空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)概論

高潔

【摘 要】文主要介紹了空間結(jié)構(gòu)的形式各個(gè)形式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，包括剛性結(jié)構(gòu)體系、柔性結(jié)構(gòu)體系、雜交結(jié)構(gòu)體系、折疊結(jié)構(gòu)、開合結(jié)構(gòu)、玻璃結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單分析了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

文章編號(hào):ISSN1006—656X(2013)06?-000104-01

一、鋼結(jié)構(gòu)中空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，各種形式的空間結(jié)構(gòu)已向超大跨度結(jié)構(gòu)發(fā)展，其中空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)用的非常廣泛。例如天津體育中心，雙層球面網(wǎng)殼，焊接球節(jié)點(diǎn)；國(guó)家大劇院外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，深圳機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳，濟(jì)南長(zhǎng)途汽車總站客運(yùn)樓，天津自然博物館……一些已建或正在建的鋼結(jié)構(gòu)工程，以其創(chuàng)新的理念、新穎的造型和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式成為了標(biāo)志性建筑。

二、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式

（一）剛性結(jié)構(gòu)體系

1.網(wǎng)架

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是目前空間結(jié)構(gòu)中發(fā)展最快，應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，按其結(jié)構(gòu)組成劃分為交叉桁架系、四角錐體系和三角錐體系三大類。特點(diǎn)是空間剛度大，整體性好，有良好的抗震性能，而且構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便，桿件規(guī)格統(tǒng)一（上、下弦桿等長(zhǎng)，腹桿等長(zhǎng)）。

2.網(wǎng)殼

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比較廣泛，曲面形狀多樣，有柱面網(wǎng)殼、球面網(wǎng)殼以及其他各類復(fù)雜曲面及其組合。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是主要優(yōu)點(diǎn)是它的靈活性能夠適應(yīng)建筑設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性，但由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要承受的是壓力，那么它就存在穩(wěn)定問(wèn)題。當(dāng)跨度超過(guò)一定值后，材料的強(qiáng)度不能充分利用，不經(jīng)濟(jì)。

（二）柔性結(jié)構(gòu)體系

1.懸索結(jié)構(gòu)

懸索結(jié)構(gòu)是由高強(qiáng)拉索組成的張力結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)較早建成的是天津大學(xué)體育館。按其組成方法和受力特點(diǎn)可分為單層懸索結(jié)構(gòu)，雙層懸索結(jié)構(gòu)和索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。討論懸索結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問(wèn)題是結(jié)構(gòu)在風(fēng)與地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)。

2.膜結(jié)構(gòu)

膜結(jié)構(gòu)可分為充氣式膜結(jié)構(gòu)和張力式膜結(jié)構(gòu)兩種。膜結(jié)構(gòu)具有自重輕、造型美觀、富有時(shí)代氣息、能源消耗少、施工速度快、經(jīng)濟(jì)效益明顯、使用安全可靠、以及使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于大型體育設(shè)施，娛樂中心，超級(jí)商場(chǎng)等。但是，我國(guó)目前膜結(jié)構(gòu)還沒有廣泛使用，主要原因是：國(guó)產(chǎn)膜材性能差，進(jìn)口膜材價(jià)格高；膜結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)滯后；缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工規(guī)程。

3.張拉整體結(jié)構(gòu)

張拉結(jié)構(gòu)是由一組不連續(xù)的受壓構(gòu)件與一套連續(xù)的受拉單元組成的自支承、自平衡的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系的剛度由受拉索和受壓?jiǎn)卧g的平衡預(yù)應(yīng)力提供，在施加預(yù)應(yīng)力之前，結(jié)構(gòu)幾乎沒有剛度，并且初預(yù)應(yīng)力的值對(duì)結(jié)構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)剛度的大小起著決定性作用。

（三）雜交結(jié)構(gòu)體系

雜交結(jié)構(gòu)既可以是剛性結(jié)構(gòu)體系間的組合，也可以是柔性結(jié)構(gòu)體系與剛性結(jié)構(gòu)體系的組合。如斜拉網(wǎng)架，懸掛網(wǎng)架，拱支網(wǎng)架，弦支結(jié)構(gòu)等。雜交結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮不同類型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，如：由于拱的作用，整體網(wǎng)殼被劃分成若干小的區(qū)段，使得網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定性轉(zhuǎn)化為局部區(qū)段的穩(wěn)定性問(wèn)題，部分桿件或區(qū)段的局部失穩(wěn)不會(huì)波及整個(gè)結(jié)構(gòu)。所以，雜交結(jié)構(gòu)可以更經(jīng)濟(jì)，更合理地跨越大空間。

