補充。旨在為民用鋼建筑提供新思路和新方法，提高工程質量、加快工程進度、降低施工成本。

【關鍵字】大跨房屋鋼結構；結構體系；新結構形式

1 大跨度鋼的主要內容和應用情況

1.1 大跨度鋼的主要內容和特點

理論界普遍認為大跨度鋼結構體系覆蓋范圍廣、包括內容多，很難用明確、嚴格的定義來說明，一般認可跨度超過60m的結構可以稱為大跨度結構。由于其結構上的多跨、連續跨等形式不同和受力特征的區別，又可概括出以下體系：

大跨度鋼結構具有形式多樣化、多姿多彩的特點。自上個世紀60年代以來，這種結構在我國得到廣泛應用，直至80-90年代，中、小型跨度網架已經遍布各地，體育場館、工廠車間、居民住房、機場等都使用了大跨度鋼結構。這種結構由逐桿相連改為上、下弦桿連續設置，較方便地形成多曲率，不存在節點連接件，結構用鋼量可與網格結構持平或有所減小。

除此之外，代預應力技術的引入使大跨度空間鋼結構更具活力，呈現出先進性、合理性、經濟性的優勢，改善了原結構的受力狀態和內力峰值，增強結構剛度、技術經濟效果明顯提高。構新材料的應用和計算機技術的進步也極大地推動大跨空間鋼結構的進步與發展。廣廈鋼結構 CAD 系統、天津空間網架工程公司 TJWJ909，以及浙大空間網格結構分析設計軟件 MSTCAD 都是大跨度鋼結構更加完善。

1.2 大跨房屋鋼結構建筑在我國的應用情況

一直以來，美、日、歐等發達國家的房屋鋼材建筑處于領先地位，各種類型的大跨空間鋼結構發展迅速，新技術和新材料也層出不窮。例如美國于1961年建成的匹茲堡會堂，直徑達127m，1996年奧運會修建的佐治亞穹頂橢圓形平面的輪廓尺寸達192×241m。

我國的空間鋼結構基礎較為薄弱，起步也較晚，但隨著國家經濟實力和綜合國力的增強，大跨工業廠房、機場、會展中心、劇院等得到了前所未有的發展和應用。從最初的平面架構、平板網架、單層網架到現在的空間立體桁架、多層網架等結構，其先進性、合理性、經濟性得到了充分的展示，也引起了學界對大跨房屋鋼結構建筑的進一步探討和研究。

2 傳統思路與新技術創新下大跨民用鋼結構建筑對比研究

2.1 基于傳統思路分類的大跨房屋鋼結構

《大跨房屋鋼結構》、《鋼結構構件和結構體系概述》兩書中對大跨民用鋼結構的結構特點、構成要素、應用技術、使用材料等都做出了詳盡的描述，可用圖表概括如下：

2.2 新技術、新材料、新構件背景下的大跨房屋鋼結構

在新技術的推動下，大跨房屋鋼結構出現了許多新的形式，包括索桁架、 立體索桁架、交叉索桁平板網架、空間預應力索桁結構等。他們作為新的結構形式具有通過撐桿連接抗彎受壓構件、抗拉構件、拉力與壓力成對抵抗截面彎矩等特點，日本學者將其定義為“用撐桿連接抗彎受壓構件和抗拉構件而成的自平衡體系”。

根據建筑學原理，空間預應力索桁結構則是一種三維布置的索桁空間受力體系，其形成緣由有平面雙向索結構經旋轉陣列或者是將平面體系雙向或多向布置，也有的是將上弦和腹桿延展到空間，而下弦仍在二維平面內。可通過以下圖標形象的說明。

這種新結構形式既保證了建筑結構的受力合理，又節省了建筑空間，同時滿足了建筑需求，其中屬美國著名工程師蓋格爾在富勒張拉整體結構思想基礎上創新設計出的索穹頂是這類結構的最為成功的典范，首度應用于大跨度工程。

3 大跨房屋鋼結構建筑結構體系的考慮因素

顧名思義，大跨度鋼結構的建筑核心是跨度問題，特征和優勢也都體現在跨度上。因此，跨度因素是首要考慮因素。隨著社會的進步，人們需要更大的空間結構進行公共活動，對于大空間的需求引起了大跨度空間鋼結構形式的出現。每一種大跨空間鋼結構形式都有其比較適應的跨度區間，超過該區間其結構空間性能及剛度合適性就會變劣?？缍仁墙Y構空間性能及剛度合適性最重要的組成部分之一。

