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“大跨空间结构”工程应用实例1.膜结构由张拉结构发展起来，是能覆盖大跨度空间的结构体系。
索膜顶棚采用连续的张拉式索膜结构体系, 总长度约840m, 最大跨度约97m, 膜面总投影面积约61000m², 展开总面积约65000m², 单块膜最大展开面积约1800m², 膜面单元一般呈三角形。
膜材采用A级PTFE膜。
索膜结构边索单跨最大约80m, 脊索最大跨度约115m, 为大跨度柔性结构。
膜顶主要由承重作用的脊索、边索和稳定作用的张拉膜构成, 1根边索、2根脊索和膜形成了三角形为顶面的倒锥台状,膜面为双向曲面, 膜焊缝主要沿经向放射形布置。
整个膜顶支承于外桅杆、内桅杆及阳光谷钢结构上。
索膜结构模型世博轴剖面图索结构示意图顶棚平面图国家游泳中心又被称为“水立方”，位于北京奥林匹克公园内，是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆，也是2008年北京奥运会标志性建筑物之一。
工程占地62828m²，赛时建筑面积79532 m2，建筑物檐口高度31m，基底面积177m×177m，标准坐席17000个（其中临时坐席约13000个，永久坐席4000个）。
本工程主体结构设计使用年限100 年。
“水立方”的建筑外围护采用新型的环保节能ETFE（四氟乙烯）膜材料，由3000多个气枕组成，覆盖面积达到10万m2。
这些气枕大小不一，形状各异，最大一个约9 m²，最小一个不足1 m²。
墙面和屋顶都分为内外3层，9803个球型节点、20870根钢质杆件中，没有一个零件在空间定位上是完全平行的。
“水立方”最大的设计特色是建筑中气泡和自由结构的加入，使得形体上的极端简洁与表现上的极端丰富愈发相得益彰，体现出东方思想与现代的契合。
共由3000多个气枕组成，覆盖面积达到11万平方米的“水立方”膜结构，是世界上规模最大的膜结构工程，也是唯一一个完全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑。
通过这一个学期建筑结构选型将建筑结构分类如下:●平面结构梁柱结构(框架结构桁架结构单层钢架结构拱式结构●空间结构薄壁空间结构网架结构网壳结构网格结构悬索结构薄膜结构●高层建筑结构●平面结构平面屋盖结构空间跨度相比较小,节点、支座形式较简单。
2008年奥运会摔跤比赛馆总建筑面积约23950平方米,比赛馆平面是一个82.4*94米平面,屋面是反对称的折面,采用巨型门式钢钢架结构,将建筑塑造为富有韵律感的造型,如图所示。
三维整体模型工程屋盖由12榀空间门式钢钢架组成,跨度82.4米,中心距8,0米,钢刚架为四肢组合的格构式结构。
构件间的连接节点均为相贯节点,钢架柱(钢管连接于看台部分的钢筋混凝土柱,屋盖结构外形简洁、流畅,节点形式简单,刚度大,几何特性好。
单榀空间门式钢刚架单榀空间门式钢刚架(有连系杆单榀空间门式钢刚架(有连系杆刚架柱支座●空间结构●网格结构✧网架结构一:2008奥运会国家体育馆国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区,建筑面积80 476m2 ,固定座席118 万座,活动座2 000座,用于举办2008 年奥运会的体操、手球比赛,赛后用于举办体育比赛和文艺演出。
