大跨度空间结构设计(孙建琴主编)思维导图

大跨度建筑构造----概论
❖ 界定：30M以上
❖ 如何选择结构形式
❖ ——造型
❖ 我国现行钢结构规范：60M ——空间利用的合理性
以上
——对内部装饰的影响
❖ 历史
——万神庙 ——美国·底特律·韦恩县体育馆
（Wayne County stadium ） （266m，圆形钢网壳） ——上海体育馆 （110m，圆形钢平板网架） ——英国千年穹 （365m，帐篷结构）
薄壳结构及其造型
薄壳结构及其造型
广州星海音乐厅
自由壳体的构想
Hanging membranes by Heinz Isler
自由壳体的构想
薄壳施工
Indoor Tennis Center in Heimberg, Switzerland
薄壳施工
Indoor Tennis Center in Heimberg, Switzerland
具有独特外观
五、折板结构及其造型
❖ 类型
——断面 ——外形
折 板 结 构 及 其 造 型
折 板 结 构 及 其 造 型
六、薄壳结构及其造型
❖ 特点 ❖ 结构类型
n 类型 薄壳结构及其造型
筒壳、球壳、扁壳、鞍形壳
1、受力特点及适用范围
❖ 受力特点 ：
❖ 用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构
撑杆+篷面
n 实例
❖ 1、受力特点及适用范围
❖ 受力特点 ：
❖ 利用骨架、网索将各种现代薄膜材料绷紧形成建筑空间的一种结构
❖ 薄膜不能承受荷载，绷紧后承受拉力且任何状态下保持，否则会失 稳
❖ 轻巧柔软、采光好、构造简单、安装快、便于拆迁、外形千姿百态

结构类型
1
折板屋顶结构
2
壳体屋顶结构
3
架屋顶结构
4
悬索屋顶结构
5
充气屋顶结构
一种由许多块钢筋混凝土板连接成波折形的整体薄壁折板屋顶结构。这种折板也可作为垂直构件的墙体或其 他承重构件使用。折板屋顶结构组合形式有单坡和多坡，单跨和多跨，平行折板和复式折板等,能适应不同建筑平 面的需要。常用的截面形状有V形和梯形，板厚一般为5～10厘米,最薄的预制预应力板的厚度为3厘米。跨度为 6～40米，波折宽度一般不大于12米,现浇折板波折的倾角不大于30°；坡度大时须采用双面模板或喷射法施工。 折板可分为有边梁和无边梁两种。无边梁折板由若干等厚度的平板和横隔板组成,V形折板是无边梁折板的一种常 见形式。有边梁折板由板、边梁、横隔板等组成，一般为现浇，如1958年建成的巴黎联合国教科文组织总部大厦 会 议 厅 的 屋 顶 ， 是 意 大 利 P . L . 奈 尔 维 设 计 施 工 的 。 •他 按 照 应 力 变 化 的 规 律 , 将 折 板 截 面 由 两 端 向 跨 中 逐 渐 增 大 结构。这种结构整体性强，稳定性好，空间刚度大，防震性能好。构架高度 较小，能利用较小杆形构件拼装成大跨度的建筑，有效地利用建筑空间。适合工业化生产的大跨度架结构，外形 可分为平板型架和壳形架两类，能适应圆形、方形、多边形等多种平面形状。平板型架多为双层，壳形架有单层 和双层之分，并有单曲线、双曲线等屋顶形式。
大跨度空间结构
建筑名词
01 定义
03 结构类型
目录
02 简介 04 发展
大跨度空间结构是国家建筑科学技术发展水平的重要标志之一。世界各国对空间结构的研究和发展都极为重 视，例如国际性的博览会、奥运会、亚运会等，各国都以新型的空间结构来展示本国的建筑科学技术水平，空间 结构已经成为衡量一个国家建筑技术水平高低的标志之一。

