空间结构 大跨度空间结构的主要形式及特点

摘要:大跨度空结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志。其结构形式主要包括网格结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五种空跨结构，以及各种组合的空跨结构。不同空结构已广泛应用于体育场、会展中心、剧院、大型商场、工厂车间等建筑。

1.网架结构

由节点按照一定的规则几何图形连接起来的空空间结构称为网格结构，双层或多层平板网格结构称为网格结构或栅格。它通常由钢管或型钢制成。

1.1、网格结构的形式

由平面桁架体系组成的网格结构。主要有双向正交竖网格、双向斜网格、双向正交斜网格和三向网格。

由四棱锥构成的网格结构。主要有四种:直立四棱锥格、斜四棱锥格、直立四棱锥格空、棋盘四棱锥格、星形四棱锥格、单向折线格等。

三角形锥体组成的网格结构。主要有三角锥网格、泵送空三角锥网格、蜂窝三角锥网格等类型。

六角金字塔组成的网格结构。主要形式有:正六角金字塔网格。

1.2、网格结构的主要目的

空，传力路径简单；重量轻，刚性高，抗震性能好；施工安装简单；网格构件和节点易于定型和商业化，可以在工厂批量生产，有利于提高生产效率；网格布局灵活，屋顶平整，有利于吊顶、管道和设备的安装；网格的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。

1.3.总体设计和结构

网格结构构件的截面应根据强度和稳定性进行计算和确定。为了减少压杆的计算长度，提高压杆的稳定性，可以采取增加再分裂杆和支撑杆等措施。接头结构有三种:叶片接头、焊接空球接头和螺栓球接头。十字板接头适用于钢筋的网格结构，钢筋与连接板之间的连接采用焊接或高强度螺栓连接。空核心球节点和螺栓球节点适用于钢管构件的网格结构。

2.网壳结构

曲面网格结构称为网壳结构，可分为单层网壳和双层网壳。网壳的主要材料有钢网壳、木网壳和钢筋混凝土网壳。

2.1、网壳结构的形式

主要有球面网壳、双曲面网壳、柱面网壳和双曲抛物面网壳。

2.2、网壳结构的主要特点

具有杆系结构和薄壳结构的主要特点，杆件相对单一，受力相对合理；结构刚性大，跨越能力强；小构件可以组装成大空房间，小构件和连接节点可以在工厂预制。安装方便，不需要大型机器设备，综合经济指标好；造型丰富多彩，无论是建筑平面还是空之间的表面造型，都可以根据创作要求任意选择。

空之间的桁架结构

3.1.基本分类

空之间的桁架结构中的桁架是指桁架梁，是格构梁结构。根据其形状可分为:1。平行弦桁架；2.折叠弦桁架；3.三角形桁架。根据桁架上的水平推力:1。无推力梁桁架；2.带推力的拱形桁架。

3.2结构特征

每个构件的应力主要是单向拉压，通过合理布置上下弦杆和腹杆可以适应结构中弯矩和剪力的分布。由于水平方向的拉压内力达到自平衡，所以整个结构不会对轴承产生水平推力。结构布置灵活，适用范围广。桁架梁与实腹梁相比，由于拉压截面集中在上下两端，在相同材料用量下具有更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，剪力可以逐渐传递给支座。这样桁架结构可以充分发挥材料的强度，适用于建造各种跨度的屋顶结构。更重要的是，它将横向弯曲时实心腹板梁中复杂的应力状态转化为桁架构件中简单的拉压应力状态，从而可以直观地了解力的分布和传递，便于结构的改变和组合。

3.3加工和制造

管桁架结构中的构件通过焊接在接头处连接。焊接前，应根据待焊接构件的焊缝形状预先切割腹杆和弦杆，这需要腹杆的横向切割和弦杆的开槽。由于桁架结构中的各杆件以相贯线型相交，杆件端部的截面形状复杂，因此可以提前制作样线来指导加工。在实际切割中，一般采用机械自动切割和手动切割。