虽然体育馆在功能上划分为比赛馆和热身馆两部分,但屋盖结构在两个区域连成整体,即采用正交正放的空间网架结构连续跨越比赛馆和热身馆两个区域,形成一个连续跨结构。
空间网架结构在南北方向的网格尺寸为815m,东西方向的网格有两种尺寸,其中中间(轴a和○K之间的网格尺寸为1210m,其他轴的网格尺寸为815m。
按照建筑造型要求,网架结构厚度在11518~31973m之间。
不包括悬挑结构在内,比赛馆的平面尺寸为114m ×144m,跨度较大,为减小结构用钢量,增加结构刚度,充分发挥结构的空间受力性能,在空间网架结构的下部还布置了双向正交正放的钢索,钢索通过钢桅杆与其上部的网架结构相连,形成双向张弦空间网格结构。
其中最长桅杆的长度为91237m,钢索形状根据桅杆高度通过圆弧拟合确定。
大跨结构应用实例1、广州国际会议展览中心广州国际会议展览中心位于广州市海珠区琶洲岛，是广州市重点建设项目，首期工程用地面积48.9万m2，总建筑面积39.6万m2，共有16个面积1万m2左右的展厅，10700个标准展位，是目前世界上单体建筑面积最大的展览建筑(图4—12～图4—15)。
广州国际会议展览中心主要部分为3层建筑，包夹层共有7层。
架空层主要用作车库、展厅和设备用房，首层和四层为展厅，二层为连接各个入口和各个展厅的人行通道，三、五、六层为办公及设备用房。
首层的中部和四层的南部各有一条贯通东西的卡车通道，东西两侧各有一条从首层通向四层的卡车坡道，运送展品的集装箱车可直达各个展厅。
其技术特点如下：(1)成功解决了超长混凝土结构不设温度缝的难题广州国际会议展览中心楼盖分为10个独立的单元，按建筑要求每个单元不可设缝，其长度和宽度都超过了规范关于温度区间长度的限值，最大单元的面积达90m×163.5m。
为解决这个问题采用平面应力计算方法和有限元三维计算方法对楼盖的应力进行了仔细的分析，通过设置后浇带来减少前期温度应力的影响，通过设置预应力梁和在温度应力较大的区域增加配筋的方法来控制和抵抗温度应力。
这一做法获得成功，2002年12月建成投入使用至今，主体结构未发现肉眼可见的裂缝。
(2)巧用预应力技术，降低大柱网重荷载的混凝土楼盖的造价广州国际会议展览中心四层展厅楼面荷载重达15kN/m2，柱网为30m×30m，整个展厅的平面尺寸达86m×126.6m。
该层综合采用了有粘结预应力梁(大跨度框架主梁)、无粘结预应力梁(一级次梁)及在梁中加直线预应力筋(二级次梁及其他需要部位)等多种预应力方式。
通过精心设计预应力和非预应力钢筋的比例及预应力张拉控制值，使有效预应力的分布尽量接近理想预应力分布，因而各种材料的性能得到充分的利用，达到了既安全又经济的目的，比外方提出的设计方案节省混凝土32912m3，节省预应力钢筋2100t，降低造价约3900万元(还未包括节省的普通钢筋的造价)。
大跨结构应用实例1、广州国际会议展览中心广州国际会议展览中心位于广州市海珠区琶洲岛，是广州市重点建设项目，首期工程用地面积48.9万m2，总建筑面积39.6万m2，共有16个面积1万m2左右的展厅，10700个标准展位，是目前世界上单体建筑面积最大的展览建筑(图4—12～图4—15)。
广州国际会议展览中心主要部分为3层建筑，包夹层共有7层。
架空层主要用作车库、展厅和设备用房，首层和四层为展厅，二层为连接各个入口和各个展厅的人行通道，三、五、六层为办公及设备用房。
首层的中部和四层的南部各有一条贯通东西的卡车通道，东西两侧各有一条从首层通向四层的卡车坡道，运送展品的集装箱车可直达各个展厅。
