公共建筑設計與結構技術.doc

公共建筑設計與結構技術當前在公共建筑設計中，常用的結構形式，基本上可以概括為三種主要類型，即：混合結構、框架結構和空間結構。結合我國的具體情況，在新型建筑材料不甚發(fā)達的地區(qū)，對于一般標準的中小型公共建筑，如中小學校和衛(wèi)生院等，多選用墻體承重結構，即混合結構體系。而在大中城市，因高新技術比較發(fā)達，在高層公共建筑中，如賓館、大型辦公樓等，多選擇框架或框剪結構體系。而對于大跨度的公共建筑，如劇院、會堂、體育館、大型倉庫、超級市場等多選擇空間結構體系。隨著我國經濟技術的發(fā)展，高科技的新型建筑材料日趨發(fā)達，支撐建筑空間的結構體系也不斷地更新換代，這就給公共建筑的創(chuàng)作，帶來無限的生機。所以在結構選型上，不僅需要持因地制宜的觀點，還需要持因時制宜的觀點，才有可能使公共建筑的設計構思與結構選型相輔相成，配合默契?；旌辖Y構體系與公共建筑當前我國在一般的公共建筑中，所采用的混合結構形式，多以磚或石墻承重及鋼筋混凝土梁板系統(tǒng)最為普遍。這種結構類型，因受梁板經濟跨度的制約，在平面布置上，常形成舉行網格承重墻的特點。所以對于那些房間不大、層數不高，且為一般標準的某些公共建筑，例如學校、辦公、醫(yī)院等是比較適用的結構類型，如圖4-5為小學建筑、圖4-6為行政辦公建筑、圖4-7為中型醫(yī)療建筑，在三個示例的平面布局中，內外墻的劃分，皆顯示出了磚混結構的特點，即：內墻和外墻起到分隔建筑空間和支撐上部結構重量的雙重作用。另外，從承重墻布置的方式看，又縱墻承重和橫墻承重之分，應結合布局的需要加以選擇?；旌辖Y構中的承重墻體，因需要承受上部屋頂或樓板的荷載，應充分考慮屋頂或樓板的合理布置，并要求梁板或屋面的結構構件規(guī)格整齊，統(tǒng)一模數，為方便施工創(chuàng)造有力的條件。針對這種結構特點，在進行建筑布局時，應注意以下要求：（1）為了保證墻體有足夠的剛度，承重墻的布置，應做到均勻，交圈，并應符合規(guī)范的規(guī)定。（2）為了使墻體傳力合理，在有樓層的建筑中，上下承重墻應盡量對齊，門窗洞口的大小也應有一定的限制。此外，還應盡量避免小房間壓在大房間上，出現承重墻落空的弊病。（3）墻體的厚度合高度（即自由高度與厚度之比），應在合理的允許范圍內。當然，混合結構的建筑，除承重墻之外，還有非承重墻，也稱隔斷墻。因其不承受荷載，只能起到分隔空間的作用，一般多選用輕質材料，如空心磚、輕質砌塊、石膏板、加氣混凝土墻板等。在混合結構類型中，還有磚木結構體系，即采用磚墻承重和木樓板或木屋頂結構建造的建筑，但由于木材消耗量大，當前我國很少采用。此外，也有采用石墻承重混合結構體系的建筑及其他類型承重墻的混合結構體系的建筑。由于選材不同，對公共建筑的空間組合將產生一定的影響，應在設計構思中權衡利弊，經過深入分析研究，綜合地取優(yōu)除弊后，審慎地加以解決。在設計中應依據建筑空間與結構布置的合理性和可能性，分清承重墻與非承重墻的作用，做到兩者分工明確、布置合理，使整體建筑在適用、堅固、經濟、美觀等幾個方面都能達到良好的效果。只有這樣，才能把建筑空間組合與結構體系密切地組合起來。當然，墻體承重結構體系，在就地取材和節(jié)約三材等方面有它可取之處。但是，由于墻體是承重構件，在剛度、脹縮、抗震等方面要求苛刻，對開設門窗或洞口受到極大的限制，并在功能和空間處理上，存在著不少制約，應是此種結構體系致命的缺點。同時還要注意到，混合結構中的磚，是取土制作的，對農田損害特別嚴重，而且磚砌體不利于抗震，施工技術也屬落后。