构件构造最小断面控制和截面抗剪承载力验算 构件斜截面承载力验算（剪压比控制） 构件正截面承载力验算 构件最大配筋率控制 受弯和偏心构件受压区高度控制 构件轴压比控制 梁柱节点核心区受剪承载力验算
梁柱纵向受力钢筋 应HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500
材料
钢筋
箍筋
宜 H RB400 、 H RBF400 、 H PB300、 H RB500 、 HRBF500 也 可 H RB335 、 HRBF335
梁刚度增大系数 一般情况：中梁2，边梁1.5
梁扭矩折减系数0.4 若考虑板的弹性变形，梁的扭矩不应折减
1/550 钢筋混凝土框架
弹性层间位移限值
1/800
钢筋混凝土
框架抗震墙 板柱抗震墙 框架核心筒
1/1000
钢筋混凝土
抗震墙 筒中筒 框支层
1/250 多、高层钢结构
概念
扭转不规则 端部层间位移大于两端弹性位移平均值的1.2倍 最大层间位移角小于规定值的40%，位移比可放松
计算
弹性膜
平面内真实刚度，平面外刚度零
有效宽度较窄的环形
适用
局部开大洞 平面狭长或有较大凹入
平面弱连接
Pkpm三种模型
弹性楼板3
平面内无限刚，平面外真实刚度
适用
厚板转换结构的转换厚板 板柱结构楼板面内刚度足够大
弹性楼板6
平面内和平面外均为真实刚度
适用
板柱结构 板柱-剪力墙结构
按总刚度分析计算 特殊构件人工指定
第6章钢筋混凝土结构 第8章钢结构
高层建筑混凝土结构技术规程最大适用高度
第7章有较多短肢剪力墙结构 第10章错层结构 第11章混合结构
a扭转不规则 考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2 一

拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底构设计
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿

大跨空间建筑结构
大跨度空间结构的特点
1、按空间结构的受力特点来划分 （1）刚性空间结构 刚性空间结构体系是指刚性构件构成的具有很好刚度的空 间结构体系。包括薄壳结构、空间网格结构以及立体桁架结构。 钢筋混凝土薄壳在施工中耗用模板及脚手架较多，所பைடு நூலகம்劳 动量较大，费用高，高空浇筑或吊装费工费时。因此，薄壳结 构的应用近年来有所减少。 空间网格结构根据外形分为两大类，一类称为网架，其外 形呈平板状（图1.2a）；另一类称为网壳，其外形呈曲面状 （图1.2b） 。 立体桁架结构是以钢管通过焊接有机连接而成的一种空间 结构（图1.3）。立体桁架结构是在网架、网壳结构的基础上 发展起来的，与网架、网壳结构相比具有独特的优越性和实用 性。该结构省去一些纵向弦杆和球节点，并具有简明的结构传 力方式，可满足各种不同的建筑形式的要求，尤其是构筑圆拱 和任意曲线形状更有优势。
（a）南京会展中心
（b）沈阳奥体中心 图1.3 立体桁架结构
（2）柔性空间结构 柔性空间结构体系是指由柔性构件构成，如钢索、薄 膜等，通过施加预应力而形成的具有一定刚度的空间结构 体系。结构的形体由体系内部的预应力来决定。包括悬索 结构、膜结构和张拉整体结构等。 （3）杂交结构体系 将几种不同类型的结构体系组合成为一种新的结构体 系。 杂交体系按照其组合方式的不同可分为以下三类： 第一类为刚性结构体系之间的组合，如组合网架、组 合网壳、拱支网壳等； 第二类为柔性结构体系与刚性结构体系的组合，属于 半刚性结构，这种又可分为斜拉结构、拉索预应力结构、 张弦结构、支承膜结构等。 第三类为柔性体系之间的组合，如柔性拉索与索网的 杂交，柔性拉索与膜材之间的组合形成的索-膜结构。

