浅论大跨度结构在建筑工程中的应用

文/林炳良、于志国、王磊 烟建集团有限公司 山东烟台 264000

1、大跨度结构

所谓大跨度结构，是指横向跨越60米以上空间的各类结构形式的建筑的总称。在古罗马时代就已有大跨度结构建筑的雏形。在进入新世纪以来，随着新型高强度轻质量的建筑材料（如合金钢、特种玻璃、特种合金等）和高分子合成材料的发展，极大地减轻大跨度结构自重的同时又显著增强了其强度和韧性，其应用变得日益广泛。目前为止，大跨度结构多用于民用建筑中的影剧院、体育馆、展览馆、大会堂、航空港候机大厅及其他大型公共建筑以及工业建筑中的大跨度厂房、飞机装配车间和大型仓库等，其在应用中所带来的实际价值也受到人们的交口称赞。

2、大跨度结构在建筑工程中的应用

2.1 网架结构与网壳结构应用

一般的，网格结构是指由多根杆件按照某种规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构，其中双层或多层平板形的网格结构就称为网架结构或网架，这种网架结构通常是采用钢管或者型钢材料制作而成的。网架结构的主要特点就是重量轻、刚度大和抗震性能好，同时此结构在施工安装时操作简便，再加上由于网架杆件和节点可以实现定型化、商品化以及可以在工厂中进行批量生产，因此有利于提高生产效率；事实上，网架灵活的平面布置更加利于吊顶以及一些管道、设备的安装。随着人们对审美要求的不断提高，网架造型轻巧、美观、大方和便于建筑处理、装饰的特点在很大程度上满足了人们的要求。网架结构的主要形式包括平面桁架系组成的网架结构、四角锥体组成的网架结构、三角锥组成的网架结构和六角锥体组成的网架结构，具体使用哪种网架结构要根据实际情况分析后进行选择，因为不同的结构使用范围不同，为使其充分发挥作用，所以建筑设计过程中，大跨度结构的选择应认真考虑。

与网架结构相比，网壳结构比较简单。通常将曲面形网格结构称为网壳结构，由于网壳层数的区别，又有单层网壳和双层网壳之分。网壳结构的优点较为突出，这种结构具有杆系结构和薄壳结构的主要特性，其杆件比较单一，受力也较为合理，而且刚度大，跨越能力强，既可以通过小型构件进行组装，又不需要大型机械设备，因此安装方便，经济合理，不论是建筑平面还是空间曲面，都可根据创作的要求来选取。而网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。它的结构形式可以分为球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。随着建筑设计的要求不同，对网壳结构的形式选择也是设计者必须要慎重研究决定的。

2.2 悬索结构应用

由于钢的强度很高，很小的截面就能够承受很大的拉力，因而在本世纪初就开始用钢索来悬吊屋顶结构。悬索在均匀荷载作用下必然下垂而呈悬链曲线的形式，索的两端不仅会产生垂直向下的压力，而且还会产生向内的水平拉力。单向悬索结构为了支承悬索并保持平衡，必须在索的两端设置立柱和斜向拉索，以分别承受悬索所给予的垂直压力和水平拉力。单向悬索的稳定性很差，特别是在风力的作用下，容易产生振动和失稳。

为了提高结构的稳定性和抗风能力，还可以采用双层悬索或双向悬索。双层悬索结构平面呈圆形，索分上下两层，下层索承受屋顶全部荷载，为承重索；上层索起稳定作用，为稳定索，上下两层索均张拉于内外两个圆环上而形成整体。这种形式的悬索结构承重索与稳定索具有相反的弯曲方向，这两种索交织成索网，经过预张拉后形成整体，具有良好的稳定性和抗风能力。

悬索结构除跨度大、自重轻、用料省外还具有平面形式多样（除可覆盖一般矩形平面外还可以覆盖圆形、椭圆、正方形、菱形乃至其他不规则平面的空间），使用的灵活性大、范围广；由多变的曲面所形成的内部空间既宽大宏伟又富有运动感；主剖面呈下凹的曲面形式，曲率平缓，如处理得当既能顺应功能要求又可以大大节省空间和空调费用；形式变化多样，可以为建筑形体和立面处理提供新的可能性。在荷载作用下，悬索结构体系能承受巨大的拉力，因此要求设置能承受较大压力的构件与之相平衡。

2.3 拱卷结构应用

拱卷结构是当前建筑发展中最为常见的结构形式，其被广泛的应用在西方建筑结构当中，在古希腊最为常见，其建筑结构设计和发展的前提基础，更是当前建筑发展中的主要施工措施和施工完善体系。人类大约在两千多年前，就有扩大室内空间的要求。在古代建筑施工的过程中，由于建筑技术手段和施工工艺的欠缺，使得在建筑施工的过程中对空间利用不够完善。古代建筑室内空间的扩大是和拱结构的演变发展紧密联系着的，是通过拱门形式进行结构的连接和变化。人类为了谋求更大室内空间在建筑施工的过程中采用各种技术分析手段和控制措施对建筑结构进行严格的设计和管理。拱卷结构技术是罗马建筑最大的特色及成就，它对欧洲建筑做出了巨大的贡献。罗马建筑典型的布局方法、空间组合、艺术形式和风格以及某些建筑的功能和规模等等都是同拱卷结构有密切联系。

拱形结构在承受荷重后除产生重力外还要产生横向的推力，为保持稳定，这种结构必须要有坚实、宽厚的支座。例如以筒形拱来形成空间，反映在平面上必须有两条互相平行的厚实的侧墙，拱的跨度越大，支承它的墙则越厚。很明显，这必然会影响空间组合的灵活性。为了克服这种局限，在长期的实践中人们又在单向筒形拱的基础上，创造出一种双向交叉的筒形拱。

结语：

随着当前社会技术的不断发展，在建筑施工的过程中各种结构形式不断的变化，大跨度建筑结构体系逐步成为当前建筑施工中的主要应用形式。大跨度结构不仅能提供十分优秀的承载力，而且自重轻，能够节约大量的建筑材料，为建筑工程节约成本。大跨度结构的可控性很强，让设计师有很大的发挥余地，未来大跨度结构会具有极强的市场竞争力。

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