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1、1,当代建筑设计语汇解析,建筑材料与构造,2,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第一节 大跨度空间结构概念,一.由一些特殊空间效果引发的思考,杰斐逊西进运动纪念拱门，埃罗.沙里宁，1965美国密苏里州圣路易斯市,跨度192米，高192米，顶部提供瞭望空间，可由缆车直达。是光与影、力与美的完美结合，历经17年修建完成,3,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第一节 大跨度空间结构概念,一.由一些特殊空间效果引发的思考,瑞士卢塞恩文化中心，让.努维尔，1999,巨大的悬挑屋顶向北、向东分别出挑了35米，覆盖了面河、面湖的L型
2、步行广场，在21米的净高下，创造出水平的空间体验效果。檐口边缘薄如刀刃，青铜色的天花板平滑光洁，显得轻盈而抽象。,4,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第一节 大跨度空间结构概念,一.由一些特殊空间效果引发的思考,法国里昂机场铁路客运站，圣地亚哥.卡拉特拉瓦，1994,跨度120米的大空间容纳了售票处、零售店、康乐设施和服务区，巨型的钢拱构件形成了流线型的动态外观，结合华丽的结构表现形成了礼仪性的仪式空间。,5,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第一节 大跨度空间结构概念,一.由一些特殊空间效果引发的思考,98世博会葡
3、萄牙馆，阿尔瓦.西扎,跨度75米的悬索混凝土薄幕构造覆盖了一片为典礼设计的巨大的室外空间。,6,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第一节 大跨度空间结构概念,一.由一些特殊空间效果引发的思考,伦敦肯辛顿公园画廊展厅，伊东.丰雄，2002（三个月临时建筑）,跨度18米，高5.3米的无柱空间，建筑表面形成随机肌理也是特殊结构形式的自然形态，同时形成内部斑驳多变的光影效果。,7,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第一节 大跨度空间结构概念,一.由一些特殊空间效果引发的思考,出云穹顶棒球场，伊东.丰雄，1997,直径143米，
4、高49米的倒扣碗状的穹顶无论形状还是颜色都显示出极致的简单和幽雅，并融合与自然风景中，其造型创意原自于日本纸灯，到了夜晚又变成了一个透明的发光体。,8,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第一节 大跨度空间结构概念,二.大跨度空间结构的概念与类型,大跨度建筑概念：跨度在30m以上的建筑。主要适建筑类型：大型公共建筑（影剧院、体育馆、展览 馆、会堂、航空港）工业建筑（飞机装配间、飞机库、大跨度厂房等）大跨建筑结构的主要类型：拱结构、刚架结构、桁架结构、网架结构、短线程穹顶结构、折板结构、薄壳结构、悬挑结构、悬索结构、张拉膜结构、张悬梁结构、充气薄膜结构、可变形
5、结构,9,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第一节 大跨度空间结构概念,三.大跨度空间结构的由来与发展变化,大跨度建筑的由来：在人们社会生活中，大量人群集中的活动和大空间建筑的需求自古就有。由于现代社会的进步，大量人群活动的内容和方式更趋于多样，从而使大空间建筑的形式有了很大的发展。而建筑材料的革新使得建筑师创造才能有了更加广阔的展现天地。大跨建筑材料的演变：古代著名的大跨建筑都是采用砖石等传统材料，只有万神庙独树一帜的采用了天然混凝土得到了43.3m 的跨度水平。这一纪录直到十九世纪以后钢材、水泥、钢筋混凝土等建筑材料和相应结构技术的产生才被打破。在跨度
6、上百米的大跨度建筑已不足为奇的今天，除了上述材料以外，木、轻质板材、塑料薄膜、钢缆、复合型钢节点等材料和技术的产生为大跨度建筑的发展提供了新的契机。,10,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,一.拱结构及其造型（一）拱的受力特点、优缺点和适用范围 1 拱的受力特点：拱呈曲面形，在外力作用下，拱内弯矩可以降低到最小限度，主要内力为轴向压力，应力分布均匀。结构在承受荷载后产生横向推力。,在大跨度建筑中结构形式是建筑造形的重要决定性因素，因此建筑师需要对各种大跨结构的基本形式、力学特征和适用范围有一定的了解，才能自由地进行创作
7、。,11,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,2 优缺点 在承受同样荷载时，由于材料强度被充分利用，拱结构断面较梁结构断面小，因此跨度较大。但为保持结构稳定性，须在拱脚设置宽厚坚固的支座以抵抗横向推力，这会对建筑平面形式有一定的限制。3 适用范围 由于内力以轴向压力为主，结构材料应选用抗压性能好的材料。现在多采用钢筋混凝土或钢桁架，跨度可达百米，多用于商场、展览馆、体育馆或仓库等。,一.拱结构及其造型（一）拱的受力特点、优缺点和适用范围,12,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节