其次，需要考慮寬度因素。作為一種典型的空間受力的結構形式，大跨空間鋼結構，具有不宜分解為平面的體形，換而言之，具有三維受力特性。因此，另一向的長度對整體結構的影響不容忽視。

第三，建筑功能。建筑的根本任務在于能夠服務于人的空間，是一種具有使用價值的功能、藝術、技術綜合體。特別是將其應用到民用房屋結構時，應著重注意建筑的采光及通風、保溫及隔熱、與環境的協調美、建筑形象美等。具體而言：

3.1 自然采光及通風。對采光和通風的考慮會影響到結構形體的變化，從而對結構選型的結果產生影響；

3.2 保溫及隔熱。大跨空間建筑體量大，容納人數較多，必須考慮人置身其中的舒適感，但另一方面人們在其中停留的時間不會太長，這個因素也必須加以考慮。

3.3 建筑形象美。形象美是通過建筑的物質實體來表達的，一般受結構形態的影響。

3.4 與環境相協調。建筑不是孤零零獨立于周圍環境之外的，大跨空間建筑基地環境各不相同，建筑體量的安排、尺度的處理、風格的創造等必然隨之變化。簡而言之，環境為大跨空間建筑創造鮮明的個性準備了條件。

第四，需要考慮荷載類型。任何建筑物都必須保證其在結構的設計使用期內，具有足夠的承載能力，這是安全的保證，也是使用壽命的延伸。荷載類型一般可分為以地震荷載為主、以風荷載為主、以雪荷載為主等以及以屋面荷載為主等。對不同的，甚至同一的荷載類型而言，同一大跨空間鋼結構的構件受力均勻與合理性都是有差異的。

第五，平面形狀。對于千差萬別的建筑平面形狀，采用不同的大跨空間鋼結構時其構件受力均勻與合理性也不盡相同。現有的大跨空間鋼結構常用的形狀包括矩形、正多邊形、圓形、橢圓形、菱形及組合形?？梢哉f，建筑平面形狀是構件受力均勻與合理性組成部分之一。

4 大跨房屋鋼結構建筑的施工技術方法

4.1 分條安裝法

分條安裝法又稱小片安裝法，是指結構從平面分割成若干條狀或塊狀單元，分別用起重機械吊裝至高空設計位置總拼成整體的安裝方法。這種安裝方法適用于剛度和手里改變較小的結構，可省去大量的拼裝支架，有利用控制質量，減少高空作業。

4.2 高空滑移法

這種施工方法是將結構按條狀單元分割，然后把這些條狀單元在建筑物預先鋪設的滑移軌道上由一端滑移到另一端，就位后總拼成整體的方法稱為高空滑移法。

高空滑移法具有工期短、鋼結構的滑移可與其他土建工程平行、節約空間、設備簡單、成本低，以及不需大型起重設備的優點，特別在場地狹小或跨越其他結構而使起重機等無法進入的情況下更為合適。

4.3 整體吊裝法

整體吊裝法是指將結構在地面總拼成整體，用起重設備將其吊裝至設計標高并固定的方法。該技術可以就地與柱錯位總拼或在場外總拼，一般適用于焊接連接網架。但也有其不可避免的缺點，如需要大型的起重設備，且對停機點的地耐力要求較高。

4.4 整體提升法

上海歌劇院屋蓋工程即采用了這種施工方法。學界認為，整體提升法是將結構在地面整體拼裝后，起重設備設于結構上方，通過吊桿將結構提升至設計位置的施工方法。充分利用了、升板機、液壓滑模、千斤頂等設備安裝大型鋼結構，

降低吊裝成本，同時提升時可將防水層、屋面板及電氣設備等全部在地面施工后，再提升到設計標高，實現節省施工費用的目標。

4.5 整體頂升法

這是利用柱作為滑道，將千斤頂安裝在結構各支點的下面，逐步提升的施工方法。結構支點在下面，與整體提升法在提升設備的位置上有根本不同。

4.6 折疊展開安裝法

此種施工技術源于日本法政大學教授川口衛先生開發的 Pantadome 安裝方法，把一個穹頂看作由徑向的拱繞豎向中軸旋轉一周而成。這樣穹頂結構就可以產生 1 個豎向的、且唯一的自由度。隨后利用這種臨時的自由度，把穹頂折疊起來，在較為接近地面的位置高度進行安裝。

具體的施工過程是暫不安裝某些部位的環向桿，組裝完成后，用液壓頂升的方法把結構推舉到設計標高，變成一個穩定的幾何不變結構，具體過程可見下圖。

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