1 拱券结构及穹隆结构
拱形结构在承受荷重后除产生重力外还要产生横向的推力, 为保持稳定, 这种结构必须要有坚实、宽厚的支座。在长期的实践中人们又在单向筒形拱的基础上, 创造出一种双向交叉的筒形拱。而之后为了建筑的发展热门又创造出了穹隆结构。
在大跨度结构中, 结构的支点越分散, 对于平面布局和空间组合的约束性就越强;结构的支承点越集中, 其灵活性就越大。由于支承点的相对集中而给空间组合带来极大的灵活性。
2 网架结构
网架结构像框架结构一样, 承重系统与非承重系统有明确的分工, 即支承建筑空间的骨架是承重系统, 而分割室内外空间的围护结构和轻质隔断, 是不承受荷载的。在网架结构体系下, 室内空间常依照功能要求进行分隔, 可以使封闭的, 也可以是半封闭或开敞的。
2.1 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。
2.2 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、变形小、应力分布均匀、抗震性能好能大幅度地减轻结构自重和节省材料;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。
3 壳体结构
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。
3.1 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。壳体结构既可以单独使用又可以组合起来使用;既可以用来覆盖大面积空间, 又可以用来覆盖中等面积的空间;既适合方形、矩形平面要求, 又可以适应圆形平面、三角形平面, 及至其他特殊形状平面的要求。
3.2 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。因为壳体结构属于高效能空间薄壁结构范畴, 可以适应于力学要求的各种曲线形状, 所以其承受弯曲及扭转的能力远比平面结构系统大。另外, 因结构受力均匀, 因而可充分发挥材料的材耗, 所以壳体结构体系非常适用于大跨度的各类建筑。
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。双层悬索结构平面呈圆形, 索分上下两层, 下层索承受屋顶全部荷载, 为承重索;上层索起稳定作用, 为稳定索, 上下两层索均张拉于内外两个圆环上而形成整体。这种形式的悬索结构承重索与稳定索具有相反的弯曲方向, 这两种索交织成索网, 经过预张拉后形成整体, 具有良好的稳定性和抗风能力。
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。
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;悬索结构除跨度大、自重轻、用料省外还具有平面形式多样 (除可覆盖一般矩形平面外还可以覆盖圆形、椭圆、正方形、菱形乃至其他不规则平面的空间) , 使用的灵活性大、范围广;由多变的曲面所形成的内部空间既宽大宏伟又富有运动感;主剖面呈下凹的曲面形式, 曲率平缓, 如处理得当既能顺应功能要求又可以大大节省空间和空调费用;形式变化多样, 可以为建筑形体和立面处理提供新的可能性。在大跨度结构建筑选型时, 悬索结构由于没有繁琐支撑体系的屋盖结构选型, 所以该种结构是较为理想的形式。在荷载作用下, 悬索结构体系能承受巨大的拉力, 因此要求设置能承受较大压力的构件与之相平衡。
5 膜结构
薄膜结构也称为织物结构, 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。
5.1 膜结构的主要形式
膜结构按其支承方式的不同, 一般包括: (1) 空气膜结构:大跨度时往往在建筑物的对角线方向布置交叉的钢索, 对膜面起加劲作用。而气胀式空气膜结构则是将膜材做成周围密封的圆形双层, 充气后形成飞碟状;或将膜材作成半圆形圆筒, 充气后如同半个轮胎, 以此为单元组合成各种屋盖。 (2) 悬挂膜结构:般采用独立的桅杆或拱作为支承结构将钢索与膜材悬挂起来, 然后利用钢索向膜面施加张力将其绷紧, 这样就形成了具有一定刚度的屋盖。 (3) 骨架支撑膜结构:这是以钢骨架代替了空气膜结构中的空气作为膜的支撑结构, 骨架可按建筑要求选用拱、网壳之类的结构, 然后在骨架上敷设膜材并绷紧, 适用于平面为方形、圆形或矩形的建筑物。 (4) 复合膜结构:由钢索、膜材及少量受压的杆件组成, 由于主要用于圆形平面, 称“索穹顶”。该结构适用于大跨度的圆形或椭圆形建筑。
5.2 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。
6 结语
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;索穹顶结构则完全体现了fuller关于“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”的思想, 是由连续的拉索和不连续的压杆组成的一各受力合理、结构效率极高的结构体系。
摘要：大跨度空间结构多用于多功能体育场馆, 会议展览中心, 博览馆, 候机厅, 飞机库等。其结构形式主要包括:拱券结构及穹隆结构、网架结构、壳体结构、悬索结构、膜结构等五大空间结构及各类组合空间结构。
关键词：大跨度,空间结构,形式,特点