大跨度建筑设计中结构形态的表现

马桢 张钒

摘    要：大跨度建筑设计除了注重建筑美观度之外，还要选择合适的结构形式和设计方法，并结合力学规律来保证建筑整体结构的稳定性，从而创造出美观、实用与安全的优秀建筑作品。基于此，本文列举了大跨度建筑结构的典型型式，深入探讨了大跨度建筑设计中结构形态的相关表现，以期对相关方面的研究予以丰富和补充。

关键词：大跨度建筑;建筑设计;结构形态

1  引言

随着科学技术的快速发展，大跨度建筑在数量和规模上都获得了显著提升，特别是影剧院、体院馆、博物馆等对大跨度设计的应用越来越广泛。大跨度建筑彰显了一个国家的建筑技术水平，是当前建筑类型发展的重要趋势。与其他类型的建筑相比，大跨度建筑对于设计技术的要求更高，对结构技术的依赖性也更强。因此，对大跨度建筑的设计必须从技术角度出发，并结合设计师的个人想法和创意，才能够真正打造出优质的建筑工程作品。

2  大跨度建筑结构的典型型式

2.1  壳体结构

壳体结构在大跨度建筑中的应用非常广泛，它是由两个曲面所限定的薄壁曲面结构，通常是使用混凝土等刚性材料通过各种曲面结构形式共同构成。壳体结构的承载性能优越，只需较小的结构厚度就能够承担非常可观的荷载，并且具备较高的美观性和艺术性。壳体结构通常呈空间受力的状态，其结构本身主要承受的是曲面内的轴向力，而结构中的弯矩以及扭矩相对较小，这使得建筑材料强度在建筑结构当中能够得到全面的发挥和利用。壳体结构的形式较为多样，常见的有筒壳、蛋壳、双曲扁壳以及双曲抛物面等，拥有自重轻、跨度大、用料少以及外观多样等优点，成为大跨度建筑最为经典的结构形式之一。

2.2  网架结构

网架结构是利用多条杆件按照一定规律组成的网状型结构，于上世纪60年代兴起，多用于对舞台等工程项目的搭建。按照外形划分，可以将网架结构分为平板网架和曲面网架两种，按照构造方式可以分为交叉桁架体系和角锥体系。网架结构具有整体性强、稳定性好、空间强度大等优点，深受建筑企业的青睐。同时，由于网架结构由多条杆件组合而成，杆件的规格尺寸基本一致，所应用的部件可以直接由工厂生产之后运输到施工现场进行安装操作，因此这种结构的应用非常广泛，并且容易创造出个性化、丰富多彩的建筑工程作品。

2.3  薄网结构

薄网结构是近年来迅速发展起来的建筑结构体系，是一种新型、具有较高应用潜力的大跨度建筑结构。薄网结构在搭建时主要应用的是性能优良的柔软织物，这种织物的优点是透气性好，兼具一定的采光性等。薄网结构由空气压力支撑膜面，同时可以利用柔软的拉锁结构或者刚性的支撑结构将整个薄膜撑起，形成一个刚度较强、覆盖面较大的大跨度空间结构体系。薄网结构可以防风挡雨，保证内部空间的舒适度。

3  大跨度建筑设计中结构形态的表现

3.1  基于结构力学来表现

在大跨度建筑设计中，加强对结构力学的研究与分析，借助力学概念开展结构的构思与设计，能够创作出更为简单、稳定和富有想象力的建筑结构作品，更好地表现建筑结构形态，提升建筑结构的整体活力。在大跨度建筑设计和建设中，首先需要考虑的便是结构的受力情况，真实、准确地表达结构受力情况是评价结构形态综合设计水平的重要指标，也是影响建筑整体安全性和稳定性的关键。

