空间大跨结构浅析

空间大跨结构浅析

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空间大跨度结构是建筑工程发展的一个重要标志，我国自五十年代以来就开展了对薄壳结构、悬索结构的研究开发与应用，建成了一批有影响的代表性工程，并取得了一大批研究成果。

亚运会羽排球训练馆

八十年代由于计算机技术的发展，空间网格结构在理论研究、标准规范和工程实践等方面均取得了举世瞩目的成绩。随着国力的增强，新材料的不断出现，空间结构由单一结构形式发展为组合结构、混合结构等多种结构形式，应用范围也从公共建筑、体育建筑发展到工业建筑乃至建筑的各个领域。50年来，空间大跨度结构取得的辉煌成就使我们能充满信心地去营造21世纪更广阔的空间。

大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩，大跨度楼盖结构包括：门式刚架结构，薄腹梁结构，桁架结构，拱结构，薄壳结构，网架结构，悬索结构，薄膜结构和充气结构等。

网架结构以比较简单的结构使他有它自己广泛的使用范围，跨度不拘大小；而已近几年在一些重要领域扩大了应用范围。八十年代中至九十年代初，针对网架结构的受力特征，尤其

是网架结构的稳定问题作了从连续化到离散化的大量研究工作。网架的节点形式，特别是对于单层网架，有采用焊接球节点、嵌入式毂式节点，当跨度较小的单层球面网壳有加粗螺栓，加大套筒的螺栓球节点。由于成熟的网架加工与施工安装技术，可方便地应用于网架，因此在八十年代后期至九十年代初网架结构发展很快，据不完全统计这一时期的网壳工程有五、六十项之多。结构分有单层、双层，类型上分有球面壳、圆柱面壳、双曲扁壳、扭壳及各种复杂曲面壳及组合曲面网壳。单层球面网架当时首推建成于l989年的山西稷山选煤厂煤库，直径47.2m，用嵌入式毂式节点。济南动物园l989年建成两座单层球面网架，直径分别为40m与46m，采用焊接空心球节点。建成于1989年的濮阳中原化肥厂尿素散装库，平面尺寸58m×135m，采用双层圆柱面壳。嘉兴发电厂干煤棚，平面尺寸80m×102m，采用双层三心圆柱面网架。各种网架结构形式多样化是该时期的一大特点。

在这一时期，又喜逢第十一届亚运会于1990年在北京召开，期间新建各类场馆共计22座，其结构形式多样，有网架结构、网壳结构、悬索结构、杂交结构等。大跨网壳结构在亚运会体育建筑中具有鲜明特点，如平面59.2m×59.2m的北京体育学院体育馆，采用四角带落地斜撑的四块组合双层扭网壳。北京奥林匹克综合馆，平面尺寸72m×83m，采用斜拉网壳结构。北京石景山体育馆正三角形边长99m，采用中间带三角支撑的组合型双层扭网壳。此外还有采用中间索拱与索网组合的北京朝阳体育馆，其椭园平面66m×78m。北京亚运会场馆的另一个鲜明特点是由几种结构形式按其各自特点组合形成杂交结构。羽排球训练馆更是其中网架结构的代表。

亚运会羽排球训练馆建于首都南部北京体育馆建筑群内，建筑面积16000平方米。由于该建筑是我国世界冠军级运动员训练的基地，在使用功能上要求达到比赛标准，场地内必须空旷没有柱子以免影响训练效果。由于建造现场用地面积的限制，平面布置为两块边长38.6米的正方形。中间设附属用房以及伸缩缝，总的长度为84.3米。训练部分有三层，首层高度为11.3米，二层高度为16.5米，三层高度为13.1米，总的高度为40.9米。每块场地四角由正方形钢筋混凝土筒体构成，筒体中间设置电梯，楼梯。楼盖，屋盖采用钢结构空间网架，楼层支撑在场地四周由钢筋混凝土梁，柱子构成的框架上面。由钢筋混凝土筒体，框架，楼层钢网架组成的结构整体楼盖层，按8度抗震设计。结构平面如图a，结构剖面如图b。

