大跨度建筑的结构构型研究

作者：江湖笑笑生目 录1 绪论11.1选题背景及意义11.1.1 选题背景11.1.2 选题意义11.2国内外研究现状21.2.1 国外大跨度建筑发展现状、发展趋势21.2.2 国内大跨度建筑发展现状、发展趋势21.3本文研究的内容和目标31.3.1 研究目标31.3.2 研究与开发的主要内容42 研究内容具体开展情况52.1 网架结构研究52.2 网壳结构研究102.3 悬索结构研究152.4 膜结构研究182.5 薄壳结构研究212.6 大跨度设计多元化思维243 已经取得的研究成果及其应用273.1 取得的研究成果273.1.1 发表的论文273.1.2 申请的工法273.2 成果应用情况304 大跨度建筑结构的发展前景321 绪论1.1选题背景及意义1.1.1 选题背景随着我国经济的快速发展，建筑业在我国已经成为国民经济增长的支柱产业，建筑工程项目的日益增多，对建设项目要求越来越高,人们越来越注重房屋结构形式的选择与建筑风格的设计。对于这种技术掌握的多少是评价一个国家建筑水平好坏的重要因素之一。但是落实到实际生活当中， 大跨度建筑的建筑形式又有着很多的不同之处。现在的大跨度建筑结构主要分为五大类：包括有网壳结构，薄壳结构，悬索结构，膜结构和网架结构。但是大跨度建筑设计结构并不止于此，有一些新的类型的建筑结构是基于上述的五类结构之外的，不断组合和衍生的表现形式。因为形式的丰富多样，大跨度建筑结构模式下的建筑通常都非常的吸引眼球，对于人们有着极大的吸引力。1.1.2 选题意义随着我国城市化进程的加快，我国城市对大跨度建筑的需求不断増加。从具体的建筑市场来看，体育场、大型剧院、火车站以及航站楼等大跨度建筑数量，在近年来迅速増加。但是我国的本土建筑师由于缺乏大跨度建筑的设计实践，因此经常是设计与学习同步进行，从而影响到此类建筑设计水平的提髙。此外，许多建筑师对此类建筑结构设计存在畏惧心理，所以在建筑设计过程中经常处于结构工程师的从属地位，无法发挥自身在设计过程中的控制和引导作用。而结构工程师限于本身的理论局限，往往不能对建筑的结构形态进行适应性变化，来实现大跨度结构对建筑本身在深层次上的表现要求。建筑设计的实践显示，在大跨度建筑设计过程中，建筑构思与结构构思必须相互融合、同步进行，将大跨度结构表现贯穿于整体设计的各个环节。从上述角度来看，大跨度建筑设计中的“结构表现”是建筑师和结构工程师之间的交叉性课题，但是其重要性又不容忽视，因此有必要在此方面展开进一步研究，从而为建筑师有效进行大跨度建筑设计提供理论和实践支持。大跨度建筑以其结构的复杂性，往往需要大量应用建筑设计领域的最新研究成果，并成为建筑设计水平的重要标志性领域。同时，某些具有鲜明设计特色和文化内涵的大跨度建筑甚至是一个地区的重要标志性建筑，而一座重要的大跨度建筑本身就是一部无言的设计教材，这类建筑的设计和建成会对该地区的建筑设计产生深远影响。因此我们对大跨度建筑的研究不仅要重视自身建构规则，同时对建筑设计的社会意义予以有效关注。1.2国内外研究现状1.2.1 国外大跨度建筑发展现状、发展趋势1989年建成的加拿大多伦多天空穹顶体育馆，跨度205m，能容纳7万人，屋盖关合后可做全封锁有空气调节的运动场。膜结构的发展亦令人瞩目，1992年在美国亚特兰大建成的奥运会主馆“佐治亚穹顶”，平面尺寸为240m193m，是世界上最大跨度的索网与膜杂交结构屋顶。美国的芝加哥学派建造了一批大跨度纲结构摩天大楼，法国工程师埃菲尔建造了闻名的铁塔，大跨度建筑从此进入了第一个光辉时代。1993年建成的日本福冈室内运动场，直径222m，是当代世界上最大的开合空间钢结构。