3.4主要用途

与网架相比，管桁架杆件少，节点美观，没有大的球节点。利用大跨度管桁架结构空，可以建造各种姿态轻盈的大跨度结构，在公共建筑和民用建筑中，尤其是大型会展和体育场馆的建设中，具有广阔的应用前景。

4.薄膜结构

薄膜结构又称织物结构，是20世纪中期发展起来的一种新型大跨度空结构。采用性能优异的柔性织物作为材料，通过膜内空气压支撑膜面，或者采用柔性钢索或刚性支撑结构使膜产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度的大面积覆盖的结构体系。

4.1、膜结构的主要形式

主要有空空气支撑膜结构；张力膜结构；框架支撑膜结构等。

4.2.膜结构的主要特点

重量轻，跨度大；自由丰富的建筑造型；施工方便；经济性好，安全性高；透光性好，自清洁；耐用性差。设计时需要考虑胶片自身张力引起的尺寸变化来确定下料尺寸，做到经济美观。

5.悬索结构

悬索结构是以张拉索为基本受力构件，按一定规律布置拉索的结构体系。悬索屋盖结构通常由三部分组成:悬索系统、屋盖系统和支撑系统。悬索结构中使用的钢索多为平行的钢束、钢绞线或由高强度钢丝组成的钢索，也可采用圆钢、型钢、带钢或钢板制成。

5.1、悬索结构形式

根据电缆的排列方向和层数，悬索结构分为单向单层悬索结构；径向单层悬索结构；双向单层悬索结构；单向双层预应力悬索结构；径向预应力悬索结构；双向双层预应力悬索结构；预应力索网结构等。

5.2.悬索结构的特点

悬索结构的力学特点是只靠索的轴向拉力来抵抗外荷载，结构中不出现弯曲距离和剪力效应，可以充分利用钢材的强度；悬索结构形式多样，布局灵活，能适应各种建筑平面；由于钢索自重很小，屋盖结构较轻，安装不需要大型起重设备，但悬索结构的分析设计理论比常规结构复杂；同时，悬索结构对主体结构的承载能力要求较高，需要考虑温度变化对预应力悬索的影响，从而限制悬索结构的广泛应用。

6.薄壳结构

建筑工程中的壳体结构多为薄壳结构。

6.1、薄壳结构的形式

薄壳结构按曲面形成可分为旋转壳和运动壳；按建筑材料可分为钢筋混凝土薄壳、砖薄壳、钢薄壳和复合薄壳。

6.2.薄壳结构的特点

壳体结构承载能力非常好，厚度很小就能承受相当大的载荷。壳体结构的强度和刚度主要是利用其几何形状的合理性，用材料的直接压缩来代替弯曲内力，以充分发挥材料的潜力。因此，壳体结构是一种高强度、高刚度、低材料消耗的经济合理的结构。

7.除了上述/跨结构之外，还有几种常用的/跨结构，如复合网架结构、预应力网架结构、管桁架结构、张弦梁结构、点连接玻璃幕墙支撑结构、索穹顶结构等，都有各自的特点和适用范围。比如点连式玻璃幕墙的支撑结构，可以利用玻璃的透明性来追求建筑内外的沟通与融合空，人们可以通过玻璃清晰地看到支撑玻璃面板的整个结构体系，使这个结构体系不仅起到支撑作用，还具有很强的结构性能功能；索穹顶结构充分体现了富勒“压杆孤岛存在于拉杆海洋”的思想，是由连续索和不连续压杆组成的结构体系，受力合理，结构效率高。

8.结束语

在人类社会的发展中，提供更大的跨度和空结构往往是人们的梦想和目标。空结构的发展很大程度上反映了人类建筑历史的发展。在空之间的结构设计中，应正确合理地使用不同的计算理论和程序方法，以进行准确的分析。同时，在空之间结构的物理设计中，不仅要注意美观，还要注意结构受力和工程造价的合理性。

作者声明:初稿由周波修改完善，终稿由周波审定。转载时请注明出处。