【摘 要】隨著我國改革開放的進(jìn)一步深化和世界知識經(jīng)濟(jì)的普遍發(fā)展，經(jīng)濟(jì)騰飛，人民生活水平日益提高，房產(chǎn)建筑和交易市場呈現(xiàn)出前所未有的繁榮景象。20時(shí)間后半期，土木工程和結(jié)構(gòu)工程涌現(xiàn)出更高、更大、更長的超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑形式得到更為廣泛的應(yīng)用，然而中國以建筑師的設(shè)計(jì)思維和視角對此進(jìn)行研究的課題甚少。本文基于傳統(tǒng)大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的理論和實(shí)踐，從建筑師的角度，充分考慮建筑因素的復(fù)雜性和難度處理，對其基本構(gòu)成要素和材料、構(gòu)件、技術(shù)等進(jìn)行詳細(xì)分析，并參考《大跨空間結(jié)構(gòu)選型的因素體系模型》一文的建模系統(tǒng)，對大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了重新的詮釋與補(bǔ)充。旨在為民用鋼建筑提供新思路和新方法，提高工程質(zhì)量、加快工程進(jìn)度、降低施工成本。

【關(guān)鍵字】大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)體系；新結(jié)構(gòu)形式

1 大跨度鋼的主要內(nèi)容和應(yīng)用情況

1.1 大跨度鋼的主要內(nèi)容和特點(diǎn)

理論界普遍認(rèn)為大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系覆蓋范圍廣、包括內(nèi)容多，很難用明確、嚴(yán)格的定義來說明，一般認(rèn)可跨度超過60m的結(jié)構(gòu)可以稱為大跨度結(jié)構(gòu)。由于其結(jié)構(gòu)上的多跨、連續(xù)跨等形式不同和受力特征的區(qū)別，又可概括出以下體系：

大跨度鋼結(jié)構(gòu)具有形式多樣化、多姿多彩的特點(diǎn)。自上個(gè)世紀(jì)60年代以來，這種結(jié)構(gòu)在我國得到廣泛應(yīng)用，直至80-90年代，中、小型跨度網(wǎng)架已經(jīng)遍布各地，體育場館、工廠車間、居民住房、機(jī)場等都使用了大跨度鋼結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由逐桿相連改為上、下弦桿連續(xù)設(shè)置，較方便地形成多曲率，不存在節(jié)點(diǎn)連接件，結(jié)構(gòu)用鋼量可與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)持平或有所減小。

除此之外，代預(yù)應(yīng)力技術(shù)的引入使大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)更具活力，呈現(xiàn)出先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢，改善了原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和內(nèi)力峰值，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果明顯提高。構(gòu)新材料的應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步也極大地推動(dòng)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)步與發(fā)展。廣廈鋼結(jié)構(gòu) CAD 系統(tǒng)、天津空間網(wǎng)架工程公司 TJWJ909，以及浙大空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件 MSTCAD 都是大跨度鋼結(jié)構(gòu)更加完善。

1.2 大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國的應(yīng)用情況

一直以來，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家的房屋鋼材建筑處于領(lǐng)先地位，各種類型的大跨空間鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，新技術(shù)和新材料也層出不窮。例如美國于1961年建成的匹茲堡會堂，直徑達(dá)127m，1996年奧運(yùn)會修建的佐治亞穹頂橢圓形平面的輪廓尺寸達(dá)192×241m。

我國的空間鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)較為薄弱，起步也較晚，但隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和綜合國力的增強(qiáng)，大跨工業(yè)廠房、機(jī)場、會展中心、劇院等得到了前所未有的發(fā)展和應(yīng)用。從最初的平面架構(gòu)、平板網(wǎng)架、單層網(wǎng)架到現(xiàn)在的空間立體桁架、多層網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)，其先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性得到了充分的展示，也引起了學(xué)界對大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑的進(jìn)一步探討和研究。

2 傳統(tǒng)思路與新技術(shù)創(chuàng)新下大跨民用鋼結(jié)構(gòu)建筑對比研究

2.1 基于傳統(tǒng)思路分類的大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)