特别值得指出的是，西方发达国家已提出预工程化金属建筑概念，预工程化金属建筑是指将建筑结构分成若干模块在工厂加工完成，从而使钢结构建筑的设计、加工和安装得以一体化，这就大大降低了建筑本钱（比传统结构型式低1020%），缩短了施工周期，使钢结构的综合上风更加显著。1.2.2 国内大跨度建筑发展现状、发展趋势第一时期为20世纪50年代末为中国空间结构领域的开创时期，主要以薄壳结构与悬索结构；第二时期为 70 年代末80年代末，为空间结构领域的快速发展期，重点在网架结构与悬索结构的研发与应用; 第三时期为90年代初2000年，为空间结构领域的重点发展期，主要加强了网架 CAD 设计软件、膜结构、斜拉结构、网壳结构的研发与应用; 第四个时期为 2000 年以后，为空间结构领域的全面发展期，开展了大跨度结构的风工程研究、索与张弦结构的研究。北京火车站(1959年建成)候车大厅双曲扁壳屋盖结构，其跨度为35m35m；直径54m的预制装配带肋球壳(无锡某军工项目)的模型试验、设计分析与施工技术指导; 推导了组合型扭壳的变分方程，解决了大连港16个尺寸为23m23m的连续组合扭壳的设计难题。北京工人体育馆( 北京市建筑设计院设计，建成于1961年，直径96m，采用车辐式双层悬索结构，屋盖结构包括外环圈梁配筋用钢量共380t) 、浙江人民体育馆( 浙江省建筑设计院设计，张维嶽负责结构计算，建成于 1967 年，椭圆形平面，长轴 80m，短轴 60m，采用双曲抛物面预应力鞍形索网体系，该结构体系屋盖结构包括外环梁配筋，其耗钢量仅17.3kg/m2。四川体育馆( 鞍形索网与中央大拱组合杂交，平面尺寸 74m 79m) 、青岛市体育馆( 卵形平面 73m 89m) 与华北电力调度拉线塔的结构分析; 对横向加劲单曲悬索屋盖进行了系统的理论分析与试验研究，技术成果应用于安徽体育馆( 1989 年建成，跨度 53m 72m) 、上海杨浦体育馆与广东潮州体育馆，同时研发了有关预应力张拉设备与系列锚夹具，成功解决了吉林滑冰馆( 1986年建成，平面尺寸 59m 72m，采用空间双层索系)的施工技术难题。新广州站风荷载试验与咨询( 无站台柱雨棚覆盖面积约 20 万 m2) 、武汉站风荷载、舒适性的试验与咨询等; 完成了多项大型火车站房的设计工作，如南京站( 屋盖采用斜拉钢结构) 、福州站( 采用膜结构) 、武汉站( 站房采用网壳结构，无站台柱雨棚采用双向变截面桁架) 、天津西站( 采用斜交斜放拱) 等。这些科研与设计工作为现代大型火车站站房与大面积雨棚的安全性起到了很好的保证作用。1.3本文研究的内容和目标1.3.1 研究目标以许昌市职教园区项目项目为基地，依据本项目中存在大跨度建筑的自身优势，结合我局相关专家团队，资料搜集，了解当前相关领域研究状况，查阅已有的相关研究成果及应用情况，调查国内现有建成或在建的相关技术施工情况，查找存在的问题最后分析、整理与量化调查资料，对查阅资料和考察结果进行量化分析、总结，整理得出共性的数据。另外，通过本课题的开展，希望可以为项目带来以下几种结果：1）通过这些本课题的实施，可以增强团队合作精神，提高项目组成员的工作士气和效率； 2）降低项目风险，提高项目实施的成功率。项目管理中重要的一部分是风险管理，通过风险管理可以有效降低项目的不确定因素对项目的影响； 3）有效控制项目范围，增强项目的可控性。在项目实施过程中，需求的变更是经常发生的。如果没有一种好的方法来进行控制，势必会对项目产生很多不良的影响，而项目管理中强调进行范围控制，变更控制委员会和变更控制系统的设立，能有效降低项目范围变更对项目的影响，保证项目顺利实施； 4）可以尽早地发现项目实施中的问题，有效地进行项目控制。项目计划、执行状况的检查以及PDCA工作环的应用，能够及早地发现项目实施中存在的问题和隐含的问题，这样项目就能顺利执行； 5）可以有效地进行项目的知识积累。