8、大跨度建筑的结构形式与建筑造型,（二）拱的形式 按组成和支承方式不同分：三铰拱、两铰拱、无铰拱,一.拱结构及其造型,13,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,一.拱结构及其造型,（三）拱结构的建筑造型 决定拱建筑造型的因素：矢高、平衡拱推力的方式1 矢高：拱顶到拱脚的垂直距离。矢高越大，拱的起伏越大，产生的水平推力小，建筑内部使用空间就大，但材料耗费多，并且较大的屋面坡度,不利于卷材防水屋面的铺设；矢高越小，拱越扁平，材料耗费越少，但产生的水平推力大，且较小的屋面坡度不利于屋面排水。因此拱矢高的选择应该综合考虑建筑外形、
9、结构受力合理性、材料消耗量以及屋面防水等因素。有以下的经验值以供参考：设矢高为f,拱跨为L 一般取f=L/5-L/7,最小不应小于L/10 卷材屋面防水fL/8，钢筋混凝土自防水屋面f=L/6,14,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,一.拱结构及其造型,2解决水平推力的方式：（1）拉杆承受 在拱脚支座处设水平拉杆来抵消水平推力的方式，侧墙或柱不承受拱推力，受力简化，结构断面减小，并可灵活布置。较为常用。（2）框架结构支承 在拱的两侧设置框架来抵抗推力的方式。较为常用，框架可布置为单跨或多跨。（3）基础承受（落地拱）适用
10、于水平推力较小，地质条件良好的情况，可直接由基础受力。,15,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,居埃尔庄园，高迪,圣特雷莎庄园，高迪,米拉公寓，高迪,Alcoy社区中央大厅，卡拉特拉瓦,佛罗伦萨雕塑博物馆，卡拉特拉瓦,西班牙科学艺术城冬季花园，卡拉特拉瓦,16,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,瑞典斯德哥尔摩车站,建筑师：本特.阿尔奎斯特,17,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与
11、建筑造型,伦敦Broadgate联合企业办公楼,建筑师：SOM,18,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,二刚架结构及其建筑造型 刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。（一）受力特点、优缺点和适用范围1.受力特点 由于梁与柱成刚性连接，在竖向荷载作用下柱对梁有约束作用,从而减少了梁的跨中弯矩，在水平荷载作用下梁对柱的约束作用,能减少柱内的弯矩。受力合理.,19,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,二刚架结构及其建筑造型（一）受力特点、优缺
12、点和适用范围,2.优缺点 刚架结构比排架结构轻巧，可节省材料。横梁为折线形的门式刚架受力性能更好，施工方便，且可增加建筑内部空间。3.适用范围 由于刚架制作方便，因此使用较为广泛，一般用于体育馆、礼堂、食堂等大量性的民用建筑。在工业建筑中也有采用，但刚架结构能承受的吊重量一般小于10t。,20,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,二刚架结构及其建筑造型,（二）刚架结构的形式 按组成和构造方式不同，分为无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架。无铰刚架和两铰刚架结构刚度较大，但当地基发生不均匀沉降时，结构内部将产生附加内力，因此不适用
13、于地基条件较差的情况。而三铰刚架则不会因地基变化产生附加内力，但刚度较差，多用于跨度较小的建筑。无铰刚架柱底弯矩大，基础材料用量多，在实际工程中较少采用。两铰刚架和三铰刚架则采用较多。,21,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,二刚架结构及其建筑造型,22,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,瑞士苏黎世Stadelhofen火车站，圣地亚哥.卡拉特拉瓦，1990,23,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大
14、跨度建筑的结构形式与建筑造型,瑞士苏黎世Stadelhofen火车站，圣地亚哥.卡拉特拉瓦，1990,24,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,瑞士苏黎世Stadelhofen火车站，圣地亚哥.卡拉特拉瓦，1990,25,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,瑞士苏黎世Stadelhofen火车站，圣地亚哥.卡拉特拉瓦，1990,26,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,法国里