《大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)》、《鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系概述》兩書中對大跨民用鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、構(gòu)成要素、應(yīng)用技術(shù)、使用材料等都做出了詳盡的描述，可用圖表概括如下：

2.2 新技術(shù)、新材料、新構(gòu)件背景下的大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)

在新技術(shù)的推動(dòng)下，大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了許多新的形式，包括索桁架、 立體索桁架、交叉索桁平板網(wǎng)架、空間預(yù)應(yīng)力索桁結(jié)構(gòu)等。他們作為新的結(jié)構(gòu)形式具有通過撐桿連接抗彎受壓構(gòu)件、抗拉構(gòu)件、拉力與壓力成對抵抗截面彎矩等特點(diǎn)，日本學(xué)者將其定義為“用撐桿連接抗彎受壓構(gòu)件和抗拉構(gòu)件而成的自平衡體系”。

根據(jù)建筑學(xué)原理，空間預(yù)應(yīng)力索桁結(jié)構(gòu)則是一種三維布置的索桁空間受力體系，其形成緣由有平面雙向索結(jié)構(gòu)經(jīng)旋轉(zhuǎn)陣列或者是將平面體系雙向或多向布置，也有的是將上弦和腹桿延展到空間，而下弦仍在二維平面內(nèi)?？赏ㄟ^以下圖標(biāo)形象的說明。

這種新結(jié)構(gòu)形式既保證了建筑結(jié)構(gòu)的受力合理，又節(jié)省了建筑空間，同時(shí)滿足了建筑需求，其中屬美國著名工程師蓋格爾在富勒張拉整體結(jié)構(gòu)思想基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計(jì)出的索穹頂是這類結(jié)構(gòu)的最為成功的典范，首度應(yīng)用于大跨度工程。

3 大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系的考慮因素

顧名思義，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的建筑核心是跨度問題，特征和優(yōu)勢也都體現(xiàn)在跨度上。因此，跨度因素是首要考慮因素。隨著社會的進(jìn)步，人們需要更大的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行公共活動(dòng)，對于大空間的需求引起了大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)。每一種大跨空間鋼結(jié)構(gòu)形式都有其比較適應(yīng)的跨度區(qū)間，超過該區(qū)間其結(jié)構(gòu)空間性能及剛度合適性就會變劣?？缍仁墙Y(jié)構(gòu)空間性能及剛度合適性最重要的組成部分之一。

其次，需要考慮寬度因素。作為一種典型的空間受力的結(jié)構(gòu)形式，大跨空間鋼結(jié)構(gòu)，具有不宜分解為平面的體形，換而言之，具有三維受力特性。因此，另一向的長度對整體結(jié)構(gòu)的影響不容忽視。

第三，建筑功能。建筑的根本任務(wù)在于能夠服務(wù)于人的空間，是一種具有使用價(jià)值的功能、藝術(shù)、技術(shù)綜合體。特別是將其應(yīng)用到民用房屋結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)著重注意建筑的采光及通風(fēng)、保溫及隔熱、與環(huán)境的協(xié)調(diào)美、建筑形象美等。具體而言：

3.1 自然采光及通風(fēng)。對采光和通風(fēng)的考慮會影響到結(jié)構(gòu)形體的變化，從而對結(jié)構(gòu)選型的結(jié)果產(chǎn)生影響；

3.2 保溫及隔熱。大跨空間建筑體量大，容納人數(shù)較多，必須考慮人置身其中的舒適感，但另一方面人們在其中停留的時(shí)間不會太長，這個(gè)因素也必須加以考慮。

3.3 建筑形象美。形象美是通過建筑的物質(zhì)實(shí)體來表達(dá)的，一般受結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。

3.4 與環(huán)境相協(xié)調(diào)。建筑不是孤零零獨(dú)立于周圍環(huán)境之外的，大跨空間建筑基地環(huán)境各不相同，建筑體量的安排、尺度的處理、風(fēng)格的創(chuàng)造等必然隨之變化。簡而言之，環(huán)境為大跨空間建筑創(chuàng)造鮮明的個(gè)性準(zhǔn)備了條件。

