大跨度建筑屋顶张

大跨度建筑屋顶主要内容一、大跨度建筑屋顶的发展二、大跨度建筑屋顶的结构类型三、大跨度建筑屋顶的类型案例一、大跨度建筑的发展：

近代大跨度建筑在十九世纪末已有很大创新，20世纪30年代以后，尤其是二战后的几十年中，大跨度建筑又有突出的进展。它主要用于展览馆、体育馆、飞机库，以及一些公共建筑。大跨度建筑发展的原因：社会的需要、新材料与新技术的应用。大跨度建筑的结构形式：

除了传统的梁架或桁架屋盖外，比较突出的则是新创造的各种钢筋混凝土薄壳与折板以及悬索结构、网架结构、钢管结构、张力结构、悬挂结构、充气结构等空间结构发展的趋势：

建筑的外貌愈来愈紧密地与新材料、新结构、新的施工技术相结合，覆盖空间越来越大。由于大跨度建筑多为公共建筑，人流多，占地面积大，因此一般位于城市边缘或郊区。(一)70年代中期以前的大跨度建筑:

近些年来，大跨度建筑新结构屋顶可分为以下类型：⒈钢筋混凝土薄壳顶：利用钢筋混凝土薄壳结构来覆盖大空间的做法已越来越多，屋顶形式也多种多样。(二)70年代中期以后的大跨度建筑:

这个时期一系列新的成就集中的表现在体育建筑和交通建筑方面，空间开阔灵活、造型新颖别致、结构与使用功能先进，受到举世瞩目。在这些大跨度屋盖中，上面提过的悬索结构、预制钢筋混凝土空间结构、金属管网架结构、活动屋顶、木制网架结构、充气结构等都有新的发展。大跨度建筑的利与弊利：近二三十年来，各种类型的大跨度建筑所取得的成就，已有力地说明了新技术革命为人们所带来的效益。它使人们的梦想成真，并使这类本来受技术条件制约极大的建筑居然能在建筑技术与建筑艺术有机结合中产生多姿多彩的艺术风貌，令人耳目一新。弊：但是目前看来，要增加建筑的跨度在技术上并非是不可解决的事，问题是造价不成比例的飙升是否值得，以及由于建筑过大、人口在一个建筑某一段时间内的过于集中而产生的一系列其他问题，例如建筑在日常运作中过分依靠能源，与人们在交往与进出的高峰时间中所形成的建筑内部与建筑对城市的交通压力等。因此问题不是越高越大就越好，而是究竟要建多大与多高。二、大跨度建筑屋顶的结构类型界定：30M历史

——万神庙

——美国·底特律·韦恩县体育馆

（WayneCountystadium

）

（266m，圆形钢网壳）

——上海体育馆

（110m，圆形钢平板网架）

——英国千年穹

（365m，帐篷结构）选择结构形式的意义

——造型

——空间利用的合理性

——对内部装饰的影响1、基本概念按照结构的材料分类：

——砌体结构

——木结构

——混凝土结构

——钢结构

——膜结构

——索结构

——复合材料结构2、大跨度结构形式可分为三大类第二：按照结构的空间布置形式分类，可以分为平面结构和空间结构两类。平面结构体系

——桁架

——刚架

——拱

——……

（把结构构件本身作为独立的单元来考虑）空间结构体系

——网架

——折板

——薄壳

——悬索

——……

（把结构的所有组成构件协同起来共同跨越空间，作为整体来考虑——整体作用大于单个作用之和，且多向受力比单向受力更发挥材料潜力，空间工作比平面工作更符合力的自然传递路线）

