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空间结构建设应重视四个原则

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    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（l≤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.
    　　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中国建筑金属结构信息网，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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