馮 霖

(四川省明杰設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司， 四川成都 610023)

顧名思義，大跨建筑的核心是大跨度結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于大跨建筑設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，與建筑匹配的結(jié)構(gòu)選型尤為重要。大跨度結(jié)構(gòu)不僅僅出現(xiàn)于工業(yè)廠房和庫(kù)房設(shè)計(jì)中，也普遍應(yīng)用于各種公共建筑，如：機(jī)場(chǎng)車站、體育場(chǎng)館、影劇院等，而公共建筑的造型往往比較復(fù)雜，建筑形態(tài)設(shè)計(jì)如果忽略了結(jié)構(gòu)合理性，結(jié)構(gòu)選型時(shí)會(huì)增加很多困難，因此建筑師應(yīng)該對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)的體系做一定了解。大跨度結(jié)構(gòu)的組成包括層蓋結(jié)構(gòu)和主要承重結(jié)構(gòu)，其中尤其能夠表現(xiàn)建筑選型的是屋蓋結(jié)構(gòu)。

1 現(xiàn)代屋蓋結(jié)構(gòu)體系

現(xiàn)代屋蓋結(jié)構(gòu)有以下兩大類型結(jié)構(gòu)體系：

(1)平面結(jié)構(gòu)體系。就是把結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身作為獨(dú)立的單元來(lái)考慮，假設(shè)整體作用等于單個(gè)構(gòu)件作用之和，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)計(jì)算工作。屬于平面結(jié)構(gòu)體系的屋蓋結(jié)構(gòu)有門式剛架結(jié)構(gòu)、薄腹梁結(jié)構(gòu)、平面桁架結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)等。

(2)空間結(jié)構(gòu)體系。就是把所有組成的構(gòu)件協(xié)同起來(lái)，跨越空間工作，不僅比平面工作更符合于力的自然傳遞路線，整體作用會(huì)大于單個(gè)構(gòu)件作用之和，而且多向受力比單向受力更能發(fā)揮材料的潛力。屬于空間結(jié)構(gòu)體系的屋蓋結(jié)構(gòu)有殼體結(jié)構(gòu)、空間桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)等。

這些屋蓋結(jié)構(gòu)形式中，大跨類公共建筑的常用結(jié)構(gòu)一般都屬于空間結(jié)構(gòu)體系，其中空間桁架和網(wǎng)架最為常見，其次是變化多端的膜結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)與膜材進(jìn)行了結(jié)合，成為張拉膜結(jié)構(gòu)的一種，但也有部分采用輕質(zhì)板材的懸索結(jié)構(gòu)。

2 大跨類公共建筑常用結(jié)構(gòu)選型

2.1 空間桁架

空間桁架是桁架的一種類型，而桁架是從梁式結(jié)構(gòu)發(fā)展出來(lái)，用于建筑屋蓋上的承重結(jié)構(gòu)。其本質(zhì)是從受彎構(gòu)件變?yōu)橛蓷U件組成的格構(gòu)體系，從梁的受彎變?yōu)闂U件的軸向受力，受力情況更為有利，材料強(qiáng)度得以充分利用，可以達(dá)到節(jié)省材料和減輕自重的效果。桁架具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)擴(kuò)大了梁式結(jié)構(gòu)的適用跨度。

(2)桁架可用鋼筋混凝土、鋼、木等多種材料制造。

(3)由桿件組成的桁架形態(tài)多樣。

(4)施工方便，桁架既可以整體制作后吊裝，也可以在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行桿件拼裝的空中作業(yè)。

早期的桁架因?yàn)闂U件都在同一個(gè)平面內(nèi)，也被稱為平面桁架。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，平面桁架逐漸向空間桁架發(fā)展，最終發(fā)展成為網(wǎng)架。空間桁架的優(yōu)點(diǎn)與平面桁架有類似之處，但桿件處于不同平面，剛度和穩(wěn)定性更好，在跨度和靈活性、多樣性上優(yōu)勢(shì)更突出，所以在公共建筑中應(yīng)用頗為廣泛，尤其適用于某些屋蓋形態(tài)變化較大的大跨建筑。

