大跨空間結構技術創新與實踐

王東將 邢桂久 劉倩

（中國建筑第七工程局有限公司，河南鄭州 450000）

大跨空間結構在建筑中應用所展現的優勢與造型魅力，是其他類型建筑結構無法代替的，在深入建筑行業建設工程項目的研究中發現，市場內大部分大型公共建筑都是參照大跨空間結構開發設計的[1]。隨著現代化建筑設計技術的不斷優化，多種以此為基礎的建筑成了市場內的標志性建筑[2]。此類建筑具有造型獨特、外觀優美，但整體外形不規則的特點，因此，在此類建筑結構設計時，需要從多個角度，全面考慮結構設計的合理性[3]。為進一步實現對此項工作的創新與優化，本文將以某大跨空間結構為支撐的建筑項目為例，展開深入的探討與研究。

1 工程概況

本次研究的大跨空間結構建筑項目為某地區的大型公共娛樂建筑，此建筑依附環境中的深基坑建設，基坑整體呈現“U”型開口[4]。其中，自由邊界最大橫跨長度可以達到200m以上，預期此項目建成后，地上建筑的最大高度約為37m，建筑總面積可以達到120570m2。此建筑建成后將成為該地區的地標性建筑，為社會群體生活、娛樂、休閑、購物提供一個一體化的空間場所。設計項目的深基坑現狀見圖1。

圖1 項目所在地深基坑現狀

通過與工程方設計師的交涉，繪制此項目建成后的預期效果圖與三維結構模型圖，見圖2。

圖2 項目建成后的預期效果圖與三維結構模型圖

為滿足項目建成后具有更加良好的視覺效果需求，此建筑預設采用自由流線造型設計，整體結構由上、下兩個主要部分構成（見圖2中的右側三維結構模型），建筑上部結構屬于一個具有大跨特征的空間鋼殼網，下部結構為一個直徑約為70m的開洞平板，由平板承載建筑的全部荷載?？紤]到建筑上部結構具有外形不規則的特點，因此，在下部開洞平板受到由上部結構傳遞的荷載，存在分布不均的特點，為實現對此建筑空間結構技術的全面優化，下述將開展與此方面相關的進一步設計研究。

2 大跨空間結構技術創新

2.1 大跨空間結構體系設計

大跨空間結構憑借其在空間上的優勢，結構類型和形式更加豐富，當前大跨空間結構體系包括雜交、張拉整體、張弦等多種類型[5]。從其空間結構角度出發，將現有大跨空間結構體系劃分為四大類，分別為空間網格體系結構、鋼筋混凝土薄殼結構、張拉整體結構和雜交組合結構。在建筑結構設計時，根據其不同需要，可針對性選擇上述四種體系結構中的一種[6]。在組成結構體系時，需要按照一定的規律對桿件、構件等各個節點進行連接，并形成一個完整的空間結構。同時，在結構體系設計時，需要確定結構初始設計域，其相關體積可用下述公式表示：

式中，V0為大跨空間初始設計域的結構體積；C0為大跨空間初始設計結構總應變能；C為大跨空間結構的極限應變能。

在對其設計域進行迭代優化的過程中，假設在某一次迭代i中結構相關體積可用下述公式表示：

式中，Vi為第i次迭代時大跨空間結構體系的總體積；Ci為第i次迭代時大跨空間結構的總應變能。在結構體系優化設計時，可結合性能指標對其結構體系優化設計效率進行評價。同時，利用性能指標也可更直觀反映出體系的設計域體積與應變能之間的關系[7]。性能指標為無量綱量，并且隨著迭代次數的不斷增加，利用性能指標評價結果可以更明確需要刪除的體系結構，以此改變原有大跨空間結構的拓撲形態。

2.2 大跨空間結構材料優選

當前傳統大跨空間結構常使用的材料包括鋼材、混凝土等，隨著新材料的不斷創新和推廣，高強鋼拉索、鋁合金等材料在大跨空間結構上也十分常見。其中，鋁合金材料具備自重輕、耐腐蝕性強的優勢，通常被應用于游泳館等水蒸氣含量較高的建筑空間當中。同時，在大跨空間結構設計時，若采用這一類型材料，則能夠對空間中產生的水蒸氣侵蝕進行更好抵御，以此也能夠進一步降低后期建筑在運營時產生的維修費用，從經濟角度上也具備更大優勢[8]。木材是一種可再生材料，同時具備環保、節能和造型美觀的優勢，在大跨空間結構當中也十分常見。在部分建筑當中，采用了將木構件直接作為支撐結構的方式，將其內部結構外露，并不對其進行吊頂裝飾設計，以此能夠充分展現出木結構的親和力，為人們帶來更溫馨的感受。在具體對結構材料進行選擇時，還需要具備更可靠的數據依據。在對大跨空間結構材料進行選擇時，需要考慮到相同屬性材料之間的二維平面問題，結合VonMises應力定義，得到下述計算公式：

