大跨空间结构课程论文

摘要    大跨度空间结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。本文阐述了大跨度空间结构的主要结构形式及其特点，主要施工方法，并简要介绍了空间结构的一些最近进展。

关键词    大跨度 空间结构 形式 特点 施工方法 最新进展

1 引言

随着科技与经济的发展，人们对结构有了越来越高的要求，结构的规模越来越大，形式也越来越复杂。大跨度空间结构是一类结构受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系,它具有良好受力性能、形体优美，具有大空间的跨越能力，其良好的经济性、安全性和实用性，使其成为我国发展最快的结构形式之一，大跨度空间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。

2 主要结构形式

  2.1网架结构

    由多根杆件按照某种规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构称之为网格结构，其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。

    2.1.1  网架结构的形式

    （1）平面桁架系组成的网架结构。主要有：两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式。

    （2）四角锥体组成的网架结构。主要有：正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式。

    （3）三角锥组成的网架结构。主要有：三角锥网架、抽空三角锥网架（分Ⅰ型和Ⅱ型）、蜂窝形三角锥网架等型式。

    （4）六角锥体组成的网架结构。主要形式有：正六角锥网架。

    2.1.2  网架结构的主要特点

    空间工作，传力途径简捷；重量轻、刚度大、抗震性能好；施工安装简便；网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率；网架的平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备；网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。

  2.2  网壳结构

    曲面形网格结构称为网壳结构，有单层网壳和双层网壳之分。网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。

    2.2.1  网壳结构的形式

    主要有球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。

    2.2.2  网壳结构主要特点

    兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理；结构的刚度大、跨越能力大；可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工厂预制；安装简便，不需大型机具设备，综合经济指标较好；造型丰富多彩，不论是建筑平面还是空间曲面外形，都可根据创作要求任意选取。

  2.3  膜结构

    薄膜结构也称为织物结构，是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。它以性能优良的柔软织物为材料，由膜内空气压力支承膜面，或利用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。

    2.3.1  膜结构的主要形式

    主要有空气支承膜结构；张拉式膜结构；骨架支承膜结构等形式。

2.3.2  膜结构主要特点

    自重轻、跨度大；建筑造型自由丰富；施工方便；具有良好的经济性和较高的安全性；透光性和自结性好；耐久性较差。

  2.4  悬索结构

    悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系，悬索屋盖结构通常由悬索系统，屋面系统和支撑系统三部分构成。用于悬索结构的钢索大多采用由高强钢丝组成的平行钢丝束，钢绞线或钢缆绳等，也可采用圆钢、型钢、带钢或钢板等材料。

    2.4.1  悬索结构形式

    悬索结构按索的布置方向和层数分为：单向单层悬索结构；辐射式单层悬索结构；双向单层悬索结构；单向双层预应力悬索结构；辐射式预应力悬索结构；双向双层预应力悬索结构；预应力索网结构等。

    2.4.2  悬索结构的特点

    悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯距和剪力效应，可充分利用钢材的强度；悬索结构形式多样，布置灵活，并能适应多种建筑平面；由于钢索的自重很小，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与常规结构相比，比较复杂，了它的广泛应用。

  2.5  薄壳结构

    建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构（学术上把满足t/R≤1/20的壳体定义为薄壳）。

    2.5.1  薄壳结构的形式

    薄壳结构按曲面形成可分为旋转壳与移动壳；按建造材料分为钢筋混凝土薄壳、砖薄壳、钢薄壳和复合材料薄壳等。

    2.5.2  薄壳结构的特点

壳体结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载。壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，以材料直接受压来代替弯曲内力，从而充分发挥材料的潜力。因此壳体结构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的结构形式。

除以上几种空间结构外，尚有组合网架结构、预应力网格结构、管桁结构、张弦梁结构、点连接玻璃幕墙支承结构、索穹顶结构等几种常用空间结构，都有自身的特点和实用范围。比如点连接式玻璃幕墙支承结构能利用玻璃的透明特性追求建筑物内外空间的沟通和融合，人们可以透过玻璃清楚地看到支承玻璃面板的整个结构系统，使这种结构系统不仅起到支承作用，而且具有很强的结构表现功能。此外，目前又出现了一些新兴的结构形式，比如拱支网壳结构体系等。

3 大跨空间结构施工的常用方法

3.1 高空原位拼装法

    高空原位拼装法是指把杆件和节点在结构设计位置直接进行拼装，为了保证大跨度空间结构的安全性，结构往往要设置临时支撑来改善结构的受力性能，等结构安装完成以后再把临时支撑卸载使结构达到设计状态，设置临时支撑结构使得高空原位拼装法得到了非常广泛的应用。

