新型建筑結(jié)構(gòu)體系淺談

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 【 論文 關(guān)鍵詞】：建筑結(jié)構(gòu)體系；鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)；張拉整體結(jié)構(gòu)；膜結(jié)構(gòu) 

  【論文摘要】：隨著 科學(xué) 技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、高強(qiáng)材料的迅速 發(fā)展 ，為建筑師們提供了豐富的想象空間，同時(shí)也為新穎結(jié)構(gòu)體系自寺出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。文章主要介紹近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越多的幾種新型建筑結(jié)構(gòu)體系。    隨著科學(xué)技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、高強(qiáng)材料的迅速發(fā)展。人們對(duì)建筑造型、建筑設(shè)計(jì)和跨度的要求越來(lái)越高。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的要求更高。為了解決這些問(wèn)題，涌現(xiàn)出了一些新的結(jié)構(gòu)體系。包括：鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)體系、張拉整體結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等。    1.鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)    鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)是我國(guó)目前在高層建筑領(lǐng)域里應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)形式。鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各有所長(zhǎng)，前者具有重量輕、強(qiáng)度高、延性好、施工速度快、建筑物內(nèi)部?jī)艨崭叨却蟮葍?yōu)點(diǎn)；而后者剛度大、耗鋼量少、材料費(fèi)省、防火性能好。綜合利用這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為高層建筑的發(fā)展開(kāi)辟了一條新途徑。統(tǒng)計(jì)分析表明，高層建筑采用鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)的用鋼量約為鋼結(jié)構(gòu)的70％，而施工速度與全鋼結(jié)構(gòu)相當(dāng)，在綜合考慮施工周期、結(jié)構(gòu)占用使用面積等因索后?；旌辖Y(jié)構(gòu)的綜合 經(jīng)濟(jì) 指標(biāo)優(yōu)于全鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。    鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)最早于1972年用于芝加哥的GatewayI]IBuilding(36層137m)。我國(guó)至20世紀(jì)80年代才將鋼結(jié)構(gòu)用于高層建筑，目前已建成或在建的高層建筑(約有40余幢)中．有一半以上采用的是鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)，其中的典型建筑是上海金茂大廈。鋼一一混凝土混合結(jié)構(gòu)在高層辦公樓、學(xué)校、 醫(yī)院 及住宅等建筑中將有更廣泛的應(yīng)用。    2.巨型結(jié)構(gòu)體系    巨型結(jié)構(gòu)是由大型構(gòu)件(巨型梁、巨型柱和巨型支撐)組成的，主結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共同工作的一種結(jié)構(gòu)體系。    巨型結(jié)構(gòu)按主要受力體系形式可分為巨型桁架結(jié)構(gòu)、巨型框架結(jié)構(gòu)、巨型懸掛結(jié)構(gòu)和巨型分離式結(jié)構(gòu)；按材料可分為巨型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、巨型鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、巨型鋼一鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)及巨型鋼結(jié)構(gòu)。    巨型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：從平面整體上看。巨型結(jié)構(gòu)的材料使用正好滿足了盡量開(kāi)展的原則，可以充分發(fā)揮材料性能；從結(jié)構(gòu)角度看，巨型結(jié)構(gòu)是一種超常規(guī)的具有巨大抗側(cè)剛度及整體工作性能的大型結(jié)構(gòu)，是一種非常合理的超高層結(jié)構(gòu)形式；從建筑角度看。