在大跨度建筑设计中，合理协调和运用结构中的力学原理非常重要。大跨度建筑的受力情况较为复杂，设计者要深入分析结构受力情况并选取合理的受力结构来构成稳定的结构体系，同时还要结合结构的内在受力规律来保证建筑的美观性。比如，意大利佛罗伦萨体育场就是充分利用结构力学建设而成的，其使用了较少的结构材料，通过简洁合理的受力结构，利用带悬臂的V型支座构件支撑看台，有效地将结构中的荷载传导到基础上去，这种三角形结构不但保证了结构整体的稳定，也减少了建筑结构的倾覆力。

3.2  模仿自然界结构表现

为了更好地适应外部生态环境，自然界中的生物不断改变自己的形体结构来保持足够的平衡和防御能力，在其长期的进化过程中逐渐形成了最为科学、合理、稳定的结构形态，设计师和工程师借助仿生学理论来汲取其中的结构奥秘，解决了大量建筑结构型式难题。比如，乌龟壳作为乌龟的重要防御武器，实际厚度只有2mm左右，但是却可以承受约50kg的外部压力，通过对乌龟壳结构的分析和研究，极大地提升了建筑的稳定性和承重能力，从而使许多建筑难题迎刃而解。北京奥运会主体育场馆——鸟巢，也是模仿自然界结构形态的重要代表，它所采用的鸟巢结构既保证了建筑本身的美观性，也在很大程度上确保了建筑本身的稳定性，彰显了独特的建筑仿生魅力。目前，越来越多的设计师将注意力转向了微观世界，雪花、花粉甚至分子、原子结构，都开始在建筑结构中得到运用，成为了大跨度建筑结构模仿的重要对象。

3.3  利用几何形、拓扑形

几何形状是人类以自然为原型并通过抽象概括而形成的人工形态，在建筑结构中的应用较为普遍，特别是在西方的许多建筑结构当中应用较为广泛。我国的部分大跨度建筑，如广州体育馆等，也运用了大量的几何形状，包括圆锥、三角形等，打造出了独具特色的建筑艺术风格。

拓扑形是一种非常接近自然的形状，它在大跨度建筑空间秩序的研究上能够发挥重大作用，并且拓扑形自身也具有强烈的自然美和现实美。拓扑形与几何形是相对对立的关系，几何形强调的是规则与规整，体现了强烈的逻辑性。而拓扑形注重的是形状的变化性和丰富度，虽然缺乏理性逻辑，但是容易给人们留下深刻印象。拓扑形在大跨度建筑中的应用也非常广泛，如德国慕尼黑奥林匹克公园就采用了自然而多样的拓扑形结构，其构造个性而张扬，宛如形状各异的山峦丘陵，独具美感。

3.4  利用结构构件来表现

作为大跨度建筑结构的重要组成部分，结构构件不仅能够为建筑提供支撑作用，同时还可以对建筑结构起到特殊的造型和装饰效果。结构构件是力学特性的外显，也是对建筑外形塑造的有力支撑，可以起到表达和传递美学信息的作用。在实际的建筑结构设计中，通过发挥结构构件的语言功能，能够为设计师提供足够的表现空间，展现建筑的技术美感。法国里昂的机场铁路客运站在设计建设时就充分地利用了结构构件来加强对结构形态的表现，其通过对玻璃与钢架结构的搭配运用，构建起呈伸展状态的翅膀式结构。这一结构设计既保证了建筑的视觉美观度，同时也提升了建筑的立体感和透视效果，增强了建筑形象的表现力。

4  结束语

综上所述，大跨度建筑设计应该在保证结构设计合理性的基础上，运用结构形态表现方法增加建筑的美观性和艺术性，提升建筑的内部空间和外部形象，与此同时，应在明确建筑结构型式的前提下加强对结构力学、几何学以及结构构件表现方法的应用，以丰富建筑形象，打造出更具影响力和观赏价值的大跨度建筑艺术作品。

參考文献：

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[3] 蔡理武.大跨度建筑设计中结构仿生的应用[J].建材与装饰，2018（30）.

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[5] 严卫军.大跨度建筑结构表现的建构探究[J].名城绘，2020（2）.