高空原位拼装法是复杂大跨度空间结构施工安装的基础，其他的施工方法都是从此方法演变而来的。根据支撑的不同，高空原位拼装法可以分为全支架安装法(满堂红脚手架法)和胎架安装法。全支架安装法就是根据结构的曲面形状和高度使用脚手架将结构在空中完成总拼的方法，它适用于高度和跨度都不是很大的“馆”类结构，优点是施工灵活、回收利用率高且易于控制坐标，缺点是使用脚手架的量比较大，施工过程中的不安全因素增多，比起后一种胎架安装法来说偏不安全，但是较为经济；胎架安装法是根据结构特点设计一种类似脚手架的胎架结构作为建筑物的支撑体系来进行安装。它适用于高度较高、跨度和自重比较大的大跨度空间“场”结构，优点是胎架结构的形式多样、施工安全以及坐标精确，缺点是由于回收利用率不高引起的浪费严重。

3.2 滑移就位法

滑移就位法就是指将分区杆件通过特定的轨道滑移至设计位置再拼接成整体的安装方法。此种方法适合在施工场地不利的地区使用，所建造结构的建筑平面也多为规则的多边形或开口的体育场馆。运用此方法虽然可以缩短工期，使施工周期大大缩短，但也存在着一些难点，例如如何选取滑移轨道以及如何控制滑移速度等问题。

3.3 整体提升安装法

整体提升安装法是利用提升设备将结构提升至预想位置再进行安装的一种方法，多用在单层或多层网壳的屋盖结构施工中。此种施工方法最大的优点就是可以节省大量的临时支撑且工期相对较短，而相对应的施工难点就是对提升点的把握以及对所提升网壳结构的应力控制。整体提升安装法是对空间原位拼装法的补充，一般与其他几种方法结合使用。

3.4 整体张拉法

整体张拉法是利用一定数目的液压千斤顶将索同步张拉至合理标高的一种施工方法，特别适合应用于大型索膜结构安装。这种施工方法的技术含量高，科学性较好，操作方便且易于控制，使工人的工作量和施工成本都有较为显著的下降，所以在索膜结构的施工中使用这种柔性的施工方法是非常合理和可行的。

3.5 网壳结构外扩法

网壳结构外扩法是施工新技术之一，具体方法是先在地面上将结构中间部分网壳进行拼装，提升到一定的高度之后再拼接四周一部分网壳，而后又将拼接好的网壳进行提升，如此反复直至网壳结构全部拼装完毕为止。这种施工方法可以节省大量临时支撑并且易于保证施工质量，由于大量的拼装是在地面上进行的，所以安全性也是比较好的。鉴于以上优点，网壳结构外扩法在大跨度空间钢结构的施工中得到了越来越多的重视。

3.6 悬挑安装法

悬挑安装法就是先在地面拼接好小块单元，直接利用起重设备将此单元吊装至设计位置进行拼装，它适用于小型的、结构形式不是很复杂的空间结构。悬挑安装法可以减少临时支撑的数目以达到降低造价的目的，但是安全性较差，施工质量不好保证，可能会产生较大的次应力。由于已安装构件的稳定性直接影响后面杆件的安装，所以要求已安装的结构单元是几何不变体、有足够的刚度且相对于设计位置来说基本没有变形，这就要求结构在采用悬挑安装法施工之前要对结构进行模拟分析，做好防护措施，消除不利影响。

4  结束语

    在人类社会的发展历程中，能够提供更大跨度和空间的结构常常是人们追求的梦想和目标，空间结构的发展很大程度上反映了人类建筑史的发展。国内在大跨度空间结构的研究方面也有近40年的历史,从网架、网壳到悬索结构都有相当数量的工程应用, 建造了一大批体育场馆, 如北京亚运会各体育场馆、天津市体育馆、哈尔滨速滑馆、2008 年北京奥运主会场等, 建成了多座大跨度机库, 如首都机场机库。但是国内的大跨度空间结构与国外相比还有差距。如跨度仍不大, 悬索结构发展较慢, 而薄膜结构、张拉整体结构等刚刚处于起步阶段, 同时在建筑造型、结构构思等方面还比较单调。在施工技术方面，虽然常用的施工方法越来越成熟，但是随着空间结构的形式越来越奇特，也迫切地需要一些新的安装方法来解决这些难题。

参考文献

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[2] 田黎敏．大跨度空间钢结构的施工过程模拟分析及研究．西安建筑科技大学硕士论文，2010

[3] 董石麟．我国大跨度空间钢结构的发展与展望．空间结构，2000.06

[4] 郭正兴 罗 斌．大跨空间钢结构预应力施工技术研究与应用．东南大学土木工程学院,2010