式中σ為同屬性材料的正應力；σx為材料在橫向上的正應力；σy為材料在縱向上的正應力；t為材料剪應力。

根據上述計算公式，結合結構最大應力約束條件，確定結構材料的優化模型為：式中A為優化結果；β1，β2，…，n均為結構材料設計變量，其取值為0或1。

定義足夠大的結構初始設計區域，將設計區域離散為有限元網格結構，并確定施加荷載以及相應的邊界條件，對初始設置的參數數值進行刪除并重新賦值。再對結構進行有限元計算分析，得出各個結構每個單元的應力數值，在對結構的材料進行選擇時，將其對應的應力數值代入到上述優化模型當中，在確保得出的結果為最優解后，確定該材料即為最適合的材料。

2.3 大跨空間穩定性結構找形

為提高大跨空間結構的穩定性，對其進行穩定性找形設計。在找形過程中，確定力傳導的最佳幾何結構。在遵循用最少材料實現最大功能結構的原則下，確保使用的材料能夠充分發揮其力學性能。材料的力學效率可通過其力流優化的方式實現。通常情況下，針對結構較為簡單的體系而言，在找形設計時，應當盡可能避免受到彎矩作用的影響，結構構件本身應當能夠承受住來自建筑的拉力和壓力。針對上述需要，采用動力松弛法實現找形設計，將結構的合理受力作為找形的優化目標，針對空間結構的幾何形態與內力分布關系，從而尋找更加合理且有效的結構形態拓撲結構。

對于面內以受壓為主的大跨空間結構，其結構的穩定性十分關鍵，一旦出現失穩情況，則會造成結構出現大范圍的凹陷或凸起，進而使得結構表面平整度降低，影響結構的外觀，同時，對于建筑結構的安全性也會造成極大影響。因此，在大跨空間結構找形時，需要將穩定性作為重要前提。找形時，應當結合下述公式，將其作為結構承載力的約束條件，設計出符合穩定性要求的結構：

式中Nmin為大跨空間結構應當具備的最小承載力；f為結構抗壓強度；δ為結構換算面積；δk為結構受壓面積；δkk為結構核心截面面積。

3 實踐應用案例分析

為確保設計的大跨空間結構建筑滿足或符合其實際運營管理需求，應在設計前，對建筑的設計條件與業主方提出的設計要求進行集中整理。相關內容見表1。

表1中的相關數值均由《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）中記錄的數據獲取。

設計時考慮到建筑樓面的荷載分布呈現不均勻狀態，空間結構屋頂中間位置呈現漏斗狀下凹椎體，因此，需要全面考慮建筑不同位置的荷載分布情況，具體內容見表2。

表1 大跨空間結構建筑設計條件

表2 大跨空間建筑下部結構荷載分布

表2中的X、Y、Z對應此建筑在橫向、豎向與縱向方向上受到的恒載作用力，表2中對應的①～⑦區域見圖3。

圖3 大跨空間建筑下部結構荷載分布對照區域

按照上述方式，完成對大跨空間結構建筑的綜合受力分析，在此基礎上，按照本文設計的步驟，進行建筑結構的計。完成設計后，在①～⑦區域中隨機選擇測試點，檢測承載力。對比檢測結果與設計承載力數值，分析按照本文設計方法進行大跨空間結構建筑設計，是否能確保建筑結構滿足設計需求。整理測試結果見表3。

表3 大跨空間結構建筑測點承載力檢測結果與設計承載力對比結果

根據表3所示的實驗結果可以看出，測點承載力檢測結果＞設計承載力，說明設計的大跨空間結構建筑整體結構承載力符合設計需求，即結構整體具有足夠的安全性與穩定性。總而言之，按照上文提出的方法進行大跨空間結構建筑的創新設計，可以在滿足外觀美化、造型獨特的基礎上，提高建筑結構的承載力，確保設計的建筑在投入使用后具有較高的可靠性。

4 結語

通過本文此次的研究，明確了大跨空間結構建筑在我國未來建筑行業具有發展勢頭較猛的趨勢，在這一背景下，多元化形式的建筑結構空間、全新的建筑結構體系、現代化建筑工程設計材料、高新技術開始涌現。目前，中國在相關大跨空間結構建筑方面的研究已經位于世界前列，但相關此方面的創新性成果仍存在缺陷。因此，在后續的研究中，還應進行此方面研究成果的進一步深化，通過此種方式，進一步實現對大跨空間結構建筑研究的深化，為我國建筑與相關領域的快速發展提供全面的指導與幫助。