15、昂机场铁路客运站，圣地亚哥.卡拉特拉瓦，1994,人行通道 客运站站台,27,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,2008奥运会国家体育馆，赫尔佐格和德梅隆，格构式刚架,28,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,2008奥运会国家体育馆，赫尔佐格和德梅隆，格构式刚架,29,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,三.桁架结构及其建筑造型由杆件组成的格构式结构体系（一）受力特点、优
16、缺点和适用范围1.受力特点杆件与杆件的结合设定为铰结点，当荷载只作用在结点上时，杆件内力为分布均匀的轴向力。,2.优缺点 由于内力分布均匀，材料强度可以充分利用，利于节省材料和减轻结构自重。3.适用范围 由于结构受力合理，成为大跨度建筑最常用的结构形式。主要用于体育馆、影剧院、展览馆、食堂、商场等大型公共建筑和工业建筑。为便于桁架的工业化生产和施工，建筑的平面形式宜采用矩形或方形。,30,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,三.桁架结构及其建筑造型,（二）桁架结构的形式1.桁架结构的材料 木、钢材、钢筋混凝土2.桁架形式
17、：三角形、梯形、拱形、三铰拱式、无斜复杆式等（1）三角形桁架跨度小于18M时，受力较合理。因此常用于跨度不大于18M的建筑。三角形桁架坡度一般取1/5-1/2。当屋面采用瓦材时取1/3-1/2，采用卷材防水时取1/5-1/4。,31,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,三.桁架结构及其建筑造型,（二）桁架结构的形式2.桁架形式：三角形、梯形、拱形、三铰拱式、无斜复杆式等,（2）梯形桁架跨度一般取18-36M,桁架的矢量高一般取跨度的1/8-1/6。（3）拱形桁架的受力相对于梯形桁架更为合理，跨度一般取18-36M，矢量高
18、一般取跨度的1/8-1/6。（4）拱形无斜复杆式桁架的上弦承受轴向压力，竖杆和下弦受拉力，结构受力合理，无斜复杆因此便于制作和检修，适于有较多吊重的建筑。跨度一般取15-30M。,32,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,三.桁架结构及其建筑造型,（三）桁架结构的建筑造型 桁架结构可以形成多种建筑屋顶形式。如单坡、双坡、拱式、平顶等多种形式。,33,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,三.桁架结构及其建筑造型,（四）桁架的选材,桁架的选材应综合考虑
19、建筑功能、结构受力、材料特性和施工条件。当跨度36M时，一般采用钢桁架当跨度36M时,一般采用钢筋混凝土桁架当环境相对湿度75%或有腐蚀性介质时，应选用钢筋混凝土桁架，而不应采用木或钢材。,英国霍姆贝斯自选商场尼古拉斯.格雷姆肖,34,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,奥维.阿拉普作品，巴黎蓬皮杜中心，建筑师：罗杰斯、皮亚诺，1977,35,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,奥维.阿拉普事务所作品，日本关西国际机场，建筑师：皮亚诺，1994,3
20、6,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,奥维.阿拉普事务所作品，香港汇丰银行，建筑师：福斯特，1986,37,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,国家大剧院，建筑师：保罗.安德鲁,38,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,四.网架结构及其建筑造型网架结构是由很多杆件以一定规律组成的网状结构。（一）受力特点、优缺点和适用范围1.受力特点 杆件间互相起支撑作用，形成多向受力的空间
21、结构。当荷载作用于网架节点上时，杆件主要承受轴向力。,2.优缺点（1）网架结构整体性强，稳定性好，空间刚度大，材料强度发挥充分，材料节省；（2）结构高度小，利于有效利用空间;（3）杆件规格统一，利于工厂化生产;（4）网架形式多样，利于创造多样的建筑屋顶形式。3.适用范围 网架结构主要用于大跨度公共建筑的屋顶，适用于多种建筑平面，如圆形、方形、三角形、多边形等。,39,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,四.网架结构及其建筑造型,（二）网架的结构形式（1）按空间外形分平板网架、曲面网架 平板网架不产生推力，支座为简支，较简
22、单。曲面网架一般都会产生侧向推力，对支座受力要求较高。,（2）按材料分钢、木、钢筋混凝土（3）按构造形式分单层网架、双层网架单层网架都是曲面网架，双层网架可以是平板网架或曲面网架。,40,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,四.网架结构及其建筑造型,（三）平板网架的分类和尺寸 平板网架按构造方式可分为交叉桁架体系和角锥体系1.交叉桁架形平板网架 交叉桁架体系可分为两向交叉式和三向交叉式（1）两向交叉式 桁架交角为90，分为正放和横放两种形式。适用于正方形或近似正方形平面。（2）三向交叉式 桁架交角为60，刚度较大，节点构