第四，需要考慮荷載類型。任何建筑物都必須保證其在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，具有足夠的承載能力，這是安全的保證，也是使用壽命的延伸。荷載類型一般可分為以地震荷載為主、以風(fēng)荷載為主、以雪荷載為主等以及以屋面荷載為主等。對不同的，甚至同一的荷載類型而言，同一大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件受力均勻與合理性都是有差異的。

第五，平面形狀。對于千差萬別的建筑平面形狀，采用不同的大跨空間鋼結(jié)構(gòu)時(shí)其構(gòu)件受力均勻與合理性也不盡相同?，F(xiàn)有的大跨空間鋼結(jié)構(gòu)常用的形狀包括矩形、正多邊形、圓形、橢圓形、菱形及組合形?？梢哉f，建筑平面形狀是構(gòu)件受力均勻與合理性組成部分之一。

4 大跨房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工技術(shù)方法

4.1 分條安裝法

分條安裝法又稱小片安裝法，是指結(jié)構(gòu)從平面分割成若干條狀或塊狀單元，分別用起重機(jī)械吊裝至高空設(shè)計(jì)位置總拼成整體的安裝方法。這種安裝方法適用于剛度和手里改變較小的結(jié)構(gòu)，可省去大量的拼裝支架，有利用控制質(zhì)量，減少高空作業(yè)。

4.2 高空滑移法

這種施工方法是將結(jié)構(gòu)按條狀單元分割，然后把這些條狀單元在建筑物預(yù)先鋪設(shè)的滑移軌道上由一端滑移到另一端，就位后總拼成整體的方法稱為高空滑移法。

高空滑移法具有工期短、鋼結(jié)構(gòu)的滑移可與其他土建工程平行、節(jié)約空間、設(shè)備簡單、成本低，以及不需大型起重設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，特別在場地狹小或跨越其他結(jié)構(gòu)而使起重機(jī)等無法進(jìn)入的情況下更為合適。

4.3 整體吊裝法

整體吊裝法是指將結(jié)構(gòu)在地面總拼成整體，用起重設(shè)備將其吊裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高并固定的方法。該技術(shù)可以就地與柱錯(cuò)位總拼或在場外總拼，一般適用于焊接連接網(wǎng)架。但也有其不可避免的缺點(diǎn)，如需要大型的起重設(shè)備，且對停機(jī)點(diǎn)的地耐力要求較高。

4.4 整體提升法

上海歌劇院屋蓋工程即采用了這種施工方法。學(xué)界認(rèn)為，整體提升法是將結(jié)構(gòu)在地面整體拼裝后，起重設(shè)備設(shè)于結(jié)構(gòu)上方，通過吊桿將結(jié)構(gòu)提升至設(shè)計(jì)位置的施工方法。充分利用了、升板機(jī)、液壓滑模、千斤頂?shù)仍O(shè)備安裝大型鋼結(jié)構(gòu)，

降低吊裝成本，同時(shí)提升時(shí)可將防水層、屋面板及電氣設(shè)備等全部在地面施工后，再提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高，實(shí)現(xiàn)節(jié)省施工費(fèi)用的目標(biāo)。

4.5 整體頂升法

這是利用柱作為滑道，將千斤頂安裝在結(jié)構(gòu)各支點(diǎn)的下面，逐步提升的施工方法。結(jié)構(gòu)支點(diǎn)在下面，與整體提升法在提升設(shè)備的位置上有根本不同。

4.6 折疊展開安裝法

此種施工技術(shù)源于日本法政大學(xué)教授川口衛(wèi)先生開發(fā)的 Pantadome 安裝方法，把一個(gè)穹頂看作由徑向的拱繞豎向中軸旋轉(zhuǎn)一周而成。這樣穹頂結(jié)構(gòu)就可以產(chǎn)生 1 個(gè)豎向的、且唯一的自由度。隨后利用這種臨時(shí)的自由度，把穹頂折疊起來，在較為接近地面的位置高度進(jìn)行安裝。

具體的施工過程是暫不安裝某些部位的環(huán)向桿，組裝完成后，用液壓頂升的方法把結(jié)構(gòu)推舉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，變成一個(gè)穩(wěn)定的幾何不變結(jié)構(gòu)，具體過程可見下圖。

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