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空间结构建设的优势及应重视四个原则

发布时间:2021-04-19 10:14 人气:

  大跨度空间结构的五个指标

  所谓空间结构(Spatialstructures) ,其形状呈空间状,并同时具有三维受力特性。优秀的空间结构具有荷载传递路线最短,受力均匀等特点:而平面楼盖结构,由于构件分为板、次梁和主梁等“级别”,荷载传递路线长,浪费材料。自然界也有许许多多令人惊叹的空间结构,如蛋壳、海螺等是薄壳结构;蜂窝是空间网格结构;肥皂泡是充气膜结构:蜘蛛网是索网结构:棕榈树叶是折板结构等等。因此,从某种意义上来说,空间结构是一种仿生结构,它们比平面结构更美观、经济和高效。

  如何衡量一个大跨度空间结构(1≤60m)的优劣,本人曾提出五个指标:

  ⑴材料强度充分发挥!

  ⑵基础推(拉)力H合理处理!

  ⑶施工安装费!

  ⑷跨度大!

  ⑸结构的艺术作用!

  对大跨度结构来说,材料用量多,不仅是一个浪费,对结构的抗震,特别是竖向抗震极为不利。我国每一本结构设计规范总则第1条中, 都要求做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。因此,对优秀的大跨度空间结构来说,技术先进和经济合理更应该特别强调。“结构的艺术作用”,把结构的型式与建筑的空间艺术形象融合起来,即结构本身富有美学表现力。建筑师必须注意发挥这种表现力和利用这种装饰效果,自然地显示结构。所谓自然的显示结构,不是说结构就是美,而是要袒露具有美学价值的部分,通过建筑师的艺术加工,达到表现建筑美的目的,而不是简单地表现结构本身。这样,就可以使建筑最终达到实用、经济和美观的目的。

  美国雷里(Rauleigh)竞技馆。结构受力明确,形成自平衡体系,索、拱的材料强度充分发挥、基础很小、施工方便,几乎符合上述五个衡量指标。斜拱的周边以间距2.4m的钢柱支承,立柱兼作门窗的竖框,形成了以竖向分隔为节奏感很强的建筑造型。被认为是世界上第一座优秀的大跨度索网结构屋盖建筑,开创了现代建筑索结构的历史。

  空间结构超越梁式结构的优势

  从梁的弯矩图可见,梁沿跨度和截面的受力都很不均匀,材料强度不能得到充分的发挥。对于通常跨度的楼盖梁来说,可将矩形截面变为工字型截面,进而采用格构式梁(桁架),以提高梁的承载力和刚度。为了实现结构的更大跨越,则必须把梁演变成拱和索,它的横向扩展就变成了空间结构。因此,空间结构又叫形效结构(FormativeStructures)。

  从一些优秀的空间结构上可以看出空间结构符合指标的优势。

  (1) 美国亚特兰大百年奥运会乔治亚穹顶。椭圆形平面:240.790m×192.020m,它是目前世界上最大的双曲抛物型准张拉整体体系(TensegritySystem)。该体系由美国M-Levy开发的一种稳定性好的三角形划分网格穹顶,受力特点是: “连续拉、 间断压”,材料强度得到了最充分的发挥(指标1,2)。整个屋盖用钢量仅30kg/m2

  (2) 法国巴黎国家工业与技术展览中心大厅。是钢筋砼装配整体式薄壳结构,壳体跨度l与壳的折算厚度t之比:l/t=206m/0.18m=1144倍,而鸡蛋壳仅:40mm/0.4mm=100倍。说明人类的巨大智慧。

  (3) 广东省湛江电厂干煤棚。平面尺寸:113.400m×113.400m,柱距79.80m,它是目前我国跨度最大的四柱支承平板网架屋盖。考虑到煤棚位于湛江顺岛上,是台风多发区,网架上铺置钢筋陶粒砼三角形带肋预制板(直角边4.200m,板的重力密度=14.5kN/m3)。虽然平板网架是科技含量较低的空间结构体系,但仍可通过精心设计,采取八面坡水,腹杆棋盘式布置等手段来强化空间传力, 用钢量仅70.3kg/m2(巴基斯坦体育馆柱距62.400m, 铝皮轻屋面, 用钢就达61kg/m2) 。值得指出的是:由于采用了暗柱帽,网架的施工散装平台由5m减低至1m左右,大大节省了施工费用。

  1996年9月9日至20日,湛江地区先后遭受了两次40多年未遇的强台风袭击,市内风速达57m/s(12级台风为33m/s)强风时间持续1h以上,大量的建筑物受到严重破坏,但位于台风登陆口的湛江电厂干煤棚却完好无损,其陶粒砼屋面也未遭到任何破坏。

  (4) 罗马小体育馆。采用外露的叉形斜柱,有力地把巨大的装配整体式钢筋砼网肋型扁圆球壳托起,结构清晰、欢快,极富结构力度。

  (5) 意大利佛罗伦萨运动场大看台。建筑师把雨蓬的挑梁外形与其弯矩图(二次抛物线)统一起来。但又不是简单的统一,建筑师利用混凝土的可塑性对挑梁的外轮廊进行了艺术处理,在挑梁的支座附近挖了一个三角形孔,既减耗了结构重力,也获得了很好的艺术效果。

  这个建筑,直接地显示了结构的自然形体,进行了恰如其分的艺术加工,而又不做任何多余的装饰,使结构的形式与建筑空间艺术形象高度的融合起来,形象优美,轻巧自然,给人以建筑美的享受。

  这个例子说明,建筑物的重力感、力的传递与其支承的关系,也就是结构的作用,同样也是建筑艺术表现力的重要源泉

  认真执行四个原则

  对大跨度空间结构体系来说,梁式结构体系是受力最差的体系。 张拉整体体系“连续拉、间断压”和索-膜体系是目前最先进、最经济的体系。

  法国着名建筑师保罗安德鲁中标设计的广州体育馆,用钢量160kg/m2; 美国NixonEllerbeBecket(NEB)公司中标设计的广东奥林匹克体育,用钢量高达200kg/m2,它们基本上都属于梁式结构体系,耗费如此多的用钢量也就不奇怪了。

  由于外国设计者不了解中国规范,我曾建议,今后国际招标只作到方案阶段,初步设计应由国内设计院承担。

  大跨度空间结构几乎都是钢结构,科技含量较高,本文提出的五个衡量指标是最基本的。要设计好一个大跨度空间结构建筑,建筑师和结构工程师的合作应当达到配合默契的程度。严格贯彻执行国家的技术经济政策,即技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。我们希望认真执行这四个原则,政府部门和工程技术人员都不能停留在口头上。

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