因此從發(fā)展上看，小磚材料定會被先進的材料代替，這是發(fā)展的必然趨勢?？蚣芙Y構體系與公共建筑承重系統(tǒng)與非承重系統(tǒng)有明確的分工，是框架結構體系最明顯的特點，即支撐建筑空間的骨架是承重系統(tǒng)，而分隔室內外空間的圍護結構和輕質割斷，是不承受荷載的，因此，柱與柱之間可根據需要做成填充墻或全部開窗，也可部分填充，部分開窗，或做成空廊，使室內外空間靈活通透。在框架結構體系下，室內空間常依照功能要求進行分隔，可以是封閉的，也可以是半封閉或開敞的。隔墻的形狀也是多種多樣的，可以是直線的，也可以是折線或曲線的。另外，從虛實效果上看，或虛、或實，或實中有虛，或虛中有實，皆可表達一定的設計意圖。例如北京飯店增建新樓（圖4-8)，充分表明了承重柱與輕隔墻的布置與分工，顯示出框架結構體系的特色和優(yōu)越性。我國古建筑的舉架木構體系頗具框架結構體系的特點，已沿用了數千年之久。西歐在中世紀才出現具有框架結構特點的建筑，直至19世紀以后，開始采用鋼和鋼筋混凝土框架結構。因為新材料的框架結構體系，具有強度大、剛度好的優(yōu)點，同時還給建筑空間組合賦予了較大的靈活性，所以適用于高層公共建筑或空間比較復雜的公共建筑，因而在進行建筑空間組合時應充分體現出這個特色。墻體與柱網的關系，往往是緊密結合的。以鋼筋混凝土框架結構體系為例，常選用69m的柱距，結合功能要求與空間處理，排成一定形式的柱網與輕墻，力求做到空間體形的完整性和結構體系的合理性。例如廣州流花賓館（圖4-9）為7曾鋼筋混凝土框架結構，柱網與客房、門廳等空間組合相配合，不僅平面布局緊湊合理，同時采用橫向開窗與水平線條的劃分，其造型充分發(fā)揮了框架結構的優(yōu)越性。有的公共建筑，常依據空間組合的需要，將室內外的墻體進行靈活安排，因而隔墻和柱網之間，可以是脫開的，也可以是部分脫開，部分銜接的，使建筑空間產生彼此流動滲透而又靈活多變的效果，這使磚混結構體系縮不能比擬的，例如阿根廷布宜諾斯艾利斯洲際飯店（圖4-10）和巴黎聯合國教科文組織辦公樓（圖4-11），皆體現了框架結構體系的特色，尤其是靈活開敞的底層空間以相對封閉的上層空間體形組合，顯示出了極大的靈活性和獨特的風采?？臻g結構體系與公共建筑近年來，高新建筑材料如輕質高強的鋼材、混凝土、塑鋼板、鋁合金板與管材及尼龍制材等的不斷出現，促使輕質高效的空間結構又了迅速的發(fā)展，這對于經濟有效地解決大跨度公共建筑空間的問題，具有重大的意義。下面著重分析懸索結構、空間薄壁結構和網架結構與公共建筑設計的關系。1）懸索結構在公共建筑中的運用在大跨度公共建筑的結構選型中，懸索結構系沒有繁瑣支撐體系的屋蓋結構類型，所以它使較為理想的形式。懸索結構體系具有兩個突出的特點：一是懸索結構的鋼索不承受彎矩，可以使鋼材耐拉性發(fā)揮最大的效用，從而能夠降低鋼材的消耗量，所以結構自重較輕，從理論上講，只要施工方便、構造合理，可以做成很大的跨度；二是施工時不需要大型的起重設備和大量的模板，施工期限較短。當然，在選擇懸索結構形式時，需要注意受理的特性，解決好公共建筑空間環(huán)境的組合問題。另外，在荷載作用下，懸索結構體系能承受巨大的拉力，因此要求設置能承受較大壓力的構件與之相平衡，這就是該結構體系的受力特殊性能。因此，為了使整體結構有良好的剛性和穩(wěn)定性，需要選擇良好的組合形式，常見的有單向、雙向和混合三種類型（圖4-12）。例如在美國斯克山谷建造的滑冰場，是采用懸索與十字形金屬空心梁相結合的結構體系。