2. 网架几何不变的充分条件
（1）由几何不变的单元构成的网架结构也必定是几何不变的（三角锥是 组成空间结构几何不变的最小单元） （2）以一个几何不变的单元为基础，通过三根不共面的杆件交出一个新 节点构成的网架也是几何不变的 （3）由三角形图形的平面组成的空间结构，其节点至少为三平面交汇点时， 结构为几何不变体系 （4）对于几何可变的单元可通过加设杆件或支承链杆使其成为几何不变体系
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{δ }= [Δ
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{δ }ij = [T ]{δ } T {δ }= [T ] {δ }ij
{F }= [K ]{δ } {F }= [T ] {F } {δ }= [T ] {δ }
T T ij
ij
[T ] {F }ij = [K ][T ] {δ }ij
二、 网架结构的整体构造 1. 网架结构的主要几何尺寸 2. 网架的屋面排水 3. 网架的起拱度与容许挠度
1. 网架结构的主要几何尺寸
(1) 网架高度
确定网架结构高度时主要考虑以下因素: 建筑要求及刚度要求 屋面荷载的大小、通风管道的穿行高度、跨度的大小 网架的平面形状 圆形、正方形或接近正方形时，高度可取得小些 支承条件 点支承比周边支承的网架高度大
整体坐标系下的 杆端力列矩阵
⎡ l 0⎤ 坐标转换矩阵 ⎢m 0 ⎥ ⎥ ⎢ ⎢n 0⎥ [T ] = ⎢ ⎥ ⎢0 l ⎥ ⎢ 0 m⎥ ⎥ ⎢ ⎢0 n⎥ ⎦ ⎣
局部坐标系下的 杆端力列矩阵
{F }ij = [T ]{F }
{F }= [T ] {F }

日本一家游泳馆的馆顶——张弦梁结构

四、折板结构及其建筑造型

（一）受力特点、优缺点和适用范围


折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系。
优点：结构呈空间受力 状态，具有良好的力学 性能，结构厚度薄,省材
料，可预制装配，省模
板，构造简单。

适用范围：大跨度屋顶， 也可以用作外墙。

（二）折板结构形式：

1912～1913波兰布雷斯劳百年厅

中心部分是广阔的圆形大空间，直径高达65米，高42米，可以容纳 6,000多人。上方是23米高，由钢和玻璃构成的灯笼式圆顶。

1979年
美国底特律的韦恩县体育馆采用圆形平面，直径达266m，是
目前世界上跨度最大的钢网壳结构建筑。


1975年上海体育馆
主馆呈圆形，高33米，屋顶钢平板网架跨度直径110米，可 容纳观众18000人。

解决水平推力的几种方式

1.由拉杆承受拱推力 2.由框架结构承受拱推力 3.由基础承受拱推力
由拉杆平衡拱推力——武汉体育馆
由框架结构承受拱推力— —北京崇文门菜市
崇文门菜市场中间跨为售货大厅，屋顶为 32m跨的钢筋混凝土两铰拱，两边布置三层 高的钢筋混凝土框架以支承两铰拱，三层框 架部分为小营业厅。拱为装配式整体结构， 拱上铺加气混凝土屋面板，油毡屋面。根据 建筑造型要求，拱的矢高为拱跨的1／8，即 4m。