巨型結(jié)構(gòu)可以滿足許多具有特殊形態(tài)和使用功能的建筑平立面要求。使建筑師們的許多天才想象得以實(shí)施。    巨型結(jié)構(gòu)作為高層或超高層建筑的一種嶄新體系。由于其自身的優(yōu)點(diǎn)及特點(diǎn)，已越來(lái)越被人們重視，并越來(lái)越多地應(yīng)用于工程實(shí)際，是一種很有發(fā)展的結(jié)構(gòu)形式。香港匯豐銀行屬于巨型鋼結(jié)構(gòu)體系。是諾爾曼·福爾特設(shè)計(jì)的。    3.膜結(jié)構(gòu)    膜結(jié)構(gòu)是張力結(jié)構(gòu)體系的一種，它是用多種高強(qiáng)薄膜材料(常見(jiàn)的有PVC類、PTFE類及有機(jī)硅類)及輔助結(jié)構(gòu)(常見(jiàn)的有鋼索、鋼桁架或鋼柱等)通過(guò)一定的方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力。并形成應(yīng)力控制下的某種空間形態(tài)。作為覆蓋結(jié)構(gòu)或建筑物主體，并具有足夠的剛度以抵御外部荷載作用的一種空問(wèn)結(jié)構(gòu)形式。其中基材織物。主要決定膜材的力學(xué)性質(zhì)。提供材料的抗拉強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度等；涂層。主要解決膜材的物理性質(zhì)，提供材料的耐火、耐久性及防水、自潔性等。    膜結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：①多變的支撐結(jié)構(gòu)和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化，新穎美觀。同時(shí)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)之美。且色彩豐富；膜建筑屋面重量?jī)H為常規(guī)鋼屋面的1／30，這就降低了墻體和基礎(chǔ)的造價(jià)，同時(shí)膜建筑奇特的造型和夜景效果有明顯的"建筑可識(shí)性"和商業(yè)效應(yīng)，其價(jià)格效益比更高；②膜工程中所有加工和制作依設(shè)計(jì)均可在工廠內(nèi)完成，在現(xiàn)場(chǎng)只進(jìn)行安裝作業(yè)，與傳統(tǒng)建筑的施工周期相比，它幾乎要快一倍；③膜材有較高的反射性及較低的光吸收率，并且熱傳導(dǎo)性較低，這極大程度上阻止太陽(yáng)能進(jìn)入室內(nèi)。另外。膜材的半透明性可以充分利用 自然 光；④由于自重輕，膜建筑可以不需要內(nèi)部支撐面大跨度覆蓋空間，這使人們可以更靈活、更有創(chuàng)意地設(shè)計(jì)和使用建筑空間。    膜結(jié)構(gòu)由以下三種形式：①充氣式膜結(jié)構(gòu)：通過(guò)空氣壓力支撐膜體來(lái)覆蓋建筑空間。它形體單一，運(yùn)用較少；②張拉式膜結(jié)構(gòu)：通過(guò)鋼索與膜材共同受力形式穩(wěn)定曲面來(lái)覆蓋建筑空間，它是索膜建筑的代表和精華，具有高度的形體可塑性和結(jié)構(gòu)靈活性；③骨架式膜結(jié)構(gòu)：通過(guò)自身穩(wěn)定的骨架體系支撐膜體來(lái)覆蓋建筑空間，骨架體系決定建筑形體，膜體為覆蓋物。同國(guó)際先進(jìn)水平相比， 中國(guó) 在膜結(jié)構(gòu)方面有相當(dāng)大的差距。但近年來(lái)在理論研究方面已做了不少工作。也開(kāi)始出現(xiàn)一些實(shí)際的工程項(xiàng)目。如上海八萬(wàn)人 體育 場(chǎng)的看臺(tái)挑篷是用鋼骨架支承的膜結(jié)構(gòu)。是我國(guó)首次在大型建筑上采用膜結(jié)構(gòu)，但所用膜材是進(jìn)口的，設(shè)計(jì)、施工安裝也由外國(guó)公司進(jìn)行。    4.高效預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系    高效預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是指用高強(qiáng)度材料、 現(xiàn)代 設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)的施工工藝建筑起來(lái)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今技術(shù)最先進(jìn)、用途最廣、最有發(fā)展前途的一種建筑結(jié)構(gòu)型式之一。目前。世界上幾乎所有的高大精尖的土木建筑結(jié)構(gòu)都采用了高效預(yù)應(yīng)力技術(shù)，如大型公共建筑、大跨重載 工業(yè) 建筑、高層建筑、大中跨度橋梁、大型特種結(jié)構(gòu)、電視塔、核電站安全殼、海洋平臺(tái)等幾乎全部采用了這一技術(shù)。    