第三：按照力力的改向以及及传递的特有有机制进行分分类：形态作用结构体系系：悬索结构构、帐篷结构构、气囊结构构、拱结构向量作用结构体系系：平面桁架架、钢架结构构、空间桁架架截面作用结构体系系：梁结构、、框架结构、、板结构等面作用结构体系系：折板结构构、薄壳结构构等3、十种常用的的大跨度结构构形式拱刚架桁架网架折板薄壳悬索帐篷薄膜充气薄膜悬挑三、大跨度建建筑屋顶的类类型及其特点点1、桁架结构各杆件受力均以以单向拉、压压为主，通过过对上下弦杆杆和腹杆的合合理布置，可可适应结构内部的弯矩和剪力分布。。由于水平方方向的拉、压压内力实现了了自身平衡，，整个结构不不对支座产生生水平推力。受力特点优点：受力性能好（（受力均匀，，材料利用充充分）扩大了梁式结结构的适用跨跨度桁架可以用多多种材料制造造桁架体型可以以多样化施工方便（1）、木屋架特点：节间大大小均匀，杆件内力不致致突变太大适宜跨度：９９～２１米最经济跨度：：９～１５米米节间长度：1.5~2.5m屋架的类型（2）、钢屋架特点：小桁架架的组合，杆件长度较短短下眩受拉适用跨度：３３６米以上（3）、钢筋混凝凝土屋架受力性能好结点杆件数不不多于5腹杆与玄杆夹夹角不小于30度2、门式刚架的结结构特点与适适用范围（1）、从连接方方式分：无铰铰刚架、两铰铰刚架、三铰铰刚架无铰刚架：超超静定刚架，，结构刚度大大，但地基有有不均匀沉降降时，将使结结构产生附加加内应力有铰刚架：静静定刚架，地地基有不均匀匀沉降时，对对结构不会产产生附加内应应力，但跨度度大时，刚度度较差，一般般用于小跨度度（12m）和基础较差差的情况（2）根据几何形形状的不同，，分为：平顶顶和坡顶、拱拱顶以及单跨跨、多跨和单单柱悬挑等形形式。（3）根据截面形形式的不同，，又可以分为为：矩形、I形、T形和箱形。（4）根据材料的的不同可分为为：钢筋混凝凝土钢架、钢钢刚架、胶合合木刚架等。。（5）根据结构的的形式的不同同可以分为：：实腹式和空空腹式。杆件较少，制制作方便，结结构内部空间间较大梁柱刚接，横横梁弯矩较铰铰接减少，适适用于中小跨跨结构，跨度度可达４０米米，最适宜１１８米左右刚度较差，受受荷后产生挠挠度，用于工工业厂房时，，吊车起重量量不能过大特点广泛用于工业业厂房和体育育馆等3、拱结构拱的结构特点点与优缺点（１）利用地地基基础直接接承受水平推推力（落地拱）拱结构的形式式按力学结构分分：三铰拱、、两铰拱和无无铰拱按建筑外形分分：半圆拱和和抛物线拱利用侧面框架架结构承受水水平推力网架结构的特点点、优点与适适用范围特点：平面桁桁架相互交叉叉结合而成优点：（1）多向受力的空间结结构，跨度大大（2）刚度大，稳定性好好（3）杆件主要承受轴向向力，能充分分发挥材料料的强度（4）高次超静定，安安全度高（5）结构高度小，不仅可以以有效地利用用建筑空间，，而且能够利利用较小的杆杆件建造大跨跨度结构（6）杆件类型划一，适适用于工业化化生产、地面面拼装的整体体吊装4、网架结构网架结构的分类类按外形分：曲曲面网架、平平面网架一、曲面网架架（网壳）单曲、双曲、、单层、双层层特点：1利用一定的起起拱度来实现现外力的空间间传递2多余的上凸增增加了建筑容容积3巨大的推力，，造成施工困困难，材料消消耗大平板网架的结构形形式一、两向正交交正放网架二、两向正交交斜放网架三、三向交叉叉网架四、锥体网架架正交：两个方方向桁架互相相垂直正放：两个方方向桁架都与与建筑平面的的边线平行一、两向正交交正放网架特点：两个方向桁架架跨度相等或或接近时，两两个方向桁架架受力才比较较均匀，且能能发生整体空空间作用如建筑平面为为长方形，空空间作用不明明显网格平面为几几何可