现代建筑结构的演变

现代建筑结构的演变

1开合式基础结构的形成随着科学技术和空间结构理论的发展，国内外空间结构也迅速发展。在体育、礼堂、飞机库、车间、仓库等建筑中，各种混合空间结构和组合空间结构已广泛应用于体育馆、教室、飞机库、车间、仓库等建筑中，为建筑创造了新思路。随着国民经济的发展,人民物质生活水平、精神生活水平的提高,人们对建筑事业不断地提出新的要求.本世纪60年代以来,在世界范围内,先后建成了近20个开合结构式建筑以满足能在各种气候条件下进行体育、文艺、展出等活动的要求.如德国的莱比锡游泳馆(1961年),美国的匹兹堡会堂(1961年),法国的嘎纳游泳馆(1965年),德国的累根茨堡游泳馆(1970年),德国的纽霍夫游泳馆(1972年)等.1989年,加拿大多伦多(Toronto)建成了直径为203m的开合式天空穹顶(Sky-Dome),如图1所示.1993年,日本福冈(Fukoca)建成了直径为222m的开合式福冈穹顶(FukocaDome)体育馆,如图2所示.而在我国开合结构还处于初步研究阶段.开合结构的出现,实现了“晴天在室外,雨天在室内”的梦想,让人们“从打开的屋顶望到黑色的夜空”,有“科幻电影”的感觉.据有关资料记载,早在公元1世纪,古罗马就有了开合结构——罗马柯罗席姆比赛场.而现代意义的开合结构的大发展是从本世纪60年代开始的.这期间在欧洲建成了不少中小型开合结构.进入80年代,国家经济实力的增强,建筑技术水平的提高,建设大型开合结构已成为可能.自加拿大多伦多天空穹顶这一大型开合结构建成以后,开合结构因其结构新颖、外形活泼;具有多功能性、多目的性,还可在任何气候条件下举办体育比赛(如足球、棒球、田径、车赛等)、文艺活动(如大型音乐会等)、商业活动(如展览会、博览会等)、大型集会及其它一些活动.开合结构还可以作为一个城市标志性的象征物.2组合结构的基本组成开合结构为满足全开启、半开启和全封闭三种状态的功能要求,由建筑体系、机械体系、电气体系、机械油压体系构成.2.1钢筋混凝土下部结构主要是指结构受力体系,可分为上部结构、下部结构和基础.上部结构即屋顶一般采用空间结构,这一结构形式以达到覆盖大空间的目的.下部结构一般采用钢筋混凝土结构.强大的钢筋混凝土结构一方面增强了结构的整体稳定性,又在一定程度上起到减震及消除噪音的作用.另一方面采用钢筋混凝土这一建筑材料,可将其加工成所需要的任一形状(如轨道梁).2.2轨道式小列车主要由轨道、行走小车、驱动装置、制动装置、缓冲装置构成.轨道固定在下部结构上,行走小车在轨道上运行,驱动装置和制动装置安装在行走小车上.行走小车有驱动小车和从动小车.通过销拴将行走小车和上部结构相连.2.3屋顶控制功能.主要是控制室的主是控制开合结构正常运行、制动(正常制动与紧急制动)、安全性检测等方面的控制体系.由计算机进行数据处理,发出执行指令进行控制.例如,多伦多天空穹顶体育馆的中心控制室和每片屋顶的电气室分别设有程序逻辑控制器.屋顶的程序逻辑控制器主要是对屋顶位置、运行时屋顶是否对称、嵌封各片屋顶各空隙的嵌封套是否充气、各片屋顶停止在某一位置时锁定轴是否锁定、各片屋顶局部速度等进行控制,并向中心控制室的程序逻辑控制器反馈信息.中心控制室的程序逻辑控制器主要是控制屋顶自动完成开启与闭合的各过程,是屋顶开启与闭合程序化的控制器.屋顶控制操作多采用以下三种方式:①全自动方式由中心控制室发出指令,自动地控制各屋顶按程序设定的次序进行开启与闭合.②远距离手动控制由中心控制室通过远距离操纵台发出指令,控制每片可动屋顶各自独立运行.