2.2 網(wǎng)架

和空間桁架一樣，網(wǎng)架同樣是由平面桁架發(fā)展而來(lái)的一種屋蓋結(jié)構(gòu)，平面桁架是單向受力的平面結(jié)構(gòu)，如果幾個(gè)平面桁架互相交叉結(jié)合起來(lái)就形成網(wǎng)架。由此可知，網(wǎng)架就是由復(fù)雜的桿件系統(tǒng)組成的超靜定次數(shù)極高的空間結(jié)構(gòu)，它具有各向受力性能，其支承跨度比桁架進(jìn)一步增大，而材料消耗卻比桁架減少，是大中型跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的一種理想的結(jié)構(gòu)型式。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)網(wǎng)架是多向受力的空間結(jié)構(gòu)，比單向受力的桁架適用跨度更大。

(2)由于網(wǎng)架的整體空間作用，桿件互相支持，剛度大穩(wěn)定性好，網(wǎng)架具有各向受力性能，應(yīng)力分布均勻，更為節(jié)省鋼材。

(3)網(wǎng)架是高次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全度特別大，倘若某一構(gòu)件受壓屈曲，也不會(huì)導(dǎo)致破壞。

(4)網(wǎng)架屋蓋的網(wǎng)格形式，在屋面鋪設(shè)覆蓋材料和天花裝飾、燈具布置時(shí)更為方便，也適用于多種建筑平面形狀，包括圓形、方形、多邊形等，因此應(yīng)用非常廣泛。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)按外形的不同，可分為曲面網(wǎng)架和平面網(wǎng)架兩類。

曲面網(wǎng)架的外形具有單曲或雙曲等各種曲面形狀，利用一定的起拱度來(lái)實(shí)現(xiàn)外力的空間傳遞。曲面網(wǎng)架可以是單層曲面網(wǎng)格，也可以是雙層曲面網(wǎng)格，其結(jié)構(gòu)機(jī)理與殼體差不多，相當(dāng)于殼體挖空，所以它也被稱做“網(wǎng)殼”。網(wǎng)殼也具有殼體結(jié)構(gòu)的一些短板，比如施工精度要求較高，空間有一些浪費(fèi)，在建筑平面為矩形時(shí)，要考慮承受側(cè)向推力等。不過(guò)隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展，對(duì)公共建筑標(biāo)識(shí)性的要求更高，需要在其造型風(fēng)格上有更多變化，而曲線型建筑有別于一般城市中大量方盒子的風(fēng)格也比較突出，所以目前在大跨類公共建筑中，有著曲面的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑是很常見的。

平面網(wǎng)架是從外形定名，它不是平面結(jié)構(gòu)而是空間結(jié)構(gòu)，為避免名稱上容易誤解，我們一般稱之為“平板網(wǎng)架”。平板網(wǎng)架是由平行弦桁架交叉組成，是雙層平面網(wǎng)格。它是無(wú)推力的空間結(jié)構(gòu)，不存在材料去對(duì)付推力的問(wèn)題，是一種合理經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)架形式，在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用。按網(wǎng)格的組成形式，平板網(wǎng)架可以劃分為三大類。

(1)是由平面桁架系組成的網(wǎng)架，包括兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、兩向斜交斜放網(wǎng)架、三向網(wǎng)架等。

(2)是由四角錐體組成的網(wǎng)架，包括正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架、星形四角錐網(wǎng)架等。

(3)是由三角錐體組成的網(wǎng)架，包括普通三角錐網(wǎng)架、蜂窩形三角錐網(wǎng)架等。

網(wǎng)架與空間桁架相比，對(duì)屋蓋形態(tài)的要求更高，需要相對(duì)規(guī)整平滑，同時(shí)因?yàn)槭嵌嘞蚴芰Γ枰闹蚊嬉哺?，靈活性要差些，但在它適用的范圍內(nèi)較桁架更為經(jīng)濟(jì)。

網(wǎng)架選型涉及的因素很多，如具體工程的平面形狀和尺寸大小、網(wǎng)架的支承方式、荷載的種類及量級(jí)、屋面構(gòu)造和材料、建筑造型、功能要求以及網(wǎng)架的制作安裝方法等。上述因素都應(yīng)在選型工作中進(jìn)行認(rèn)真的綜合比較，以便能選擇出符合實(shí)際情況，而且技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果更好的網(wǎng)架形式。只有空間作用好，構(gòu)造簡(jiǎn)單，贅余桿件少的網(wǎng)架才能取得最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

2.3 膜結(jié)構(gòu)