五、网格结构及其建筑造型
六、薄壳结构及其建筑造型 七、悬索结构及其建筑造型 八、膜结构及其建筑造型

一、拱结构及其建筑造型

（一）拱的受力特点、优缺点和适用范围

“鸟巢”是一个大跨度的 曲线结构，有大量的曲线箱 形结构，设计和安装均有很 大挑战性，在施工过程中处 处离不开科技支持。“鸟巢” 采用了当今先进的建筑科技， 全部工程共有二三十项技术 难题，其中，钢结构是世界 上独一无二的。“鸟巢”钢 结构总重4.2万吨，最大跨度 343米，而且结构相当复杂， 其三维扭曲像麻花一样的加 工，在建造后的沉降、变形、 吊装等问题正在逐步解决， 相关施工技术难题还被列为 科技部重点攻关项目。
大跨度空间结构的定义
空间结构是相对平面结构而言的，一般说来我们日常所采用的梁、 桁架、拱·· ·都属于平面结构。它所承受的荷载以及由此产生的内力的 变形都考虑为二维的，即处于一个平面内。而空间结构的荷载、内力 和变形则是有三维空间考虑的，即作用于空间。它的结构分析即要考 虑空间作用，用一般二维的假设和分析是无法得到准确解答的。 在实际的三维世界里，任何结构物本质上都是空间性质的，空间 结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力，而且还由于它们通过合 理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时，空间结构就 愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上，当跨度达到一定程度 后，一般平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来 看，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。
张力结构 中国现代悬索结构的发展始于50年代后期和60年代，世界上最早的现代 悬索屋盖是美国于1953年建成的Raleigh体育馆，采用以两个斜放的抛物线 拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国1961年建成的北京工人体育馆和1967年 建成的浙江人民体育馆两个悬索结构无论从规模大小或技术水平来看在当时 都可以说是达到了国际上较先进水平。但此后我国悬索结构的发展停顿了较 长一段时间。一直到80年代，由于大跨度建筑的发展而提出的对空间结构形 式多样化的要求，这种形式丰富的轻型结构重新引起了人们的热情，工程实 践的数量有较大增长，应用形式趋于多样化，理论研究也相应地开展起来。 张拉式膜（或索-膜）结构自80年代以来在发达国家获得极大发展。这种体系 与索网结构类似，张紧在刚性或柔性边缘构件上，或通过特殊构造支承在若 干独立支点上，通过张拉建立预应力并获得确定形状。张拉式索膜体系具有 重量极轻，安装方便，在大跨度和超大跨度建筑中极具应用前景。近几年我 国膜结构发展很快，不少体育场挑蓬和许多中小型建筑采用张拉式或骨架支 承式的膜结构，有一些工程是比较成功的，但总体上与国外先进水平比较尚 有一定差距。主要表现在结构形式还比较拘谨和匠气，缺少大胆创新之作， 说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间还没有很好地结合起来。这也许 与当前的设计体制有一定关系。我们的设计部门对膜结构这一新技术还不够 熟悉，难于作出创新的设计方案；一旦确定采用膜结构时，实际上包括设计 在内都交给膜结构企业去操作。在正常情况下，建筑师应当是始终对整个设 计保持控制的。

第1章 绪论 新奥尔良超级穹 D=205m 1975建成 球面网壳
第1章 绪论
日本名古屋单层网壳
圆形建筑的直径为229.6m， 支承在看台框架柱顶的屋盖 直径则有187.2m,采用边长约 10m的钢管构成的三向网格 ，每个节点上都有六根杆件 相交，采用直径为1.45m的 加肋圆环，钢管杆件与圆环 焊接,成为能承受轴向力与弯 矩的刚性节点
一类称为网架，其外形呈平板状；
•另一类称为网壳，其外形呈曲面状 。
长春万人体育馆
长春万人体育馆
广州市体育馆
广州市体育馆
国家大剧院
结构示意图——双层肋环体系
浦东游泳馆(铝网壳)
美国塔科马市体育馆（胶合木网壳）D=160m
美国塔科马市体育馆（胶合木网壳）D=160m
•立体桁架结构是以钢管通过焊接有机连接而成的一种空间结 构。立体桁架结构是在网架、网壳结构的基础上发展起来的 ，与网架、网壳结构相比具有独特的优越性和实用性。该结 构省去一些纵向弦杆和球节点，并具有简明的结构传力方式 ，可满足各种不同的建筑形式的要求，尤其是构筑圆拱和任 意曲线形状更有优势。
佛山世纪莲新颖 轻巧的张拉膜结构 形式象一朵盛开的 莲花，是佛山市的 标志性建筑。
青岛颐中体育场我国第 一个自行设计和安装、 采用整体张拉式索膜结 构体育场工程 。
美国馆
富士馆
世界上第一个大跨度的气承 式膜结构。
以16个轮胎状的半圆形筒体组成50m直径 的圆顶，每个筒体直径为4m，长78m，这一 布置使房屋两个顶端向前突出7m，管子上每
四、大跨度空间结构的发展
圣彼得大教堂
古代空间结构
罗马万神庙
当代空间结构的发展
（1）薄壳结构
悉尼歌剧院