变体型型，刚度差，，需设斜撑适用范围：建建筑平面为正正方形或接近近正方形中等跨度：30~60米正交：两个方方向桁架互相相垂直斜放：两个方方向桁架都与与建筑平面的的边线成45度角二、两向正交交斜放网架1长度不统一，，最长的桁架架长度=桁架长度不因因平面长边的的增加而改变变2短桁架对长桁桁架起支承作作用，可降低低长桁架的内内力3网格平面图形形可维持几何何不变形，空空间刚度好4网架四角的锚锚拉，使长桁桁架在角部产产生负弯矩对对四角支座产产生较大的拉力力，使四角有有可能翘起特点：三个方向的桁桁架相互交叉叉60度而成三、三向交叉叉网架特点：1上下玄网格均均为三角形2空间刚度比两两向网架好3杆件内力更均均匀4结点汇交杆件件多，构造复复杂适用范围：大跨度，建建筑平面为三三角形、六边边形、圆形网架结构（（1）首都体育馆馆，北京最大大的现代化体体育馆之一，，平面呈矩形形，建筑物东东西长122.2米，南北长107米，建筑面积积4万平方米。屋屋盖结构为平平板型双向空空间钢网架，，是我国矩形形平面屋盖中中跨度最大的的网架。（2）上海体育馆，，主馆呈圆形,圆形屋盖直径径为110m，采用的是三三向钢网架结结构。5、网壳结构网壳结构即为为曲面桁架结结构，又称曲曲面网架，简简称网壳网壳结构受力力性能比桁架架结构要好，，自重轻，空空间使用增大大，形式丰富富、造型美观观，但是其施施工相对复杂杂些6、壳体结构的特点与类型型特点：曲面内轴向力；薄薄、轻、省、、跨大、造型型丰富；费工工费时类型：筒壳、球壳、扁扁壳、鞍形壳壳7、折板结构及其其造型折板结构组成成由折板、边梁梁和横隔三部部分组成。形形式可分为有有边梁和无边边梁两种。无边梁折板：它由由若干等厚的的平板和横隔隔板构建组成成，通常都是预制制V形折板V形折板一般为为35—50mm，跨度9—27m，具有制作简简单、安装方方便和节省材材料等优点基本尺寸：波长一般为2-3m跨度一般为6-15m倾角——办与水平倾角角一般为30-50°°折板高度一般般为折板长度度的1/20宽——折板结构造型型实例——折板结构造型型实例8、悬索结构的特特点特点分工明确——索网：钢索，，只受力——边缘构件：梁梁、桁架、拱拱等——支承结构造型新颖、跨跨度大、施工工简便悬索结构的类类型1）单层单曲面面悬索悬索类型●单层单曲曲面●双层单曲曲面轮辐式和鞍鞍形2）双层单曲曲面悬索——轮辐式悬索索类型单层单曲面面双层单曲面面●轮辐式鞍形2）双层单曲曲面悬索——鞍形悬索类型单层单曲面面双层单曲面面轮辐式●鞍形9膜结构的定义义及构成首先让我们们认识一下下膜结构建建筑，在我我们的生活活中，经常常会见到。。如图：体育看台停车棚气囊式膜结结构景观小品膜结构的定定义及构成成世博轴膜结构的定定义及构成成收费站膜结构的定定义膜结构是20世纪中期发发展起来的的一种新型型建筑形式式，对它并并没有一个个明确的定定义。一般认为膜结构是用用多种高强薄膜材材料(PVC或Teflon)及加强构件(桁架、网架架、钢柱或或钢索)通过一定的的方式使其其内部产生生一定的预张应力，以形成某某种空间结结构形状，，并能承受受一定的外部荷载作用的一种种空间结构构形式。膜结构的构构成膜结构体系系由膜面、、边索和脊脊索、谷索索、支承结结构、锚固固系统，以以及各部分分之间的连连节点等组组成。膜结构体系系示意图由于构成膜膜结构的膜膜材是一种种柔性材料料，只能传传递膜面内内的拉力，，不能承受受压力、弯弯矩。因此此膜结构是是以在膜面面内引入初初始预张力力而抵抗外外荷载的一一类结构体体系。这里里从初始预预张力的导导入的方式式及结构表表面的曲率率将膜结构构分为3类:蒙皮式（骨骨架式）、、充气式、、张拉式膜膜结构。