相比空間桁架和網(wǎng)架，膜結(jié)構(gòu)算是比較新的一種大跨結(jié)構(gòu)形式，雖然也是空間結(jié)構(gòu)體系的一種，但它與其他空間結(jié)構(gòu)形式頗為不同。除了骨架支承式膜結(jié)構(gòu)，在張拉膜結(jié)構(gòu)和充氣式膜結(jié)構(gòu)中，作為建筑面層的膜材也是結(jié)構(gòu)支承的部分，設(shè)計(jì)時(shí)一方面要考慮它的圍護(hù)作用，另一方面要考慮它的力學(xué)性能與受力情況，選材工作相對(duì)復(fù)雜。設(shè)計(jì)師需要對(duì)膜材的分類和特性、產(chǎn)品的各種屬性指標(biāo)以及膜結(jié)構(gòu)不同支承方式的優(yōu)缺點(diǎn)都有一定了解，在此基礎(chǔ)上才能把握好建筑設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，與結(jié)構(gòu)形式相匹配。膜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于博覽、體育、景觀等建筑類型中，對(duì)豐富公共建筑形態(tài)起了很大作用。

3 案例分析

作者結(jié)合曾參加和接觸過(guò)的一些大跨類公共建筑項(xiàng)目，對(duì)其中結(jié)構(gòu)選型如何與建筑設(shè)計(jì)配合的情況做一個(gè)介紹，通過(guò)這些實(shí)際工程的案例分析，進(jìn)一步加深了解。

(1)案例1。重慶袁家崗體育中心游泳、跳水館(圖1)位于重慶市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)奧林匹克體育中心內(nèi)。建筑設(shè)計(jì)采用兩館分設(shè)，空間造型整合為一體的方式。館內(nèi)設(shè)有一個(gè)25 m×50 m(2.4～3.2 m深)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)游泳池、一個(gè)16 m×25 m短池(兼訓(xùn)練池)、一個(gè)25 m×25 m×5.5 m跳水池。能承接國(guó)際國(guó)內(nèi)的游泳、跳水、水球和花樣游泳等比賽。游泳館、跳水館分別可容納觀眾1 925人和605人。

圖1 重慶袁家崗體育中心游泳、跳水館

游泳跳水館屋蓋造型新穎，兩館組合平面形狀為梭形，在其中部斷開使兩館屋蓋部分完全獨(dú)立，各館屋蓋均為一端大懸挑而另一端為開口邊的半梭形平面形狀。屋脊和屋檐均為圓弧線，屋蓋為沿屋脊和屋檐移動(dòng)的變直徑圓弧形成的空間曲面。完整的梭形長(zhǎng)軸為208 m，短軸82 m。兩館網(wǎng)殼投影面積分別為7 918 m2和4 864 m2，短向跨度為 66 m，兩端懸挑長(zhǎng)度分別為32.75 m和28.80 m。屋蓋結(jié)構(gòu)采用四角錐焊接空心球節(jié)點(diǎn)鋼管網(wǎng)殼，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用大直徑嵌巖樁。

(2)案例2。重慶袁家崗體育中心體育場(chǎng)(圖2)是重慶市為舉辦2004年亞洲杯足球賽而興建的大型體育設(shè)施，能容納觀眾6萬(wàn)人，總建筑面積63 000 m2。根據(jù)建筑造型設(shè)計(jì)，作為主看臺(tái)的東西看臺(tái)上空各設(shè)置了一個(gè)平面投影為梭形的罩棚，該罩棚南北兩落地點(diǎn)直線距離312 m，東西方向最大寬度78 m，最大懸挑長(zhǎng)度68 m，最高點(diǎn)距地約60.3 m，單塊罩棚覆蓋面積為17 900 m2。罩棚結(jié)構(gòu)表面是一個(gè)光滑完整的曲面，與先期修建的游泳跳水館屋蓋外形相協(xié)調(diào)，顯得輕盈飄逸。

圖2 重慶袁家崗體育中心體育場(chǎng)

本工程看臺(tái)框架基礎(chǔ)采用大直徑人工挖孔樁，罩棚采用了超大跨度非閉合狀球面空間雙層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼落地支座采用重力式抗推基礎(chǔ)。網(wǎng)格形式為雙向平行弦等厚度空間鋼管網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(僅在兩端落地支座附近局部區(qū)域采用三角錐網(wǎng)格，以滿足建筑造型需要)，并在網(wǎng)殼前端設(shè)置了一榀加勁桁架以增加開口邊結(jié)構(gòu)剛度。為進(jìn)一步保證網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定，增加結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)變形，調(diào)整網(wǎng)殼內(nèi)力分布使荷載就近傳向支座，在網(wǎng)殼上下弦平面內(nèi)結(jié)合燈橋、馬道布置，沿環(huán)向和徑向均增設(shè)了若干條斜向支撐加強(qiáng)帶。沿網(wǎng)殼上弦平面周邊設(shè)置斜腹桿，形成前后兩條交匯的拱形邊緣構(gòu)件，進(jìn)一步提高了網(wǎng)殼的整體性。該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，結(jié)構(gòu)和建筑的完美配合使項(xiàng)目獲得了國(guó)家金獎(jiǎng)。