③局部手动控制通过局部操纵台手动地控制各屋顶的运行状态.2.4机械油压系统该体系是抵抗地震、强风作用的阻尼体系与锁定体系.3结构与开口结构的基本结构、开口方法和开口特点3.1基本结构的选择和开敞结构通常包括以下三种基本结构的选择(1)对东南角高尔夫球场和日本的东南角高尔夫球场的影响各片屋顶都是刚性的,能够自己独立承载的,是主要受力体系.加拿大的多伦多天空穹顶和日本的福冈穹顶体育馆就属于这一类.刚性、自承式开合结构受力明确,便于分析设计,但屋顶自重大,如福冈体育馆屋顶总重量约12000t,每片屋顶约重4000t,对机械体系、电气体系有关装置提出较高的要求.(2)索h.索涯sa主客观以整体张拉索穹(TensegrityDome)、主拱或其它结构为屋顶主要受力体系,屋盖由若干片可开启的聚四氟乙烯(Teflon)等轻质屋面板构成.早在几十年前,Fuller教授就试图在曼哈顿用一个直径为3km的短程线索穹覆盖曼哈顿中心商业区.尽管Fuller教授这一计划未能实现,但他的张拉穹顶(如图3)的概念给人们以很大的启发,后来美国的M.Levy基于这一概念提出了借助于索穹(CableDome)解决如何用自重最轻的屋顶覆盖大空间的问题.据M.Levy报道,对于直径为240m的穹顶,屋顶重量为50kg/m2,是同样大小的刚性、自承式开合结构屋顶总重量的1/6.(3)单元结构是通过折叠与展开实现屋顶的开启与闭合的开合结构.3.2重叠式小叠式开合结构的开合方式主要有移动式、重叠式、折叠式和混合式四种.对于刚性、自承式开合结构主要有水平重叠式(图4(a)),回转重叠式(图4(b)),水平移动式(图4(c)).对于它承式开合结构主要有上下重叠式(图5(a)),上下移动式(图5(b)).对于折叠式开合结构主要有水平折叠式(图6(a)),回转折叠式(图6(b)),上下折叠式(图6(c)).3.3可动屋顶在工况对活动区域和工况的影响分(1)各屋顶的轮廓尺寸对开合结构的受力特性有很大影响.因开合结构的各片屋顶,相对于非开合结构来说,在一定程度上减弱了屋顶结构作为空间结构整体受力的特点,甚至有可能蜕变为单向受力.(2)各片屋顶在开启状态、闭合状态以及在开启或闭合的过程中,其受载情况各不相同.在全封闭状态与全开启状态受力较明确,完全可以应用常规方法进行分析.但在开启或关闭的过程中,由于风向与风速变化、温度、雪载引起的偏心荷载,轨道摩擦以及行走速度、轨道接缝、缓冲装置、轨道安装误差引起的冲击力,甚至地震力的作用,其受力状态相当复杂,往往造成可动屋顶在运行过程中左右摇动、上浮.因此,有必要对机械体系有关构件进行受力分析并作相应的构造处理.多伦多天空穹顶和福冈穹顶体育馆的行走小车的上下左右四面都分别设有车轮,以承受上部屋顶的反力,防止屋顶上浮和屋顶的左右摇晃.(3)风向与风速大小以及屋顶是否有积雪等因素对开合结构所处的状态(全开启、半开启、全封闭状态)起决定性作用.结合多伦多天空穹顶、福冈体育馆等开合结构的成功经验,笔者建议,开合结构的设计应做相应的模型试验,以确保结构受力合理,使各可动屋顶运行安全可靠.4愈合结构的故障迄今为至,有不少开合结构因故障而影响其使用.前西德某一体育馆起初设计为开合结构,使用两年以后,因漏雨,最后干脆将各可动屋顶全改为固定屋顶.据日本的石井一夫统计,开合结构的故障主要在可动部件上,而且主要是机械故障和电气故障.4.1大型愈合结构需要特殊处理相对于非开合结构,开合结构由于屋顶的开启与闭合,存在着许多技术难题.