（1）充气式膜膜结构充气式膜结结构是利用膜内内外空气的的压力差为为膜材施加加预应力，，使膜面能能覆盖所形形成的空间间。充气式式膜结构又又可分为气承式和气囊式（气气胀式/气垫式）两种。气承式膜结结构是通过压力力控制系统统向建筑物物室内充气气，使室内内外保持一一定的压力力差，膜体体受到上浮浮力，并产产生一定的的预张力，，以保证体体系的刚度度。70年大阪世界界博览会美美国馆由美国建筑筑师布罗迪迪和工程师师盖格尔（（DavidGeiger）设计的美美国馆为83.5m×l42m的准椭圆形形空气支承承膜结构。。首次使用用了聚氯乙乙烯（PVC）涂层的玻玻璃纤维织织物，通常常被认为是是第一个现现代意义上上的大跨度度膜结构。。气囊式膜结结构是向特定形形状的封闭闭式气囊内内充入一定定压力的气气体，使之之形成具有有一定刚度度和形状的的结构或构构件，再由由这样的构构件相互联联结形成使使用空间。。1970大阪世博会会日本富富士馆1970年日本大阪阪世界博览览会上，由由川口卫（（MamoruKawaguchi）设计的日日本富士馆馆，平面为为直径50m的圆形，由由16个直径4m、高72m的气囊式拱拱构成，拱拱间由环形形水平带箍箍在一起，，并固定在在钢筋混凝凝土环梁上上。1975美国密歇根庞蒂亚克“银色穹顶”1982明尼苏达的Metrodome1988日本东京“巨蛋”1984温哥华B.C.Place气承式膜结结构气承式膜结结构至1984年，类似的的大型充气气膜结构体体育馆在北北美就建了了9座。但由于于空气压力力自动调节节系统和融融雪热气系统性能不不稳定，几乎所有有的充气结结构在使用用中都出现现过问题，，轻者屋面面下瘪，重重者膜材撕撕裂，尤其其是在1985年冬天的一一场大风雪雪中，“银银色穹顶””险些全部部倒塌。这这些事故引引起了人们们的关注，，甚至对充充气膜结构构的安全性性产生了怀怀疑。1986年以后，在在美国建造造的大型体体育场馆中中就没有采采用过充气气膜结构。。1988年在日本建建成的东京京巨蛋（TokyoDome）仍采用了了充气膜结结构，采用用双层聚四四氟乙烯涂涂层玻璃纤纤维膜材，，中间通循循环热空气气起到融雪雪作用，特特别是设置置了先进的的自动控制制系统，中中央计算机机自动检测测风速、雪雪压、膜和和索的变形形和内力，，并选择最最佳方案来来调节室内内气压和消消除积雪，，从而保证证膜结构的的正常工作作。但由于于其昂贵的的运转与维持持费用，充气膜结结构在日本本也停步不不前。气承式膜结结构建筑历历史较长，，形式单一一、空间要要求密闭，，需要不断断充气，运运行和围护护成本高，，实际应用用面窄，但但，造价低低，施工速速度快，在在中小跨度度建筑中，，仍有一定定的应用。。2001英国国家家空间博物物馆2005慕尼黑安安联体育场场1988法国尼姆竞技场屋顶顶加建气囊式膜结结构（2）张拉式膜结结构张拉式薄膜膜结构是依依靠膜自身身的张拉应应力与支撑撑杆和拉索索共同作用用构成的结结构体系，，俗称帐篷结构。张拉索膜结结构中膜曲曲面通过预预应力维持持自身形状状，膜既是是建筑物的的维护体又又作为结构构来抵抗外外部荷载效效应。美国丹佛机机场侯机大大楼（2）张拉式膜结结构张拉式薄膜膜结构是依依靠膜自身身的张拉应应力与支撑撑杆和拉索索共同作用用构成的结结构体系，，俗称帐篷结构。张拉索膜结结构中膜曲曲面通过预预应力维持持自身形状状，膜既是是建筑物的的维护体又又作为结构构来抵抗外外部荷载效效应。美国丹佛机机场侯机大大楼（2）张拉式膜结结构张拉式薄膜膜结构是依依靠膜自身身的张拉应应力与支撑撑杆和拉索索共同作用用构成的结结构体系，，俗称帐篷结构。