(3)案例3。青島國(guó)信體育中心分為體育場(chǎng)、體育館、綜合訓(xùn)練館、游泳跳水館、網(wǎng)球中心、媒體中心、全民健身廣場(chǎng)及立體車庫(kù)、備用館等八個(gè)區(qū)域，其中青島國(guó)信體育館(圖3)位于體育中心的西北側(cè)，分為普通館和冰雪館兩部分，國(guó)信體育館曾舉辦過(guò)第十一屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)花樣滑冰比賽以及蘇迪曼杯羽毛球公開賽等比賽。

圖3 青島國(guó)信體育館

體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋是由60塊三角形平板網(wǎng)架(網(wǎng)格空間構(gòu)成形式采用三角錐)組成空間折板球形網(wǎng)殼，外形像一顆鉆石巧妙地鑲嵌于整個(gè)橢球狀鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)之中。屋蓋投影面積14 122 m2，展開面積18 284 m2，跨度 110 m，周邊最大懸挑長(zhǎng)度11 m，沿圓周共設(shè)36個(gè)支座，支承于下部鋼筋混凝土人字形格構(gòu)柱上，并由柱帽形式支撐整個(gè)網(wǎng)殼。從空中俯看體育館外形像一顆鉆石一樣閃閃發(fā)亮，所以得名“鉆石體育館”。

(4)案例4。成都東客站(圖4)是成都市的大型綜合性鐵路客運(yùn)樞紐，其站房總建筑面積約11萬(wàn)m2，近期旅客發(fā)送量20.7萬(wàn)人/d，辦理客車374對(duì)，遠(yuǎn)期旅客發(fā)送量37.6萬(wàn)人/d，辦理客車560對(duì)。站房建筑總高度40.9 m，采用了立體式的建筑設(shè)計(jì)理念，候車、乘車和地鐵換乘分別位于不同的建筑層內(nèi)，從下到上依次設(shè)計(jì)為地鐵層、站臺(tái)層、高架候車層及屋蓋層。

圖4 成都東客站

地鐵層和站臺(tái)層采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，高架候車層和屋蓋層采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。高架候車層和屋蓋層結(jié)合建筑功能和空間需要，分別采用了與之相適應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)體系。高架候車層的主要柱網(wǎng)尺寸為21 m×21.5 m，最大柱網(wǎng)尺寸達(dá)到24 m×25.3 m，采用鋼結(jié)構(gòu)框架，為滿足車站站房建筑復(fù)雜的設(shè)備管線需要，框架梁采用平面桁架形式，桁架高度為3 m。屋蓋南北方向最大跨度達(dá)150 m，并在兩邊分別懸挑27 m，結(jié)構(gòu)總寬度204 m。根據(jù)建筑室內(nèi)的空間造型需要和結(jié)構(gòu)自身的受力特點(diǎn)，采用了空間管桁架形式，沿南北向分別布置了兩種不同高度和形式的桁架，并在東西方向的必要位置布置了聯(lián)系桁架。不僅充分的滿足了建筑室內(nèi)的空間及造型要求，同時(shí)也有效地利用了大跨度空間結(jié)構(gòu)的特性，充分發(fā)揮了各部分結(jié)構(gòu)的性能。站房東西主入口外側(cè)各布置了兩個(gè)臉譜柱，既作為屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架的支座，同時(shí)也是建筑設(shè)計(jì)的地域文化元素。

(5)案例5。成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)(圖5)是中國(guó)西南地區(qū)重要的航空樞紐港和客貨運(yùn)集散基地。機(jī)場(chǎng)T2航站樓工程采用指廊集中式布局，由一個(gè)主樓中央處理大廳通過(guò)連廊統(tǒng)領(lǐng)四個(gè)指廊。

圖5 成都雙流機(jī)場(chǎng)

