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空間結構建設應重視四個原則

作者:建筑鋼結構網    
時間:2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    大跨度空間結構的五個指標
      所謂空間結構(Spatialstructures) ,其形狀呈空間狀,并同時具有三維受力特性。優秀的空間結構具有荷載傳遞路線最短,受力均勻等特點:而平面樓蓋結構,由于構件分為板、次梁和主梁等“級別”,荷載傳遞路線長,浪費材料。自然界也有許許多多令人驚嘆的空間結構,如蛋殼、海螺等是薄殼結構;蜂窩是空間網格結構;肥皂泡是充氣膜結構:蜘蛛網是索網結構:棕櫚樹葉是折板結構等等。因此,從某種意義上來說,空間結構是一種仿生結構,它們比平面結構更美觀、經濟和高效。
      如何衡量一個大跨度空間結構(l≤60m)的優劣,本人曾提出五個指標:
      ⑴材料強度充分發揮!
     ?、苹A推(拉)力H合理處理!
      ⑶施工安裝費!
      ⑷跨度大!
      ⑸結構的藝術作用!
      對大跨度結構來說,材料用量多,不僅是一個浪費,對結構的抗震,特別是豎向抗震極為不利。我國每一本結構設計規范總則第1條中, 都要求做到技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量。因此,對優秀的大跨度空間結構來說,技術先進和經濟合理更應該特別強調。“結構的藝術作用”,把結構的型式與建筑的空間藝術形象融合起來,即結構本身富有美學表現力。建筑師必須注意發揮這種表現力和利用這種裝飾效果,自然地顯示結構。所謂自然的顯示結構,不是說結構就是美,而是要袒露具有美學價值的部分,通過建筑師的藝術加工,達到表現建筑美的目的,而不是簡單地表現結構本身。這樣,就可以使建筑最終達到實用、經濟和美觀的目的。
      美國雷里(Rauleigh)競技館。結構受力明確,形成自平衡體系,索、拱的材料強度充分發揮、基礎很小、施工方便,幾乎符合上述五個衡量指標。斜拱的周邊以間距2.4m的鋼柱支承,立柱兼作門窗的豎框,形成了以豎向分隔為節奏感很強的建筑造型。被認為是世界上第一座優秀的大跨度索網結構屋蓋建筑,開創了現代建筑索結構的歷史。

      空間結構超越梁式結構的優勢
      從梁的彎矩圖可見,梁沿跨度和截面的受力都很不均勻,材料強度不能得到充分的發揮。對于通??缍鹊臉巧w梁來說,可將矩形截面變為工字型截面,進而采用格構式梁(桁架),以提高梁的承載力和剛度。為了實現結構的更大跨越,則必須把梁演變成拱和索,它的橫向擴展就變成了空間結構。因此,空間結構又叫形效結構.
      從一些優秀的空間結構上可以看出空間結構符合指標的優勢。
      (1) 美國亞特蘭大百年奧運會喬治亞穹頂。橢圓形平面:240.790m×192.020m,它是目前世界上最大的雙曲拋物型準張拉整體體系(TensegritySystem)。該體系由美國M-Levy開發的一種穩定性好的三角形劃分網格穹頂,受力特點是: “連續拉、 間斷壓”,材料強度得到了最充分的發揮(指標1,2)。整個屋蓋用鋼量僅30kg/m2。
      (2) 法國巴黎國家工業與技術展覽中心大廳。是鋼筋砼裝配整體式薄殼結構,殼體跨度l與殼的折算厚度t之比:l/t=206m/0.18m=1144倍,而雞蛋殼僅:40mm/0.4mm=100倍。說明人類的巨大智慧。
      (3) 廣東省湛江電廠干煤棚。平面尺寸:113.400m×113.400m,柱距79.80m,它是目前我國跨度最大的四柱支承平板網架屋蓋。考慮到煤棚位于湛江順島上,是臺風多發區,網架上鋪置鋼筋陶粒砼三角形帶肋預制板(直角邊4.200m,板的重力密度=14.5kN/m3)。雖然平板網架是科技含量較低的空間結構體系,但仍可通過精心設計,采取八面坡水,腹桿棋盤式布置等手段來強化空間傳力, 用鋼量僅70.3kg/m2(巴基斯坦體育館柱距62.400m, 鋁皮輕屋面, 用鋼就達61kg/m2) 。值得指出的是:由于采用了暗柱帽,網架的施工散裝平臺由5m減低至1m左右,大大節省了施工費用。
      1996年9月9日至20日,湛江地區先后遭受了兩次40多年未遇的強臺風襲擊,市內風速達57m/s(12級臺風為33m/s)強風時間持續1h以上,大量的建筑物受到嚴重破壞,但位于臺風登陸口的湛江電廠干煤棚卻完好無損,其陶粒砼屋面也未遭到任何破壞。
      (4) 羅馬小體育館。采用外露的叉形斜柱,有力地把巨大的裝配整體式鋼筋砼網肋型扁圓球殼托起,結構清晰、歡快,極富結構力度。
     ?。?) 意大利佛羅倫薩運動場大看臺。建筑師把雨蓬的挑梁外形與其彎矩圖(二次拋物線)統一起來。但又不是簡單的統一,建筑師利用混凝土的可塑性對挑梁的外輪廊進行了藝術處理,在挑梁的支座附近挖了一個三角形孔,既減耗了結構重力,也獲得了很好的藝術效果。
      這個建筑,直接地顯示了結構的自然形體,進行了恰如其分的藝術加工,而又不做任何多余的裝飾,使結構的形式與建筑空間藝術形象高度的融合起來,形象優美,輕巧自然,給人以建筑美的享受。
      這個例子說明,建筑物的重力感、力的傳遞與其支承的關系,也就是結構的作用,同樣也是建筑藝術表現力的重要源泉。
      
      認真執行四個原則
      對大跨度空間結構體系來說,梁式結構體系是受力最差的體系。 張拉整體體系??“連續拉、間斷壓”和索-膜體系是目前最先進、最經濟的體系。
      法國著名建筑師保羅?安德魯中標設計的廣州體育館,用鋼量160kg/m2; 美國NixonEllerbeBecket(NEB)公司中標設計的廣東奧林匹克體育,用鋼量高達200kg/m2,它們基本上都屬于梁式結構體系,耗費如此多的用鋼量也就不奇怪了。
      由于外國設計者不了解中國規范,我曾建議,今后國際招標只作到方案階段,初步設計應由國內設計院承擔。
      大跨度空間結構幾乎都是鋼結構,科技含量較高,本文提出的五個衡量指標是最基本的。要設計好一個大跨度空間結構建筑,建筑師和結構工程師的合作應當達到配合默契的程度。嚴格貫徹執行國家的技術經濟政策,即技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量。我們希望認真執行這四個原則,政府部門和工程技術人員都不能停留在口頭上。
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