23、造较为复杂。适用于三角形、梯形、六边形、八边形、圆形等平面形式。,41,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,四.网架结构及其建筑造型,（三）平板网架的分类和尺寸,2 角锥形平板网架 角锥形平板网架分为三角锥、四角锥、六角锥等（1）三角锥式 杆件成三角锥形，受力较为均匀，较为常用，适用于各种平面形状。（2）四角锥式 杆件成四角锥形，适用于中小型大跨度建筑，适用于正方形或矩形平面。（3）六角锥式 杆件成六角锥形，构造较为复杂，不常用。,42,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度
24、建筑的结构形式与建筑造型,四.网架结构及其建筑造型,（三）平板网架的分类和尺寸,3.平板网架的尺寸,43,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,四.网架结构及其建筑造型,（四）网架的杆件断面和连接节点构造（1）网架的杆件断面可采用钢管和角钢，钢管受力较合理，应用广泛，壁厚应大于1.5mm。（2）杆件节点连接 当采用角钢时，应选用连接钢板连接，可焊接或螺栓连接 当采用钢管时，应用钢球连接，采用螺栓连接（3）网架的排水坡度形成方式 曲面网架自然形成排水坡度，而平板网架通常采用在上弦节点加装角钢或钢管作为支托来找坡。,44,第四
25、章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,四.网架结构及其建筑造型,（六）网架结构的建筑造型 网架结构建筑的造型取决于：网架形式、和网架的支承方式1.网架形式（1）平板网架呈平屋顶，平面形式较为多样（2）拱形网架呈拱曲面屋顶，平面形式为矩形（3）穹形网架呈半球形或抛物面屋顶，平面形式为圆形、椭圆形等2.网架的支承方式（1）跨度不大时，可支承于圈梁上。网架受力均匀，立面处理灵活。（2）跨度较大时，网架宜支承于四周立柱上，应使网架节点刚好落于柱顶。网架也可悬挑与柱外，悬挑长度以1/4柱距为宜。网架也可支承于三边列柱上，此时敞开的一面应
26、设边梁或边桁架。（3）穹形网架通常支承于环梁上，环梁承于柱或墙上。,45,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,水晶教堂，美国加州洛杉矶，建筑师：飞利浦.约翰逊，1980不规则星型，长轴长126m，短轴长63m，顶部最高39m，网架结构，玻璃外维护表皮。3-6mm玻璃板经镀银处理，8%辐射透光率。利用开闭的玻璃窗及两个巨大的电动玻璃门（）进行自然通风，从而避免了夏季室内的闷热感。,46,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,体育馆，日本，小国町，建筑师：Shoei Yoh事务所，1988，全木网架屋顶,47,第四章 大跨度空间
27、结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,奥维.阿拉普事务所作品，香港赤腊角机场，建筑师：福斯特，1998-2040，单层网架结构屋顶，屋顶构件共32000，重达138吨的屋顶分段现场组装，然后用大型履带起重机吊装。,48,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第二节大跨度建筑的结构形式与建筑造型,五.短线程穹顶结构,连接任意平面或曲面上两点的最短距离称为短线程。将球形表面均分为若干点，并用短线程杆件连结成网状格构体系称为短线程穹顶结构。结构体系由美国结构师，巴克明斯特.富勒于1949年发明，被广泛运用于展览馆、音乐厅、会议厅、球型电影院等建筑中。
28、1970年发表的宏伟的“曼哈顿计划”，用一个2 英里的穹顶将纽约中心区笼罩起来，将自然能源与都市环境融为一体。将现代生态环境观引入建筑的先驱人物。,49,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,蒙特利尔世界博览会美国馆，富勒，1967建筑高76m，高61m，76年改造工程中被大火烧毁，仅剩下金属结构，现作为生物科学馆的生命馆,50,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,伊甸园工程，英国，康沃尔，尼古拉斯.格雷姆肖，2001建于被露天矿毁坏的一片风景区中，包括温室、餐饮等功能，可以回收雨水作为灌溉，露天矿壁可以取得保温效果，采用ETFE材料为表面。为给热带雨林中的乔木提供足够的空间，穹顶最高处达55m。,51,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,第四章 大跨度空间结构建筑构造概述,大阪海事博物馆，保罗.安德鲁，199540m高球型建筑似乎漂浮在水中，结构构件同时起到点式玻璃幕墙的支撑作用。玻璃由双层15mm厚平板玻璃中夹穿孔镀锌钢片组成。,