T2航站樓下部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面形式采用單元重復(fù)式，由一對(duì)傾斜主拱和三向柱面網(wǎng)殼組成的“竹葉”構(gòu)成屋面結(jié)構(gòu)基本單元。大廳拱跨125.2 m，匯交于最低點(diǎn)的斜拱間距32 m，在最高點(diǎn)“竹葉”間距為4 m，在拱中部建筑幕墻外側(cè)布置有梭形斜柱一道。指廊和連廊拱跨38 m，匯交于最低點(diǎn)的斜拱間距16 m，在最高點(diǎn)“竹葉”間距為4 m，在指廊端部拱跨漸變至58 m。結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑功能設(shè)縫，將大廳、連廊、指廊分為七個(gè)相對(duì)部分，完全相同的標(biāo)準(zhǔn)單元分別組成大廳、指廊和連廊屋面，主拱通過(guò)網(wǎng)殼共同形成屋面剛度。沿 “竹葉”邊設(shè)置的主拱傾斜，使屋面結(jié)構(gòu)縱橫向動(dòng)力特性相近。與主拱相連的網(wǎng)殼拉桿為主拱平面外穩(wěn)定提供支撐。單跨拱形結(jié)構(gòu)使出發(fā)區(qū)形成無(wú)柱空間，為航站樓布局提供足夠的靈活性，易于適應(yīng)航空公司運(yùn)營(yíng)變化的需求，同時(shí)也為人行道和汽車道提供拱形遮篷。單層網(wǎng)殼有效地減小屋面結(jié)構(gòu)的高度，并與T1建筑結(jié)構(gòu)形式協(xié)調(diào)，形成一個(gè)新的整體。重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)單元可使制作安裝簡(jiǎn)易，經(jīng)濟(jì)效益提離，并利于今后擴(kuò)建。

(6)案例6。西南交通大學(xué)新校區(qū)體育場(chǎng)(圖6)位于學(xué)校的郫縣新校區(qū)內(nèi)，建筑面積17 990 m2，地面看臺(tái)下3層，建筑總高度30.75 m，可容納觀眾15 000人。

圖6 西南交通大學(xué)新校區(qū)體育場(chǎng)

主看臺(tái)框架采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為獨(dú)立柱基礎(chǔ)及人工挖樁。罩棚采用了大懸挑鋼桁架張拉膜結(jié)構(gòu)，外觀呈連續(xù)波浪形起伏，每榀鋼桁架的上弦為一個(gè)波峰，每相鄰兩榀桁架間的谷索為一個(gè)波谷，波浪形膜面以體育場(chǎng)中軸為對(duì)稱軸呈扇形排開，膜面兩端各有一片三角形膜，通過(guò)鋼索與地面上的鋼柱連接，將側(cè)向力傳到地面，以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定和受力平衡?？磁_(tái)中間的主席臺(tái)處，罩棚懸挑最大尺寸為38 m左右，兩側(cè)最小懸挑尺寸為11 m左右，膜面采用PVC(聚氟乙烯)涂層聚酯纖維膜材，作為桁架間橫向連接，每?jī)砷旒荛g有一根谷索拉壓，鋼桁架為正三角形斷面，以看臺(tái)最后部伸出的外圈框架柱頂作為桁架的主要受力支座。框架柱頂向上設(shè)有鋼立柱來(lái)支撐膜面以上的拉壓鋼索，桁架的尾端伸出看臺(tái)后部，通過(guò)鋼拉桿與地面基座相連，框架柱在看臺(tái)層的底部加設(shè)了鋼拉索與桁架連接，通過(guò)這一系列加強(qiáng)構(gòu)件的上下拉壓作用，使桁架形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能有效抵抗罩棚風(fēng)荷載作用下可能產(chǎn)生的傾覆。由于中段桁架前端懸挑較大，而在罩棚的兩側(cè)又回收減少了懸挑，形狀有所改變，導(dǎo)致靠近兩側(cè)的看臺(tái)外圈柱頂?shù)呐ぞ刂递^大，為了保證這部分桁架的穩(wěn)定，該部分的柱做了加強(qiáng)，同時(shí)還在看臺(tái)頂增設(shè)了一道連梁連接外圈框架柱，通過(guò)連梁上的鋼桿將罩棚尾部連接一體，一方面減小了桁架在水平荷載作用下柱頂?shù)呐ぞ?，另一方面這道連梁也是桁架間張拉谷索的尾端固定支座。