新型建筑结构体系浅谈

来源:用户上传      作者: 汪　琎

　　【摘要】：随着科学技术、结构设计理论、高强材料的迅速发展，为建筑师们提供了丰富的想象空间，同时也为新颖结构体系自寺出现创造了条件。文章主要介绍近年来应用越来越多的几种新型建筑结构体系。
　　【关键词】：建筑结构体系；钢一混凝土混合结构；张拉整体结构；膜结构
　　中图分类号：TU32 文献标识码：A 文章编号：1006-0510(2008)09008-02
　　
　　随着科学技术、结构设计理论、高强材料的迅速发展。人们对建筑造型、建筑设计和跨度的要求越来越高。对建筑结构的要求更高。为了解决这些问题，涌现出了一些新的结构体系。包括：钢一混凝土混合结构、巨型结构体系、张拉整体结构、膜结构等。
　　
　　1. 钢一混凝土混合结构
　　钢一混凝土混合结构是我国目前在高层建筑领域里应用较多的一种结构形式。钢结构和混凝土结构各有所长，前者具有重量轻、强度高、延性好、施工速度快、建筑物内部净空高度大等优点；而后者刚度大、耗钢量少、材料费省、防火性能好。综合利用这两种结构的优点为高层建筑的发展开辟了一条新途径。统计分析表明，高层建筑采用钢一混凝土混合结构的用钢量约为钢结构的70％，而施工速度与全钢结构相当，在综合考虑施工周期、结构占用使用面积等因索后。混合结构的综合经济指标优于全钢结构和混凝土结构的综合经济指标。
　　钢一混凝土混合结构最早于1972年用于芝加哥的Gateway I]I Building(36层137m)。我国至20世纪80年代才将钢结构用于高层建筑，目前已建成或在建的高层建筑(约有40余幢)中．有一半以上采用的是钢一混凝土混合结构，其中的典型建筑是上海金茂大厦。钢一一混凝土混合结构在高层办公楼、学校、医院及住宅等建筑中将有更广泛的应用。
　　
　　2. 巨型结构体系
　　巨型结构是由大型构件(巨型梁、巨型柱和巨型支撑)组成的，主结构与常规结构构件组成的次结构共同工作的一种结构体系。
　　巨型结构按主要受力体系形式可分为巨型桁架结构、巨型框架结构、巨型悬挂结构和巨型分离式结构；按材料可分为巨型钢筋混凝土结构、巨型钢骨混凝土结构、巨型钢一钢筋混凝土混合结构及巨型钢结构。
　　巨型结构的特点：从平面整体上看。巨型结构的材料使用正好满足了尽量开展的原则，可以充分发挥材料性能；从结构角度看，巨型结构是一种超常规的具有巨大抗侧刚度及整体工作性能的大型结构，是一种非常合理的超高层结构形式；从建筑角度看。巨型结构可以满足许多具有特殊形态和使用功能的建筑平立面要求。使建筑师们的许多天才想象得以实施。
　　巨型结构作为高层或超高层建筑的一种崭新体系。由于其自身的优点及特点，已越来越被人们重视，并越来越多地应用于工程实际，是一种很有发展的结构形式。香港汇丰银行属于巨型钢结构体系。是诺尔曼・福尔特设计的。
　　
　　3. 膜结构
　　膜结构是张力结构体系的一种，它是用多种高强薄膜材料(常见的有PVC类、PTFE类及有机硅类)及辅助结构(常见的有钢索、钢桁架或钢柱等)通过一定的方式使其内部产生一定的预张应力。并形成应力控制下的某种空间形态。作为覆盖结构或建筑物主体，并具有足够的刚度以抵御外部荷载作用的一种空问结构形式。其中基材织物。主要决定膜材的力学性质。提供材料的抗拉强度、抗撕裂强度等；涂层。主要解决膜材的物理性质，提供材料的耐火、耐久性及防水、自洁性等。