其技术特点如下：(1)成功解决了超长混凝土结构不设温度缝的难题广州国际会议展览中心楼盖分为10个独立的单元，按建筑要求每个单元不可设缝，其长度和宽度都超过了规范关于温度区间长度的限值，最大单元的面积达90m×163.5m。
为解决这个问题采用平面应力计算方法和有限元三维计算方法对楼盖的应力进行了仔细的分析，通过设置后浇带来减少前期温度应力的影响，通过设置预应力梁和在温度应力较大的区域增加配筋的方法来控制和抵抗温度应力。
这一做法获得成功，2002年12月建成投入使用至今，主体结构未发现肉眼可见的裂缝。
(2)巧用预应力技术，降低大柱网重荷载的混凝土楼盖的造价广州国际会议展览中心四层展厅楼面荷载重达15kN/m2，柱网为30m×30m，整个展厅的平面尺寸达86m×126.6m。
该层综合采用了有粘结预应力梁(大跨度框架主梁)、无粘结预应力梁(一级次梁)及在梁中加直线预应力筋(二级次梁及其他需要部位)等多种预应力方式。
通过精心设计预应力和非预应力钢筋的比例及预应力张拉控制值，使有效预应力的分布尽量接近理想预应力分布，因而各种材料的性能得到充分的利用，达到了既安全又经济的目的，比外方提出的设计方案节省混凝土32912m3，节省预应力钢筋2100t，降低造价约3900万元(还未包括节省的普通钢筋的造价)。
大跨度空间结构工程案例(总9页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除大跨度空间结构案例及分析1、大跨度空间结构选型的概念跨度超过30米的空间结构就是大跨度空间结构。
大跨度空间结构使建筑实现较大的跨度，满足建筑大空间的使用要求，而且结构轻巧，造型优美，受力合理，实用耐久，用钢量低。
大跨度空间结构不仅使空间的水平分隔的灵活性增大，而且也增大了垂直方向的自由调整的可能性。
大跨度空间结构的选型即大跨度空间结构体系方案的优化选择，实际上就是对适合建筑设计的多种结构体系方案进行分析、比较、判断、假设、择优的过程。
2、大跨度空间结构选型的原则大跨度建筑迅速发展的原因一方面是由于社会发展使建筑功能愈来愈复杂；另一方面则是新材料、新结构、新技术的出现，促进了大跨度建筑的进步。
所以大跨度空间结构的发展是在结构受力合理，造型美观等诸多因素的限制下发展起来的。
各种结构不同的优势与劣势，只有将它们合理的运用起来，才能达到技术与艺术都最合适的结构选择，甚至创造出完美的建筑。
在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。
通过适当配置拉索，或可使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载。
前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。
这一类“杂交”结构体系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、经济效果明显提高。
一、案例南京医科大学新建新基础医学教学与科研楼/教研服务中心工程，位于南京市江宁大学城，分教学楼和教研服务中心两部分。
其建筑群皆为四周办公楼中间设中庭的结构形式，中庭跨度约55米，屋面采用折叠钢屋架结构，钢屋架上铺设玻璃采光天窗，有效的解决了楼内的采光问题，外观造型线条优美，气势磅礴，在满足使用功能的同时，又给人以美的享受。
工程概况中庭钢结构屋面，结构形式为一倾斜的折叠钢屋架。