大跨度建筑的结构构型研究有助于项目顺利开展，降低项目的风险性，最大限度地达到预期的目标，推动我国今后建筑业的发展。1.3.2 研究与开发的主要内容1）大跨度建筑的结构形式；（1）网壳结构（2）薄壳结构（3）悬索结构（4）膜结构（5）网架结构2）大跨度建筑的结构特点2 研究内容具体开展情况目前的大跨度建筑结构中,常见的结构形式主要包含有网壳结构、网架结构、悬索结构、膜结构、膜壳结构五种,为此在这里我们主要针对这五种建筑结构的形式和设计进行分析和总结。通过依托项目自身存在的大跨度建筑，资料搜集，了解相关领域研究状况，查阅相关研究成果及应用情况，调查国内现有建成或在建的相关技术施工情况，目前逐步完成成了一些工作，并取得了一些成果。2.1 网架结构研究所谓的网架结构是通过多根杆件按照一定的网格形式利用节点联连接形成的一种新型空间结构,是一种具备着空间受力性好、重量轻、刚度大、抗震性能好的一种新型的建筑结构。这一建筑结构的利用主要可以用为体育馆、展览厅、体育场等大型的建筑物当中。在网架结构形式分析中,主要可以从两向网架、四角锥体组成、三角锥组成以及六角椎体组成的网架结构,其具体内容如下:1）两向椎体组成的网架结构。目前,我们在施工中,常见的网架结构主要包含两向校正放网架、两向斜向放网架以及三向网架等形式。2）四角锥体组成的网架结构。主要有:正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式。3）三角锥组成的网架结构。主要有:三角锥网架、抽空三角锥网架(分 型和型)、蜂窝形三角锥网架等型式。4）六角锥体组成的网架结构。主要形式有:正六角锥网架。在现代化建筑工程施工建设中,这一结构特点的应用主要是空间工作、传力途径方便、稳定系数好、工程质量高等特点,为此,这一技术在目前的大型建筑工程项目中应用最多,但是其并不是所有特点都能满足工程施工要求的一种,其中也存在着一定的缺陷,如节点上的杆件数量多、制作复杂繁琐等。这一结构的主要优势包含了生产效率高、平面布置灵活、美观性好、可装饰程度高的优势。5）网架结构安装施工技术网架结构凭借其自身受力简单、刚度大、自重轻、节约钢材及整体稳定性好等优点，越来越被广泛地运用于各类工业、民用建筑中，特别是各类机库、体育馆、会展大厅等大跨度结构。其施工安装技术也不断向前发展，逐渐由原来的小单元散装发展到整体吊装、整体提升、高空滑移等多样的施工方法。a、高空散装法高空散装法是指小单元或散件（单根杆件及单个节点）直接在预定位置上进行总拼的方法。高空散装法分为满堂脚手架法和悬挑法两种。散件拼装一般采取满堂脚手架法，而对于小单元在高空总拼情况，或者球面网壳三角形网格的拼装则多采用悬挑法。银川体育馆屋盖为四面坡屋面，斜放四角锥网架结构，投影面积11427.61m2。施工时场地不平整，起吊设备能力不足，以及从安全因素综合考虑，该工程决定采用搭设满堂脚手架平台，直接安装就位的高空组装法施工。该项目工程技术人员利用扣件式钢管脚手架搭设满堂工作平台，在平台上以控制节点为基准，通过高精度测量首先确定下弦球节点中心线及中心位置。随后安装支座预埋件与托架，并测量定位准确无误。在网架焊接过程中，先将下弦球固定于支座上，接着将下弦杆与托架上的下弦球点焊，并保证托架上的下弦球平面几何尺寸与标高符合要求。组装上弦杆与上弦球和腹杆时，提升上弦杆和跨度方向与上弦球连接的上弦杆，置设计高度与四根腹杆和长度方向一根上弦杆点焊定位，待上弦杆、腹杆拼装到位后进行全面焊接。通过合理施工工艺的选择，项目部对施工方案的不断推敲完善，加之现场严格管控，该工程经过70 多天的奋战将网架散装完毕，成功克服由于现场场地限制所带来的困难。b、分条（块）安装法分条（块）安装法，是指将网架分成的条状（块状）单元，分别由起重设备吊装至高空设计位置再拼装