　　膜结构具有如下特点：① 多变的支撑结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化，新颖美观。同时体现结构之美。且色彩丰富；膜建筑屋面重量仅为常规钢屋面的1／30，这就降低了墙体和基础的造价，同时膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的"建筑可识性"和商业效应，其价格效益比更高；② 膜工程中所有加工和制作依设计均可在工厂内完成，在现场只进行安装作业，与传统建筑的施工周期相比，它几乎要快一倍；③ 膜材有较高的反射性及较低的光吸收率，并且热传导性较低，这极大程度上阻止太阳能进入室内。另外。膜材的半透明性可以充分利用自然光；④ 由于自重轻，膜建筑可以不需要内部支撑面大跨度覆盖空间，这使人们可以更灵活、更有创意地设计和使用建筑空间。
　　膜结构由以下三种形式：① 充气式膜结构：通过空气压力支撑膜体来覆盖建筑空间。它形体单一，运用较少；② 张拉式膜结构：通过钢索与膜材共同受力形式稳定曲面来覆盖建筑空间，它是索膜建筑的代表和精华，具有高度的形体可塑性和结构灵活性；③骨架式膜结构：通过自身稳定的骨架体系支撑膜体来覆盖建筑空间，骨架体系决定建筑形体，膜体为覆盖物。同国际先进水平相比，中国在膜结构方面有相当大的差距。但近年来在理论研究方面已做了不少工作。也开始出现一些实际的工程项目。如上海八万人体育场的看台挑篷是用钢骨架支承的膜结构。是我国首次在大型建筑上采用膜结构，但所用膜材是进口的，设计、施工安装也由外国公司进行。
　　
　　4. 高效预应力结构体系
　　高效预应力结构是指用高强度材料、现代设计方法和先进的施工工艺建筑起来的预应力结构，是当今技术最先进、用途最广、最有发展前途的一种建筑结构型式之一。目前。世界上几乎所有的高大精尖的土木建筑结构都采用了高效预应力技术，如大型公共建筑、大跨重载工业建筑、高层建筑、大中跨度桥梁、大型特种结构、电视塔、核电站安全壳、海洋平台等几乎全部采用了这一技术。
　　与传统预应力相结构相比，高效预应力结构具有以下一些特点：① 广泛采用高强度材料：目前国内预应力混凝土结构中常用的混凝土强度等级从CA0～ C80。甚至达到C100以上；② 按照现代设计理论设计。大大改善了高效预应力结构的抗震性能、正常使用性能等；③ 近年来开发了先进的施工工艺为高效预应力结构的大规模推广应用提供了技术基础。如高吨位、大冲程千斤顶的应用和多种锚固体系等；④ 高效预应力结构适用范围广。可适用于大跨和超大跨度以及使用性能高的结构，并可拓展到高层结构转换层、钢结构、基础、路面等结构领域。
　　近年来。高效预应力技术在我国发展迅速，已制定专门的预应力结构设计、施工规程、工程中应用的预应力结构体系也很丰富。典型工程有面积最大的单体预应力工程一首都国际机场新航站楼工程。可以预计，随着高性能预应力材料(高强混凝土、高强预应力筋、新型纤维塑料筋等)的推广应用以及结构设计理论和设计的不断发展。新型、高效应力结构体系将在我国21 lit纪大规模基本建设中发挥越来越大的作用。
　　
　　5. 开合屋盖结构
　　开合屋盖结构是一种在很短时间内部分或全部屋盖结构可以移动或开合的结构形式，它使建筑物在屋顶开启和关闭两个状态下都可以使用。它是将屋盖系统分成若干个可动和固定单元，通过可动单元按一定轨迹移动、转动，使之各单元之间搭接、迭放来实现屋盖的开合。
　　开合屋盖结构的特点：① 将屋盖开启使人感觉回归自然，心情舒畅；②遇有雨雪天气，可将屋盖关闭，从而使室内活动不受气候影响；依据结构体系，开合屋盖结构可分为；③柔性结构的索膜和钢结构膜屋面开合结构；④ 空间刚性网格屋盖单元开合结构；⑤ 可展开的开合结构；⑥ 气膜开合结构。
