发布于:2005-06-08 15:13:08
来自:建筑结构/钢结构工程
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衡量大跨度空间结构优劣的五个指标
一、概述
所谓空间结构(Spatial structures),其形体呈空间状,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,本人曾提出四个指标[1]:
1 材料强度充分发挥?
2 基础推(拉)力H合理处理?
3 施工安装费小?
4 跨度大?
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。广东省注册中心在2000年举办的《国家一级注册建筑师讲座》上,我再增加了一个指标:
5 结构的艺术作用
这一指标,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)竞技馆的受力特点是: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。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,开创了现代索结构的历史。
二、梁的演变与空间结构的分类
从梁的弯矩图和应力图可见,梁沿跨度和截面上的受力都很不均匀,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,空间结构又叫造形结构(Formative Structures)。更详细的分类,请参考文献[2]。
三、工程评介
1. 美国亚特蓝大百年奥运会乔治亚穹顶。椭园形平面:240.790 m×192.020m,它是世界上目前最大的双曲抛物型张拉整体体系(Tensegrity System)。
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(指标1和2)。
3. 广东省湛江电厂干煤棚[4]。平面尺寸:113.400m×113.400m,柱距79.800m,它是我国目前跨度最大的四柱支承平板网架屋盖。考虑到煤棚在调顺岛上,是台风多发区,网架上铺陶粒砼三角形(直角边 4.200m)带助预制板(砼重力密度γ=14.5kgf/M2)。虽然平板网架是空间结构体系科技含量较低的结构之一,但可通过精心设计,采取八面坡水,腹杆棋盘式布置等手段,强化了空间传力,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)。特别指出的是:由于采用了暗柱帽,网架的施工散装平台由5m减至1m左右,大大节省了施工费用(指标3)。
1996年9月9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)最强风时间持续1小时以上,大量的建筑物受到严重破坏,但位于台风登陆口的干煤棚完好无损,其陶粒砼屋面也未遭到任何破坏[5]。
4. 罗马小体育馆,采用外露的叉形斜柱,有力的把巨大的装配整体式钢筋砼网肋型扁园球壳托起,结构清新、欢快,极富结构力度(指标5)。
四、小结
1. 对大跨度空间结构体系来说,梁式结构是受力最差的结构;张拉整体体系--“连续拉、间断压”,是目前最经济的体系。
法国著名建筑师保罗·安德鲁中标设计的广州体育馆,用钢量160kg/M2;美国Nixon Ellerbe Becket (NEB)公司中标设计的广东奥林匹克体育馆场,用钢量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,我曾向广州市林树森市长建议,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。 a)广州体育馆(2001.3) b)广东奥林匹克体育场(2001.9)
2. 大跨度空间结构几乎都是钢结构,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
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只看楼主 我来说两句看来的确是好东东啊!!!
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2.http://co.163.com/forum/content/959_140177_1.htm (发布者:mahoud,日期:2005-05-30 11:53:49.0)
以上都是
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