通过这一个学期建筑结构选型将建筑结构分类如下:●平面结构梁柱结构(框架结构桁架结构单层钢架结构拱式结构●空间结构薄壁空间结构网架结构网壳结构网格结构悬索结构薄膜结构●高层建筑结构●平面结构平面屋盖结构空间跨度相比较小,节点、支座形式较简单。
2008年奥运会摔跤比赛馆总建筑面积约23950平方米,比赛馆平面是一个82.4*94米平面,屋面是反对称的折面,采用巨型门式钢钢架结构,将建筑塑造为富有韵律感的造型,如图所示。
三维整体模型工程屋盖由12榀空间门式钢钢架组成,跨度82.4米,中心距8,0米,钢刚架为四肢组合的格构式结构。
构件间的连接节点均为相贯节点,钢架柱(钢管连接于看台部分的钢筋混凝土柱,屋盖结构外形简洁、流畅,节点形式简单,刚度大,几何特性好。
单榀空间门式钢刚架单榀空间门式钢刚架(有连系杆单榀空间门式钢刚架(有连系杆刚架柱支座●空间结构●网格结构✧网架结构一:2008奥运会国家体育馆国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区,建筑面积80 476m2 ,固定座席118 万座,活动座2 000座,用于举办2008 年奥运会的体操、手球比赛,赛后用于举办体育比赛和文艺演出。
虽然体育馆在功能上划分为比赛馆和热身馆两部分,但屋盖结构在两个区域连成整体,即采用正交正放的空间网架结构连续跨越比赛馆和热身馆两个区域,形成一个连续跨结构。
空间网架结构在南北方向的网格尺寸为815m,东西方向的网格有两种尺寸,其中中间(轴a和○K之间的网格尺寸为1210m,其他轴的网格尺寸为815m。
按照建筑造型要求,网架结构厚度在11518~31973m之间。
不包括悬挑结构在内,比赛馆的平面尺寸为114m ×144m,跨度较大,为减小结构用钢量,增加结构刚度,充分发挥结构的空间受力性能,在空间网架结构的下部还布置了双向正交正放的钢索,钢索通过钢桅杆与其上部的网架结构相连,形成双向张弦空间网格结构。
其中最长桅杆的长度为91237m,钢索形状根据桅杆高度通过圆弧拟合确定。
在热身馆区域,不包括悬挑结构,结构跨度为51m ×63m,跨度较小,空间网架结构的高度与跨度比较协调,不需要在网架结构下部布置钢索。
图2 是结构布置图。
在网架结构的上弦平面内,除布置正交正放的上弦杆件外,还布置了菱形支撑杆件。
菱形支撑的四个角点均位于上弦节间的中点,该点也是网架斜腹杆的上弦点。
其中在比赛馆的四周边界满布菱形支撑,在内部跳格布置菱形支撑;在热身馆区域,仅在四周边界布置菱形支撑。
由于比赛馆内的菱形支撑没有连续布置,为进一步提高上弦面的稳定性,通过隅撑和檩条系统将菱形支撑连成整体,组成完整的上弦面内支撑体系(见图2(a 。
在网架结构的下弦面内,沿四周边界布置交叉支撑(见图2 (b 。
除在四周边设有支座外,在热身区域和比赛区域交界处还有一排柱子支承,整个屋盖结构为东西方向单跨简支,南北方向两跨简支。
具体支座的方式为在屋盖结构的8 个角点为三向固定球铰支座,其余为单向(法向滑动球铰支座或双向滑动支座。
a 上弦杆 c 悬索和杆件的布置图b 下弦杆d 1_1e 2_2二:上海世博会主题馆上海世博会主题馆地上建筑面积约8万m2,地下建筑面积约4.8万ITl2,建筑高度为26.30 m。
主题馆平面水平投影为矩形,南北向长217.8 mC包括南北两侧各18.9 m悬挑屋檐。
东西向长288 m。
其中,屋面南北方向由6个V形折板单元组成波浪形屋面,每个折板单元的波长为36 ITI,矢高3 ITI,波脊标高为26.3 Fn,波谷标高为23.3 m。