與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力相結(jié)構(gòu)相比，高效預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有以下一些特點(diǎn)：①?gòu)V泛采用高強(qiáng)度材料：目前國(guó)內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中常用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)從CA0～C80。甚至達(dá)到C100以上；②按照現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)。大大改善了高效預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的抗震性能、正常使用性能等；③近年來(lái)開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的施工工藝為高效預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。如高噸位、大沖程千斤頂?shù)膽?yīng)用和多種錨固體系等；④高效預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)適用范圍廣?？蛇m用于大跨和超大跨度以及使用性能高的結(jié)構(gòu)，并可拓展到高層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層、鋼結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、路面等結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。    近年來(lái)。高效預(yù)應(yīng)力技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，已制定專門的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工規(guī)程、工程中應(yīng)用的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系也很豐富。典型工程有面積最大的單體預(yù)應(yīng)力工程一首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)新航站樓工程?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著高性能預(yù)應(yīng)力材料(高強(qiáng)混凝土、高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋、新型纖維塑料筋等)的推廣應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展。新型、高效應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系將在我國(guó)21lit紀(jì)大規(guī)?；窘ㄔO(shè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。    5.開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)    開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)是一種在很短時(shí)間內(nèi)部分或全部屋蓋結(jié)構(gòu)可以移動(dòng)或開(kāi)合的結(jié)構(gòu)形式，它使建筑物在屋頂開(kāi)啟和關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài)下都可以使用。它是將屋蓋系統(tǒng)分成若干個(gè)可動(dòng)和固定單元，通過(guò)可動(dòng)單元按一定軌跡移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，使之各單元之間搭接、迭放來(lái)實(shí)現(xiàn)屋蓋的開(kāi)合。    開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：①將屋蓋開(kāi)啟使人感覺(jué)回歸自然，心情舒暢；②遇有雨雪天氣，可將屋蓋關(guān)閉，從而使室內(nèi)活動(dòng)不受氣候影響；依據(jù)結(jié)構(gòu)體系，開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)可分為；③柔性結(jié)構(gòu)的索膜和鋼結(jié)構(gòu)膜屋面開(kāi)合結(jié)構(gòu)；④空間剛性網(wǎng)格屋蓋單元開(kāi)合結(jié)構(gòu)；⑤可展開(kāi)的開(kāi)合結(jié)構(gòu)；⑥氣膜開(kāi)合結(jié)構(gòu)。 開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)不僅用于 體育 館。而且廣泛用于飛機(jī)庫(kù)、商場(chǎng)、廠房及需要晾曬的倉(cāng)儲(chǔ)建筑。到目前為止，世界上面積超過(guò)10000m的大型開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)已超過(guò)10座。