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空間結(jié)構(gòu)建設(shè)應(yīng)重視四個原則

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    大跨度空間結(jié)構(gòu)的五個指標
    　　所謂空間結(jié)構(gòu)（Spatialstructures） ，其形狀呈空間狀，并同時具有三維受力特性。優(yōu)秀的空間結(jié)構(gòu)具有荷載傳遞路線最短，受力均勻等特點：而平面樓蓋結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)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(jié)構(gòu)，如蛋殼、海螺等是薄殼結(jié)構(gòu)；蜂窩是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；肥皂泡是充氣膜結(jié)構(gòu)：蜘蛛網(wǎng)是索網(wǎng)結(jié)構(gòu)：棕櫚樹葉是折板結(jié)構(gòu)等等。因此，從某種意義上來說，空間結(jié)構(gòu)是一種仿生結(jié)構(gòu)，它們比平面結(jié)構(gòu)更美觀、經(jīng)濟和高效。
    　　如何衡量一個大跨度空間結(jié)構(gòu)（l≤60m）的優(yōu)劣，本人曾提出五個指標：
    　　⑴材料強度充分發(fā)揮！
    　?、苹A(chǔ)推（拉）力H合理處理！
    　?、鞘┕ぐ惭b費！
    　?、瓤缍却螅?br /> 　?、山Y(jié)構(gòu)的藝術(shù)作用！
    　　對大跨度結(jié)構(gòu)來說，材料用量多，不僅是一個浪費，對結(jié)構(gòu)的抗震，特別是豎向抗震極為不利。我國每一本結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范總則第1條中， 都要求做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量。因此，對優(yōu)秀的大跨度空間結(jié)構(gòu)來說，技術(shù)先進和經(jīng)濟合理更應(yīng)該特別強調(diào)?！敖Y(jié)構(gòu)的藝術(shù)作用”，把結(jié)構(gòu)的型式與建筑的空間藝術(shù)形象融合起來，即結(jié)構(gòu)本身富有美學(xué)表現(xiàn)力。建筑師必須注意發(fā)揮這種表現(xiàn)力和利用這種裝飾效果，自然地顯示結(jié)構(gòu)。所謂自然的顯示結(jié)構(gòu)，不是說結(jié)構(gòu)就是美，而是要袒露具有美學(xué)價值的部分，通過建筑師的藝術(shù)加工，達到表現(xiàn)建筑美的目的，而不是簡單地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)本身。這樣，就可以使建筑最終達到實用、經(jīng)濟和美觀的目的。
    　　美國雷里（Rauleigh）競技館。結(jié)構(gòu)受力明確，形成自平衡體系，索、拱的材料強度充分發(fā)揮、基礎(chǔ)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(jié)奏感很強的建筑造型。被認為是世界上第一座優(yōu)秀的大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)屋蓋建筑，開創(chuàng)了現(xiàn)代建筑索結(jié)構(gòu)的歷史。

    　　空間結(jié)構(gòu)超越梁式結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(fā)揮。對于通?？缍鹊臉巧w梁來說，可將矩形截面變?yōu)楣ぷ中徒孛?，進而采用格構(gòu)式梁（桁架），以提高梁的承載力和剛度。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。因此，空間結(jié)構(gòu)又叫形效結(jié)構(gòu).
    　　從一些優(yōu)秀的空間結(jié)構(gòu)上可以看出空間結(jié)構(gòu)符合指標的優(yōu)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(fā)的一種穩(wěn)定性好的三角形劃分網(wǎng)格穹頂，受力特點是： “連續(xù)拉、 間斷壓”，材料強度得到了最充分的發(fā)揮（指標1，2）。整個屋蓋用鋼量僅30kg/m2。
    　　（2） 法國巴黎國家工業(yè)與技術(shù)展覽中心大廳。是鋼筋砼裝配整體式薄殼結(jié)構(gòu)，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(wǎng)架屋蓋?？紤]到煤棚位于湛江順島上，是臺風(fēng)多發(fā)區(qū)，網(wǎng)架上鋪置鋼筋陶粒砼三角形帶肋預(yù)制板（直角邊4.200m，板的重力密度=14.5kN/m3）。雖然平板網(wǎng)架是科技含量較低的空間結(jié)構(gòu)體系，但仍可通過精心設(shè)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(wǎng)架的施工散裝平臺由5m減低至1m左右，大大節(jié)省了施工費用。
    　　1996年9月9日至20日，湛江地區(qū)先后遭受了兩次40多年未遇的強臺風(fēng)襲擊，市內(nèi)風(fēng)速達57m/s（12級臺風(fēng)為33m/s）強風(fēng)時間持續(xù)1h以上，大量的建筑物受到嚴重破壞，但位于臺風(fēng)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。
    　?。?） 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(wǎng)肋型扁圓球殼托起，結(jié)構(gòu)清晰、歡快，極富結(jié)構(gòu)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(tǒng)一起來。但又不是簡單的統(tǒng)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(shù)處理，在挑梁的支座附近挖了一個三角形孔，既減耗了結(jié)構(gòu)重力，也獲得了很好的藝術(shù)效果。
    　　這個建筑，直接地顯示了結(jié)構(gòu)的自然形體，進行了恰如其分的藝術(shù)加工，而又不做任何多余的裝飾，使結(jié)構(gòu)的形式與建筑空間藝術(shù)形象高度的融合起來，形象優(yōu)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(guān)系，也就是結(jié)構(gòu)的作用，同樣也是建筑藝術(shù)表現(xiàn)力的重要源泉。
    　　
    　　認真執(zhí)行四個原則
    　　對大跨度空間結(jié)構(gòu)體系來說，梁式結(jié)構(gòu)體系是受力最差的體系。 張拉整體體系??“連續(xù)拉、間斷壓”和索-膜體系是目前最先進、最經(jīng)濟的體系。
    　　法國著名建筑師保羅?安德魯中標設(shè)計的廣州體育館，用鋼量160kg/m2； 美國NixonEllerbeBecket（NEB）公司中標設(shè)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(jié)構(gòu)體系，耗費如此多的用鋼量也就不奇怪了。
    　　由于外國設(shè)計者不了解中國規(guī)范，我曾建議，今后國際招標只作到方案階段，初步設(shè)計應(yīng)由國內(nèi)設(shè)計院承擔(dān)。
    　　大跨度空間結(jié)構(gòu)幾乎都是鋼結(jié)構(gòu)，科技含量較高，本文提出的五個衡量指標是最基本的。要設(shè)計好一個大跨度空間結(jié)構(gòu)建筑，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的合作應(yīng)當達到配合默契的程度。嚴格貫徹執(zhí)行國家的技術(shù)經(jīng)濟政策，即技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量。我們希望認真執(zhí)行這四個原則，政府部門和工程技術(shù)人員都不能停留在口頭上。
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