(1)开合结构在不同的状态(全开启,半开启,全封闭状态)以及在开启、闭合的过程中,其受载情况各不相同,特别是在开启或闭合的过程中,受载情况相当复杂.合理地进行各状态受力分析是开合结构结构设计方面的大难题.对于刚性、自承式开合结构,为防止在行走过程中屋顶上浮以及蛇行运动,可在行走小车的上下左右四面分别安装车轮以及相应的轨道.(2)在构造方面,应确保开合结构具有同非开合结构同等的安全性、可能性.一般地,在强风作用时,开合结构应处于全封闭状态,因此,无论是开启状态还是闭合状态都应以最大设计荷载进行设计显然是不经济的.但这必须以机械体系、电气体系、机械油压体系的安全与可靠为前提.(3)就已建成的开合结构来看,机械体系可动部件常有故障发生.如日本某一开合式游泳馆,使用1年以后,因可动部件生锈而需要经常维修.因此,开合结构机械体系各构造应尽可能简单,这样即使有了故障也能确保安全,同时也便于维修管理.(4)在施工方面,大型开合结构对施工技术、测量技术、检测技术提出更高的要求.对于刚性自承式与它承式开合结构,轨道的安装精度对屋顶的运行性能有直接的影响.轨道不平整将会引起行走台车上浮,可动部件蛇行运动而使屋顶左右摇晃、上下振动,甚至于因行走台车车轮反力不均匀而引起车轮空转、脱轨等事故,也有可能出现驱动小车动力不足、行走台车受力不均匀、构件疲劳破坏等问题.(5)为适应多功能、多目的要求,如采光、通风、音响、空调、防灾等,也是开合结构需要特殊处理的技术难题.4.2动态本构模型如何解决这些技术难题是成功地进行开合结构设计的关键.评价开合式建筑的优劣,可从开闭方式、开闭特点、经济性、施工等方面进行评价.(1)开合结构的外形设计,可以借助于仿生学,根据大自然中物体的曲面形状和构造,创造出富有自然美的新颖开合结构,使结构外形与建筑造型统一、协调.(2)由于开合结构是比较新的建筑结构,设计与施工经验还不太多,在世界范围内还没有建造法规,往往需要特殊设计.特别是机械体系各构造应尽可能地简单,以减少故障,确保屋顶运行安全、可靠.(3)根据建筑面积、用地面积以及建筑技术水平,确定屋顶结构类型与开启方式.不同的屋顶结构类型、不同的开启方式采用不同的构造.例如,对于水平重叠刚性自承式开合结构如图4(a),为确保重叠紧密,同时为满足各片屋顶运动的要求,各片屋顶之间要留有一定的空隙,因而各片屋顶可采用不同的高度,不同的行走轨道.(4)合理确定开合结构在一定控制风速下的开启时间.该控制风速宜做试验进行合理性检验.例如,多伦多天空穹顶在风速高达67km/h时,20min内可完成开启.(5)为保证各可动屋顶安全运行,开合结构应有防止运行中屋顶相互撞的保护设施;有获取屋顶当前位置、运行速度、运行中屋顶是否对称等信息的设备;在突然断电时,应有能使各可动屋顶停止在任一位置的自动制动器等设施.(6)为适应进行多种活动的要求,室内设计应统筹兼顾.如多伦多天空穹顶和福冈穹顶,为满足不同活动占地大小的不同要求,室内设置了活动座席以调节场地的大小.(7)充分利用现代先进科学技术,尽可能地采用计算机自动化管理系统和控制系统.开合结构作为较新的结构形式,有其固有的独到优点,但在经济效益方面,开合结构的经济性已有不少争论.据美国HOK事务所报道,一个开合式棒球场的造价相当于一个室外场与一个室内场造价的总和.可见开合结构直接用于结构建造的费用的确不低.不过,据有关资料报道,东京后乐园带充气屋顶棒球场,由于能在全气候条件下使用,除举办棒球赛外,还举办其它一些活动,其总收入比没有加屋顶前增加了42%.另外,这类建筑作为综合性建筑,往往在下部结构建有旅馆、