屋面由西侧展厅屋面、中厅屋面、东侧展厅屋面以及挑檐四部分构成。
西侧展厅沿屋面南北向每间隔18 ITI布置一道预应力张弦桁架。
预应力桁架结构高11.5 ITI,上部刚性杆件结构断面为正三角形立体桁架,高3 1TI、宽3 ITI,下部距预应力桁架两端45 1TI处各设置了两对空间V形撑杆,见图3。
中庭及东部展厅自西向东结构的支承跨度依次为54,45,45 m,将西侧展厅预应力桁架的刚性上弦即3 m高的正三角形立体桁架向东侧屋面延伸连续布置,从而形成长度为270 m的四跨连续桁架梁[1],见图3。
檩条一端连接于桁架上弦节点、另一端连接于桁架的下弦节点;在檩条结构层内满堂布置约18 1TI×18 m的交叉支撑,见图4。
建筑③,@轴的外侧南北挑檐外挑约18.9 m,挑檐结构轴测图见图5。
屋盖结构通过抗震球铰支座支承在下部钢结构柱柱顶,由西向东屋面桁架分别支承于⑩轴、⑨轴、⑩轴、④轴和⑤轴柱的柱顶。
其中⑨轴和⑩轴柱顶支座为固定球铰支座,⑩轴、⑦轴和⑤轴柱顶采用施工过程中滑动,待屋面围护结构和幕墙结构安装完成后,再进行固定,使支座的工作模式变为固定铰支座,屋盖结构能与下部支承结构更好地协同工作。
屋面结构东西向剖面屋面檩条及支撑布置挑檐结构轴侧示意屋盖单独模型主题馆下部结构采用钢框架结构,柱子为方钢管截面,柱间支撑采用了钢支撑和阻尼器支撑的混合支撑体系。
三:广州亚运会台球壁球综合馆3 温度缝的设置4 节点设计四:2008奥运会鸟巢国家体育场建筑体形上像鸟巢新颖独特,具有一定的独创性。
可容纳8万人(奥运会期间可容纳10万人。
平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。
屋盖中间设185.3mX127.5m开口。
整体承重结构由一系列门式刚架绕着内环旋转而成,这种结构布置形成一种三维空间承重体系。
每一榀刚架由高12m的屋盖桁架和三角形桁架柱组成,均采用加肋薄壁箱形截面,为了形成鸟巢效果主桁架上弦上还设有交叉的次要构件,也采用箱形截面。
总用钢量现已优化到4.2万t。
较前降低了1.2万t。
网壳结构一:北京老山奥运自行车馆屋盖结构采用双层球面网壳结构。
网壳跨度133.06m,沿周边外挑8.238m,矢高14.69m,总投影面积约17000m2。
网壳通过24对人字型柱支承于沿周边均匀分布的24根钢筋混凝土柱柱顶,人字型柱柱顶设置钢结构圈梁,利用网壳外挑部分设置圈梁桁架。
钢筋混凝土柱柱顶标高+7.15m,网壳最高点标高+35.49m。
网壳采用四角锥网格,最大网格尺寸为4.96m×4.24m,厚度2.8m。
屋面采用轻型金属屋面板,局部为玻璃采光屋面。
网壳采用焊接球节点,最大杆件为Φ219×14,最大球节点为D650×30,用钢量约为95kg/m2,其中双层球面网壳部分为60kg/m2,人字型柱及钢结构圈梁35kg/m2。
其设计及施工创新点有下列几方面:•老山自行车馆屋盖采用的带人字型柱的双层球面网壳结构概念清晰、传力明确、应力分布合理,具有良好的抗震性能和稳定性能;•环梁与柱脚铸钢球铰支座有效的减小了网壳对支柱及基础的推力,同时也解决了大跨度网架结构的温度应力问题;•设置肋板与垫板提高了环梁大直径圆钢管(D=1200相贯节点抵抗局部失稳的能力,缓解了节点相贯处的局部应力集中,有效的提高了节点的复杂应力作用下的承载能;•该网壳结构采用了外扩拼装及圆形拔杆群接力提升就位的安装方法,该方法简便可行、易于控制安装精度且施工费用低。