　　开合屋盖结构不仅用于体育馆。而且广泛用于飞机库、商场、厂房及需要晾晒的仓储建筑。到目前为止，世界上面积超过10 000m 的大型开合屋盖结构已超过10座。这些大规模的开合结构的建成产生了非常好的经济、社会效益，其应用会越来越广。

　　
　　6. 张拉整体结构
　　张拉整体结构是由一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的空间网格结构。其中"不连续的压杆"的含义是压杆的端部互不接触，即一个节点上只连接一个压杆。张拉整体结构是美国建筑师R．B．Fuller首先提出的一种结构思想，他认为宇宙的运行就是按照张拉整体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网。各个星球是这个网中的一个个孤立点。这种结构体系中的索网就相当于宇宙中的万有引力，独立的受压杆。张拉整体结构符合自然规律，可以最大限度地利用材料和截面的特性，因而可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。
　　
　　7. 折叠结构
　　折叠结构是将剪式杆单元或伸缩式单元与张力膜融为一体，具有可重复使用，折叠后体积小，便于运输、施工等特点。
　　在日常生活中我们常见的折叠帐篷和折叠雨伞都属于折叠结构。
　　折叠结构包括折叠网架、折叠穹顶。
　　
　　8. 玻璃结构
　　玻璃被作为建筑材料用于建筑物已有很长的历史，但多用于门、窗、采光带等。近年来随着玻璃性能的不断改善，以及人们对玻璃特性认识的不断深入，玻璃已被越来越多的作为承重材料用于建筑结构。
　　玻璃结构的特点：① 玻璃结构明亮华丽，从采光这个角度上说，是一种节能结构；② 玻璃在力学性能上有点像混凝土，是一种脆性材料，抗压性能好、抗拉性能差，应力应变关系表现为线性，弹性模最在70GPa～73GPa之间，约为钢材弹性模量的1，3。钢化玻璃的抗弯强度高于70MPa，淬火玻璃的抗弯强度则可超过120MPa。甚至可达到200MPa，而玻璃的自重为2500kg／ ，所以玻璃的强重比要优于普通钢材，玻璃结构能给人一种轻巧的感觉；③ 玻璃的热膨胀系数为9×10～，与钢材的相近。这使得钢材和玻璃能够用于同一结构，发挥各自特长；④ 玻璃的耐腐蚀性能很强，可抵抗强酸的侵蚀，因此玻璃结构的防腐费用较低。因此越来越多的建筑师和结构工程师在工程中利用玻璃来实现建筑物更亮、更轻、更美的高科技效果，增强城市的现代化气息。玻璃结构从形式上可分为：全玻璃结构、玻璃一金属结构。
　　由于力学上的局限性。玻璃在结构中一般与钢、铝等抗粒材料共同工作，应用于全玻璃房屋、幕墙、屋顶、楼梯、雨篷等结构中。
　　
　　9. 结束语
　　文章主要介绍了几种新型建筑结构体系。包括：钢一一混凝土混合结构、巨型结构、张拉整体结构、膜结构、高效预应力结构、开合屋盖结构、折叠结构和玻璃结构等 随着科学技术、结构设计理论、高强材料的迅速发展，以及人们对建筑造型、建筑设计等的要求越来越高，这些结构体系势必会越来越广泛应用于建筑工程中。
　　
　　参考文献
　　[1] 刘锡良.大跨度开合空间结构, 钢结构,1998.
　　[2] 陈麟,张耀春.巨型结构体系及发展趋势．哈尔滨工业大学学报，2003.
　　[3] 刘大海，杨翠如.高层建筑结构方案选优．中国建筑工业出版社,1996．

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