這些大規(guī)模的開(kāi)合結(jié)構(gòu)的建成產(chǎn)生了非常好的 經(jīng)濟(jì) 、社會(huì)效益，其應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。    6.張拉整體結(jié)構(gòu)    張拉整體結(jié)構(gòu)是由一組連續(xù)的拉桿和連續(xù)的或不連續(xù)的壓桿組合而成的自應(yīng)力、自支撐的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。其中"不連續(xù)的壓桿"的含義是壓桿的端部互不接觸，即一個(gè)節(jié)點(diǎn)上只連接一個(gè)壓桿。張拉整體結(jié)構(gòu)是美國(guó)建筑師R．B．Fuller首先提出的一種結(jié)構(gòu)思想，他認(rèn)為宇宙的運(yùn)行就是按照張拉整體的原理進(jìn)行的，即萬(wàn)有引力是一個(gè)平衡的張力網(wǎng)。各個(gè)星球是這個(gè)網(wǎng)中的一個(gè)個(gè)孤立點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)體系中的索網(wǎng)就相當(dāng)于宇宙中的萬(wàn)有引力，獨(dú)立的受壓桿。張拉整體結(jié)構(gòu)符合 自然  規(guī)律 ，可以最大限度地利用材料和截面的特性，因而可以用盡量少的鋼材建造超大跨度建筑。    7.折疊結(jié)構(gòu)    折疊結(jié)構(gòu)是將剪式桿單元或伸縮式單元與張力膜融為一體，具有可重復(fù)使用，折疊后體積小，便于運(yùn)輸、施工等特點(diǎn)。    在日常生活中我們常見(jiàn)的折疊帳篷和折疊雨傘都屬于折疊結(jié)構(gòu)。    折疊結(jié)構(gòu)包括折疊網(wǎng)架、折疊穹頂。    8.玻璃結(jié)構(gòu)    玻璃被作為建筑材料用于建筑物已有很長(zhǎng)的 歷史 ，但多用于門、窗、采光帶等。近年來(lái)隨著玻璃性能的不斷改善，以及人們對(duì)玻璃特性認(rèn)識(shí)的不斷深入，玻璃已被越來(lái)越多的作為承重材料用于建筑結(jié)構(gòu)。    玻璃結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：①玻璃結(jié)構(gòu)明亮華麗，從采光這個(gè)角度上說(shuō)，是一種節(jié)能結(jié)構(gòu)；②玻璃在力學(xué)性能上有點(diǎn)像混凝土，是一種脆性材料，抗壓性能好、抗拉性能差，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為線性，彈性模最在70GPa～73GPa之間，約為鋼材彈性模量的1，3。鋼化玻璃的抗彎強(qiáng)度高于70MPa，淬火玻璃的抗彎強(qiáng)度則可超過(guò)120MPa。甚至可達(dá)到200MPa，而玻璃的自重為2500kg／，所以玻璃的強(qiáng)重比要優(yōu)于普通鋼材，玻璃結(jié)構(gòu)能給人一種輕巧的感覺(jué)；③玻璃的熱膨脹系數(shù)為9×10～，與鋼材的相近。這使得鋼材和玻璃能夠用于同一結(jié)構(gòu)，發(fā)揮各自特長(zhǎng)；④玻璃的耐腐蝕性能很強(qiáng)，可抵抗強(qiáng)酸的侵蝕，因此玻璃結(jié)構(gòu)的防腐費(fèi)用較低。因此越來(lái)越多的建筑師和結(jié)構(gòu)工程師在工程中利用玻璃來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑物更亮、更輕、更美的高科技效果，增強(qiáng)城市的 現(xiàn)代 化氣息。玻璃結(jié)構(gòu)從形式上可分為：全玻璃結(jié)構(gòu)、玻璃一金屬結(jié)構(gòu)。    由于力學(xué)上的局限性。玻璃在結(jié)構(gòu)中一般與鋼、鋁等抗粒材料共同工作，應(yīng)用于全玻璃房屋、幕墻、屋頂、樓梯、雨篷等結(jié)構(gòu)中。    9.結(jié)束語(yǔ)    文章主要介紹了幾種新型建筑結(jié)構(gòu)體系。包括：鋼一一混凝土混合結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、高效預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)、折疊結(jié)構(gòu)和玻璃結(jié)構(gòu)等隨著 科學(xué) 技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、高強(qiáng)材料的迅速 發(fā)展 ，以及人們對(duì)建筑造型、建筑設(shè)計(jì)等的要求越來(lái)越高，這些結(jié)構(gòu)體系勢(shì)必會(huì)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于建筑工程中。     參考  文獻(xiàn)     [1]劉錫良.大跨度開(kāi)合空間結(jié)構(gòu),鋼結(jié)構(gòu),1998.    [2]陳麟,張耀春.巨型結(jié)構(gòu)體系及發(fā)展趨勢(shì)．哈爾濱 工業(yè) 大學(xué)學(xué)報(bào)，2003.    [3]劉大海，楊翠如.高層建筑結(jié)構(gòu)方案選優(yōu)． 中國(guó) 建筑工業(yè)出版社,1996．