（四）折疊結(jié)構(gòu)

折疊結(jié)構(gòu)是一種用時(shí)展開，不用時(shí)收起的結(jié)構(gòu)，類似于雨傘、遮陽(yáng)傘。可分為附加支撐折疊結(jié)構(gòu)和自穩(wěn)定折疊結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，如：生活中中施工棚、集市大棚、臨時(shí)住宅等；軍事上的戰(zhàn)地指揮、戰(zhàn)地救護(hù)等；航空上：太陽(yáng)帆、可展式天線等。它的主要特點(diǎn)是造型新穎、質(zhì)量輕、攜帶方便、便于保管和運(yùn)輸且可重復(fù)使用，在各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

（五）開合結(jié)構(gòu)

在很短時(shí)間內(nèi)移動(dòng)開合部分或全部屋蓋，是的建筑物在屋頂開啟和關(guān)閉的兩種狀態(tài)下都可以使用。開合時(shí)間大概是20~25min，開合方式有水平移動(dòng)、水平旋轉(zhuǎn)、空間移動(dòng)及其組合。開合結(jié)構(gòu)與體育事業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)：在比較惡劣的環(huán)境條件下保護(hù)觀眾和運(yùn)動(dòng)員，實(shí)現(xiàn)了能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行預(yù)定比賽的目的，例如為2008年北京奧運(yùn)會(huì)興建的國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢”， 平面形式為橢圓形,長(zhǎng)軸340m短軸292m。屋蓋中間有一個(gè)146m×76m的開口，這部分將設(shè)計(jì)成開合屋蓋。結(jié)構(gòu)形式為空間剛架繞著內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)而成。

（六）玻璃結(jié)構(gòu)

玻璃結(jié)構(gòu)的材料：浮法玻璃、鋼化玻璃及淬火玻璃。點(diǎn)式玻璃幕墻是一種新型的玻璃結(jié)構(gòu)，省去了支撐框架，代以拉索、桁架及鋼爪，玻璃的通透性大大增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗震性能也好于普通的玻璃幕墻。

三、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在體育建筑，機(jī)場(chǎng)建筑，車站建筑，賓館、會(huì)堂及展覽館，工業(yè)廠房及小品建筑上都有廣泛的應(yīng)用。各類結(jié)構(gòu)形式有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，它們共同的主要優(yōu)點(diǎn)是受力合理，可以跨越較大的跨度，結(jié)構(gòu)組成靈活，有規(guī)律，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)比較成熟，加工制作機(jī)械化程度高。缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)用鋼量較大，加工費(fèi)較高，單層網(wǎng)殼屬缺陷敏感性結(jié)構(gòu)，計(jì)算分析較為復(fù)雜。

四、總結(jié)

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以其明顯的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域快速發(fā)展起來(lái)。這就要求我們要熟練掌握這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，結(jié)構(gòu)選型是概念設(shè)計(jì)當(dāng)中至關(guān)重要的一步，選擇正確的結(jié)構(gòu)形式可以有效地降低建筑的造價(jià)、提升結(jié)構(gòu)的可靠性，改善建筑的使用體驗(yàn)。文中所提到的基本包含目前鋼結(jié)構(gòu)中一般空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于較為復(fù)雜的大跨度建筑以及地質(zhì)條件極端惡劣的施工地區(qū)，還需單獨(dú)針對(duì)現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行討論，選擇非常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式來(lái)滿足建筑的功能需求和安全性要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003

[2] 沈祖炎，陳楊驥.網(wǎng)架與網(wǎng)殼[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997

[3] 高立人（譯）.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004

[4] 楊慶山.張拉索——膜結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004

[5] 張其林.索和膜結(jié)構(gòu)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002

[6] 沈世釗.懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997

[7] 陳務(wù)軍.膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)[M] . 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005

[8] 羅憶.玻璃幕墻設(shè)計(jì)與施工[M] . 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005

[9] 空間結(jié)構(gòu)委員會(huì).空間結(jié)構(gòu)論文集[A ]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997