支承體系是以16根上細下粗向外傾斜的桅桿作為傳力的支撐柱，并通過鋼索吊起16根梁作為承受屋面荷載的骨架（4-13）。該結構系統(tǒng)的金屬斜梁達69.8m，梁的下端固定于鋼筋混凝土支座上，兩組交叉懸梁覆蓋了跨度為91.4m的空間。這座比賽場，可容納觀眾8000人，是單項懸索結構體系中較為典型的例子。北京工人體育館規(guī)模宏大，建筑面積達42000，比賽大廳能容納15000名觀眾，是我國首次采用尋索結構形式的大跨度公共建筑，鋼索拉裝在內環(huán)與邊緣圓形狀的結構之間，形成了凈跨為94m的圓形屋頂，懸索沿徑向輻射方向布置，分為上下兩層，上索承受屋面載荷，并起到穩(wěn)定索的作用，下索主要是承重索，將全部屋蓋懸掛于空中。內環(huán)作為電器照明燈架與室內空間美化的考慮，上下鋼索各144根，形成了上下起伏的車輪狀幾何形體的頂棚裝飾效果。在結構選型上，比采用鋼網架結構形式節(jié)約鋼材60%。杭州浙江人民體育館是馬鞍形懸索結構的建筑例子（圖4-15）。該館比賽大廳為橢圓形（長軸80m，短軸60m），能容納5400多位觀眾。鞍形懸索屋蓋，由兩組彎曲方形不同的鋼索系統(tǒng)組成，并呈雙曲拋物線形狀，其承重體系索網系由正交布置的下凹形承重索和上凸形穩(wěn)定索相互張緊而成，索網自重僅為7kg/,而所承受屋面合資達120kg/。從該館選擇馬鞍形懸索結構的形式來看，主要具有如下三個方面的優(yōu)點：（1）在觀眾廳容量相同的條件下，橢圓形比賽大廳能獲得更多的視線較好的席位。（2）在相同的條件下，一般馬鞍形懸索結構的技術緊急指標優(yōu)于其他結構形式。（3）馬鞍形或近似馬鞍形的屋蓋形式，使觀眾廳的空間利用較為合理，有利于音質和空調的處理?？傊?，馬鞍型的懸索結構，具有較大的剛度，與其他懸索結構形式相比，抗風和抗震性能較好，并有利于排除雨水。在注意解決整體結構穩(wěn)定性的前提下，不失為大跨度公共建筑中的良好結構形式。2）空間薄壁結構在公共建筑中的運用常稱為薄殼結構的空間薄壁結構，是大跨度公共建筑中采用的另一種結構形式。因為鋼筋混凝土具有可塑性能，作為殼體結構的材料是比較理想的。一般具有如下幾個特性：（1）殼體結構的剛度，取決于它的合理形狀，而不想其他結構形式需要加大結構斷面，所以材料消耗量低。（2）殼體結構不想其他結構形式那樣，靜載是隨跨度增長而加大的，所以其厚度可以做得很薄。（3）殼體結構本身具有骨架和屋蓋的雙重作用，而不像其他結構形式，只起骨架作用，屋蓋結構體系需要另外設置。由于承重與屋蓋合而為一，使這種結構體系更加經濟有效，且載建筑空間利用上越加充分。綜上所述可以看出，因為殼體結構使屬于高效能空間薄壁結構范疇的，可以適應于力學要求的構筑各種曲線形狀，所以它承受彎曲及扭轉的能力遠比平面結構系統(tǒng)大。另外因結構受力均勻，從而可充分發(fā)揮材料的性能，大大降低結構的重量和材料的消耗，所以以殼體系非常適用于大跨度的公共建筑，常用的形式有筒殼、折板、波形殼、雙曲殼等（圖4-16）。例如福州火車站（圖4-17）的候車大廳，屋蓋是由五波20m跨的長筒薄殼組成，面積為1200，凈高為13m，可容納1000人左右。又如山東體育館則是采用雙曲扁殼的例子，如圖4-18所示，比賽大廳屋頂的雙曲扁殼邊長為48m48m，板厚僅為7cm，拱高為拱跨的1/5，屋頂結構與建筑空間之間的配合，比較緊湊合理。又如法國巴黎工業(yè)展覽館，為218m/218m/218m的三角形裝配整體式鋼筋混凝土薄殼，即：把預制好的雙曲板，在現場澆制成整體結構系統(tǒng)。