二:2008奥运会乒乓球馆该体育馆屋盖的造型充分考虑了中国传统建筑特色和北京的城市建筑风格(图1 ,在建筑形象上抽象地表达了乒乓球比赛的特点。
整个屋盖的屋檐水平投影为9312m×72m 的矩形,长边屋檐向外挑出4m,短边屋檐外挑616m,屋檐的直线部分建筑标高为2114m,弧形部分屋檐的最高点标高为2815m。
中央球壳的矢高为7m,其支承边界的直径24m,球冠标高为3313m。
球壳覆面材料为玻璃,这就可以让自然光线穿过中央球壳照入室内。
连接球壳边界与弧形屋檐高点的两条由低到高螺旋状的屋脊与透明的中央球壳成为屋盖建筑造型的特点,象征着乒乓球对速度、力量、旋转的综合要求。
屋面其余部分由屋檐、屋脊、球壳构成其曲面边界,其曲面造型随这些边界形状的变化而渐变。
整个屋面由于两条屋脊的旋转起伏形成了在空间上呈反对称的异形扁壳曲面。
作为奥运史上第一个乒乓球专用比赛场馆,北京大学体育馆的屋面造型非常独特(图1 。
该屋面除了中央矢高为7m,跨度为24m 的中央球壳为球面外,其余的屋面部分无法采用解析曲面对其进行描述。
然而屋面曲面形态的准确描述是屋盖结构选型、构件定位、排水设计、屋面施工的基础。
为此,首先采用了NURBS技术完成其屋面的曲面形态设计。
该体育馆中央球壳的标高为3313m,球壳周边的圆形支承边界的标高为2613m,旋转屋脊低端与中央球壳的圆支承边界相切,高端在屋檐处的最高点标高为2815m。
两条短边直线屋檐的标高为2114m,两条长边屋檐直线部分的标高也是2114m,曲线部分由两段相切的弧线组成,最高点为2815m。
整个屋面即由中央球壳支承边界、两条旋转起伏的异形屋脊、四条异形屋檐构成了其曲面的边界(图2 。
在曲面建模程序中,首先完成上述曲面边界曲线的建模,作为屋面形态设计的主控制线,其中两条旋转屋脊采用样条曲线描述,其余的边界采用直线和圆弧进行描述。
然后对屋面进行分区(图3 ,利用屋面呈反对称的特点,将屋面分解为几个具有异形边界的细分子域,每个子域的曲面形态即由其异形边界的曲率控制。
3 结构体系与布置在充分分析屋盖建筑造型特点的基础上,经多次方案论证,屋盖结构采用预应力平面桁架壳体(图6 。
结合下部的混凝土结构柱网布置,共布置了32 榀辐射桁架,辐射桁架外端的竖腹杆(立柱与下部混凝土结构的柱中心对齐,并通过抗震球铰支座支承于混凝土结构的柱顶,支座中心的水平投影位于64m×80m的矩形上;辐射桁架内端由中心标高2613m、内径24m、断面宽2m、高5m的菱形受压刚性环连接成整体,进而形成中央球壳的支承结构。
为了使结构造型与所取曲面形态一致,充分利用桁架结构建筑造型适应能力强的特点,将桁架上弦杆计成其轴线位于屋面曲面内的复杂曲线形状,下弦与上弦平行,桁架高215m,腹杆布置方式确保了较长的斜腹杆受拉,较短的竖腹杆受压。
与每榀辐射桁架对应,在其下部设32 根预应力辐射拉索,拉索外端锚固于辐射桁架下弦与支座相邻的节点处,内端连接于标高2213m、内径26m 的水平受拉刚性环上。
受拉刚性环通过高4m 的人字型受压撑杆与受压刚性环的下弦杆连接,从而将下部张拉索系与上部组合壳体组合成整体,形成杂交张拉结构体系。
在施工安装阶段,通过张拉拉索对结构施加预应力,从而使人字型撑杆受压,实现对壳体反向加载,相当于对结构卸载,使结构产生与竖向荷载作用相反的内力和变形;在附加恒载和使用荷载作用下,壳体和拉索共同工作抵抗荷载,拉索、撑杆构成上层壳体的弹性支承。
由于上述拉索预应力和弹性支承的共同作用,使得最终壳体的内力和变形明显减小,实现对壳体应力和变形的主动控制,从而大大提高了结构效率。