张拉索膜结结构中膜曲曲面通过预预应力维持持自身形状状，膜既是是建筑物的的维护体又又作为结构构来抵抗外外部荷载效效应。美国丹佛机机场侯机大大楼（2）张拉式膜结结构张拉式薄膜膜结构是依依靠膜自身身的张拉应应力与支撑撑杆和拉索索共同作用用构成的结结构体系，，俗称帐篷结构。张拉索膜结结构中膜曲曲面通过预预应力维持持自身形状状，膜既是是建筑物的的维护体又又作为结构构来抵抗外外部荷载效效应。美国丹佛机机场侯机大大楼（2）张拉式膜结结构张拉式薄膜膜结构是依依靠膜自身身的张拉应应力与支撑撑杆和拉索索共同作用用构成的结结构体系，，俗称帐篷结构。张拉索膜结结构中膜曲曲面通过预预应力维持持自身形状状，膜既是是建筑物的的维护体又又作为结构构来抵抗外外部荷载效效应。美国丹佛机机场侯机大大楼张拉式膜结结构造型千千变万化，，主要由以以下几种最最基本的体体系组合而而成：简单的鞍面面体系对称高点支支撑多点支撑负高斯曲面面在向上和向向下的荷载载作用下，，该形体均均具有清晰晰而独立的的传力路径径。向下的的雪荷载由由下垂的““悬挂”纤纤维承担，，向上的风风吸力由上上凸的“拱拱形”纤维维承担。然后再由膜膜结构的支支撑体系将将膜内预应应力及荷载载产生的内内力传递到到基础和地地基，形成成连续的力力流传递路路径。波状面体系系（支撑及及锚点交替替布置）固定点平行行排列波状面体系系（支撑及及锚点交替替布置）固定点辐射射状排列有隆起面的的体系（内内部压力构构件支撑））有1个高点有2个高点有隆起面的的体系（内内部压力构构件支撑））有多个不同同高度的高高点内部拱作为为高点的体体系每边1个锚点每边2个锚点每边3个锚点一个中间拱拱内部拱作为为高点的体体系1个共同基点点分设基点2个共同基点点2个中间拱间接高点结结构体系有悬吊索的的外部支承承，高点中中央排列有承重索的的外部支承承，高点中中央排列有承重索的的内部支承承，高点中中央排列中央高点的的外部支承承又作为附附加高点的的悬索支承悬吊索承重索支承支承支承承重索承重索悬吊索间接高点结结构体系三根柱结构构（3）蒙皮式（骨骨架式）膜结构以刚性结构构（钢结构构）为承重重骨架，并并在骨架上上敷设张紧紧的膜材的的结构形式式。与常规结构构接近，设设计制作简简单，工程程造价较低低跨度受骨架架制约，膜膜材仅作维维护，承载载作用未得得到发挥。。1997上海八万人体育场膜结构的特特点（1）自重轻膜结构自重重小的原因因在于它依依靠预应力形态而非材料来保持结构构的稳定性性。从而使使其自重比比传统建筑筑结构的小小得多，但但却具有良良好的稳定定性。（2）透光性好好半透明是膜结构最最显著的特特征，散射射光线，消消除眩光，，能将光线线均匀漫射到其内部空空间；较高的反射射性及较低低的光吸收收率，极大大程度上阻阻止太阳能能进入室内内；材料内内部涂层具具有较高的的反射率，，能在夜间间保持室内内的照明效效果；夜间间逆光照射射下表面发发光。（3）艺术性多变的支撑撑结构和柔柔性膜材使使建筑物造造型更加多多样化，新新颖美观，，同时体现现结构之美美，且色彩彩丰富，可可创造更自自由的建筑筑形体和更更丰富的建建筑语言。。79（4）安全性膜结构的柔性使其在任一一荷载作用用下均以最最有利的形形态承载。。膜结构作作为轻型结结构在地震震等荷载作作用下能保保持很好的的稳定性。。另外，由由于轻型结结构自重较轻，即使发生生意外坍塌塌，其危险险性也较传传统建筑结结构小。（5）大跨度膜结构可以以从根本上上克服传统统结构在大大跨度(无支撑)建筑上实现现所遇到的的困难，可可创造巨大大的无遮挡挡可视空间间，有效增增加空间使使用面积。。（6）工期短膜工程中所所有加工和和制作依设设计均可在在工厂内完