該建筑的殼體由地面至拱高為48m。殼體本身因選用了多波的雙層結構，總厚度為65cm，所以整個殼體結構具有較大的剛度，并能承受彎曲與扭轉的作用，同時對隔熱隔聲、電氣及采暖等也有周密的考慮（圖4-19）。如意大利羅馬的奧運會館，建筑平面為圓形，直徑達100m，可容納14000名觀眾，屋蓋邊緣部分為折波形鋼絲網水泥裝配式結構（圖4-20）。在國際上，由于結構技術的不斷發(fā)展，已出現了介于折板和殼體之間的新型結構，如蛇腹形的折殼結構依受力后的彎曲線，使構件由跨中向端部變截面，其中間部分可承受最大的彎矩。這種結構形式遠比梁柱結構和一般形式的殼體剛度大，結構高度?。ㄒ话阏鄹邽?m左右），而且音響效果較好。如建在巴黎的聯合國教科文總部的會議廳，是采用鋼筋混凝土折殼結構的形式（圖4-21），該會議廳擁有1000人的會議廳和500人的小會議廳。大會議廳的折殼跨度為40m，內部高度為1214m。該建筑端墻折殼結構的處理，能夠與屋蓋折殼體系相結合，融會成一個完整的統(tǒng)一體。同在屋蓋與兩側墻之間采用了華東連接的技術措施，可以使折殼體系既能承受風力，又能保證屋蓋結構抵抗因溫度或其它因素而產生的變形影響，在新型結構的建筑設計經驗上，是值得借鑒的。3）空間網架結構在公共建筑中的運用當今，空間平板網架結構體系，在我國已有較大的發(fā)展。網架結構多采用金屬管材制造，能承受加大的縱向彎曲力，與一般鋼結構相比，可節(jié)約大量鋼材和降低施工費用（根據有關資料統(tǒng)計，節(jié)約鋼材約35%，降低施工費用約25%，甚至在某些情況下，耗鋼量接近于普通鋼筋混凝土梁中的鋼筋數量）。因此，空間網架的結構形式，用于大跨度公共建筑，具有很大的經濟意義。另外，由于空間平板網架具有較大的剛度，所以結構高度不大，這對于大跨度空間造型的創(chuàng)作，具有無比的優(yōu)越性。常見的剛架形式有圓形、方形、矩形、六角形及八角形等。如上海體育館的網架形式為圓形（圖4-22），直徑為114m，總建筑面積47800，容納觀眾18000人；南京五臺山體育館的網架形式為八角形（圖4-23），長向為88.6m，短向為76.8m，總建筑面積約17930，容納10000名觀眾；北京首都體育館的網架形式為矩形（圖4-24），東西長為122.2m，南北寬為107m，（其中比賽大廳為99m112.2m），建筑面積約40000，能容納觀眾18000人?？傊S著我國高新技術的不斷發(fā)展，尤其是輕質高強鋼材的不斷更新，深信新型的空間網架結構體系，一定會日新月異、飛速發(fā)展的，這將為大跨度公共建筑空間的創(chuàng)造提供更寬廣的前景。此外，近年來由于先進技術的不斷發(fā)展，充氣結構類型在國外某些公共建筑中，特別在大跨度公共建筑中采用。所謂充氣結構，系指薄膜系統(tǒng)充氣后，使之能承受外力，形成骨架與圍護系統(tǒng)，兩者結合為統(tǒng)一的整體。如氣承式的充氣結構類型，充氣后的薄膜大部分受拉，從而可以使薄膜材料充分地發(fā)揮耐拉地效能。此外，風雪、震蕩、自重等載荷，大部分有薄膜內外壓差所承受，因此自重可以忽略不及，這是充氣結構體系最大的優(yōu)越性。因此目前大跨度公共建筑，如博覽會，體育館建筑使用得比較多。例如1975年在美國建成得亞克體育館（圖4-25），容量高達80000名觀眾。該建筑的薄膜氣承屋蓋面積為35000，是目前世界最大的充氣建筑。在這座充氣建筑中備有電子報信系統(tǒng)，能及時反應出漏氣、漏水等故障，以利及時的修復。當然，充氣結構的歷史還比較短，尚有不少問題需