该建筑物特点是跨度大，层高较高，而且三个楼层都是大空间。在结构选型中，既要满足建筑功能的要求，更需保证抗震作用，同时设计的时候还要考虑施工技术的可能性。结构方案设计首先考虑38.6米的跨度的楼盖设计，如果采用一般的钢筋混凝土梁柱的话，设计难于解决，即使采用预应力技术，由于钢筋混凝土自重大，从而材料消耗大。因层高较高，支模不便，会延长工期而且不经济，因此本工程在楼盖设计中采用了网格楼盖新技术。楼盖与屋盖均采用边长38.6米的正方形钢结构网架，网架上铺预应力钢筋混凝土薄板加现浇混凝土叠合层作为楼屋面荷载的承重部分，同时叠合层确保了网架楼盖及屋盖水平刚度，能可靠地传递水平力。抗侧力的竖向结构采用在建筑物四角设置的筒体，筒体为边长4.5米的正方形斜放钢筋混凝土结构，壁厚30厘米，以增强多层大空间抗侧能力。筒体与支承网格楼盖与屋盖的矩形钢筋混凝土柱和梁构成纵横向框架，柱距4.7米，柱断面的宽高尺度为600x1200毫米，梁断面的宽高尺寸为1200x300毫米。

网架结构楼盖特点：

（1）网架楼盖适用于多层大空间建筑物。在城市建设中如体育俱乐部，展览馆，商业大楼，新闻中心，航空港，大型汽车库等中等以上跨度的建筑物日趋增多，在城市用地紧张和使用集中便于管理的条件下，开始向多层大空间发展，由于跨度增大使结构自重在全部荷载中所占比重也越大，因而减轻结构自重的结构方案便可获得明显经济效果。采用空间网架楼盖最大优点是结构轻，因荷载传递主要依靠构件的轴力进行，构件材料强度均衡地得到利用。结构构件均匀地纵横配置能够相互制约其变形，以防止受压构件的侧向屈曲倾向，因而节省材料；使结构趋向轻量化，有利于减少结构地震力作用。

（2）网架楼盖结构必须具有不同使用要求的空间刚度。网架楼盖的竖向刚度，主要是受其活荷载作用的动力影响，如公共建筑较大的人流，体育建筑不能因结构震动而影响运动员比赛效果。多层大空间网架楼盖结构除作用有垂直荷载外，还承受水平荷载（如地震，风力）作用下的楼层剪力，因此网架楼盖结构还须具有一定的水平刚度。网架楼盖因结构由三维构件组成，因此它的空间刚度远大于平面单向结构。

（3）网架楼盖结构层与设备层可合二为一，从而降低建筑物高度。网架的空间可同时用来作为设备层，水，电，空调管道可以任意布置，安装维修均较方便。

（4）建筑造型灵活，美观。网架楼盖可以满足各种平面形状的功能要求，结构外型美观，大方，便于建筑处理。

（5）施工方便，质量可靠。大跨度，多层，大空间建筑物的楼盖及屋盖，采用钢筋混凝土结构施工不便，工期长；采用网架结构便于定型化，网格可作成少数几种标准尺寸的预制单元，预制节点和零件能在工厂大量生产，产品质量高，现场安装有时可不要大型起重设备，能降低成本，缩短工期。

网壳结构，现今向着更大的跨度发展，如1995年安装完毕的哈尔滨速滑馆，采用双层网壳结构，两端的半球壳加中间圆柱面壳，尺度达86.2m×191.2m。采用螺栓球节点，由于网壳结构受力合理，其耗钢量仅为50kg/㎡。

随着材料技术的发展，铝合金材料也在网架结构中得到了应用。一些科研院所、大专院校都对此展开了研究，并在工程中应用，如某研究基地中的零磁车间，平面尺寸为22m×26m，整个建筑物的墙体及屋盖均采用了铝合金网架结构。此外，在上海的八运会体育场馆中铝合金结构也得到了应用。