索結構、膜結構、框架結構的比較

1、索結構、膜結構、框架結構的比較摘要：隨著科學技術與施工技術的發(fā)展，在建筑結構方面出現(xiàn)了越來越多的新型 結構代替了傳統(tǒng)的框架結構。在新型結構中比較突出的有索結構，膜結構， 它們造型自由、輕巧、柔美，充滿力量感，阻燃、制作簡易、安裝快捷、 節(jié)能、易于、使用安全等優(yōu)點，因而使它在世界各地受到廣泛應用。關鍵詞：索結構、膜結構、框架結構、材料用量、受力、區(qū)別、工程實例正文：框架結構：框架結構住宅是指以鋼筋混凝土澆搗成承重梁柱，再用預制的加氣混凝土、 膨脹珍珠巖、浮石、蛭石、陶爛等輕質板材隔墻分戶裝配成而的住宅。適合大規(guī) 模工業(yè)化施工，效率較高，工程質量較好。框架結構由梁柱構成，構件截面較小， 因此框架結

2、構的承載力和剛度都較低，它的受力特點類似于豎向懸臂剪切梁，樓 層越高，水平位移越慢，高層框架在縱橫兩個方向都承受很大的水平力，這時， 現(xiàn)澆樓面也作為梁共同工作的，裝配整體式樓面的作用則不考慮，框架結構的墻 體是填充墻，起圍護和分隔作用，框架結構的特點是能為建筑提供靈活的使用空 間，但抗震性能差。水平方向仍然是樓板，然后樓板應該搭在這個梁上，梁支撐在兩邊的 柱子上，這就把重量遞給了柱子，沿著高度方向傳到基礎的部分，即梁、 板、柱構成的承重體系?？蚣芙Y構的特點非常突出：所有的墻都不承重跟 廠房的承重沒有關系，那個承重，是板搭在梁上，梁傳給了柱子，墻都是 后坐上去的用于其他的輕質材料，墻都不會承重，

3、應用的時候都很靈活， 如想要大房間不要墻，就要大房間，不想要大房間，想要小的，就可以在 其中用其它的輕質材料來進行房間的劃分，房間劃分成若十個小房間，因 此它的墻不承重，及起著一個劃分空間的作用，僅起著一個保溫，隔熱， 隔聲的部分。注意：框架結構：指梁、板、柱的承重體系?？蚣芙ㄖ闹?要優(yōu)點是空間分隔靈活，自重輕，有利于抗震，節(jié)省材料；同時具有可以 較靈活地配合建筑平面布置的優(yōu)點，利于安排需要較大空間的建筑結構； 同時框架結構的梁、柱構件易于標準化、定型化，便于采用裝配整體式結 構，以縮短施工工期?？蚣芙Y構體系的缺點為：框架節(jié)點應力集中顯著；框架結構的側向剛度小，屬柔性結構框架，在強烈地震作用

4、下，結構所產(chǎn)生水平位移較大，易造成嚴重的非結構性破性；對于鋼筋混凝土框架，當高度大、層數(shù)相當多時，結構底部各層不但柱的軸力很大，而且梁和柱 由水平荷載所產(chǎn)生的彎矩亦顯著增加，從而導致截面尺寸和配筋增大，對 建筑平面布置和空間處理，就可能帶來困難，影響建筑空間的合理使用， 在材料消耗和造價方面，也趨于不合理。鋼材和水泥用量較大，構件的 總數(shù)量多，吊裝次數(shù)多，接頭工作量大，工序多，浪費人力，施工受季節(jié)、 環(huán)境影響較大。索結構：圖1平均風壓下的索網(wǎng)模型Fig. 1 Cable net under mean wind loM索結構為近年來發(fā)展起來的新型幕墻結構，索結構幕墻最大限度的降低了幕 墻所占裝飾

5、空間的比重，且由于結構形式簡單、通透性強而倍受設計師及用戶青 睞。單層平面索網(wǎng)支承式玻璃幕墻結構，是近年來在國內(nèi)外應用較為廣泛的一種 新型幕墻結構，具有建筑造型美觀、構件輕巧纖細、視覺通透性好等優(yōu)點，因而 特別適用于大型公共建筑中。這類 結構的一個顯著特點是，結構在外 荷載的作用下變形較大（目前國內(nèi) 外卜常用變形標準為跨度的1/50或 更大），結構剛度和振動頻率與變 形相關.具有較明顯的幾何非線性 特征。同時其作為一種新型預張力 結構形式，具有柔性大、質量輕、 阻尼小的特點.屬風敏感結構。而 現(xiàn)行荷載規(guī)范中提出的等效靜風 荷載法僅適用于高層、高聳等懸臂 型結構，幕墻規(guī)范提出的陣風系數(shù) 也僅適用

6、于單塊玻璃的抗風設計，不適用于支承結構設計。由于結構的剛度和振 動頻率與結構位移相關，因此較難根據(jù)結構響應來定義結構的等效靜風荷載，等 效靜風荷載的概念對于單層索網(wǎng)玻璃幕墻結構可能是不適用的。北京工人體育場的改建更能說明了索結構的一系列的優(yōu)越性。 北京工人 體育館建成于19 6 1年，是為舉辦第2 6屆世界乒乓球錦標賽而建造的。體育 館建筑平面為圓形，地下一層，地上四層，屋蓋采用輪輻式雙層懸索結構，跨度 達到9 4米，是我國懸索結構大跨度建筑的經(jīng)典之作。世乒賽后，工人體育館成 為北京地區(qū)舉行大型活動的重要場所。北京工人體育場位于北京市朝陽區(qū)工體北 路三里屯，作為國家體育場，舉行過多項國家大型活

7、動，在全國人民心中有著崇 高的地位。本次改建后將作為北京2008奧運會足球比賽場館，容納觀眾六萬人。 北京工人體育場建成于1958年，為當時北京十大建筑之一，受當時建筑科學技 術水平和歷史條件的限制，原結構設計未考慮抗震設防。雖然之前曾對原結構進 行過加固，但限于條件，并未進行抗震加固。此次改造本著最大限度地保持原建 筑外貌和風格的原則進行，結構加固應用了許多新技術、新工藝、新材料。本工程總變配電室位于工人體育場西南側，高低壓柜在同一室內(nèi)，下有電纜夾層， 原有7間油浸式變壓器室，本次改造全部更換為干式變壓器?？傋兣潆娛腋叩蛪?柜、變壓器、直流屏等需增容及更新設備，外線為奧運會提供電源的電纜更換

8、新 纜，足球比賽場地照明改造，熱水交換間及消防泵房因移位進行重新設計， 至 軸看臺下用房按奧運會用房標準進行改造。為合理利用資源、科學組織施工，保工期、京.保質量，本工程拆除及結構加固改造施工分為3個平行的施工段，如圖2所示.施工區(qū)A：軸一軸，地下一層、一 層、二層主要為奧運功能用房。施工區(qū)壓軸一軸，主要為非奧運用房。圖？改造.撾施浚示氐施工區(qū)仁軸一軸，主要為非奧運用房。照明燈梭形鋼管桁架預應力拉索結構施工原北京工人體育場場地照明燈具 安裝在鋼結構挑棚的前端，照度及眩光不滿足奧運會足球比賽的要求，根據(jù)奧組 委及國際足聯(lián)對場地照明的要求，需將原燈具的位置提高12m，因此增設了梭形 柱燈架結構，該

9、結構為柔性結構體系，每根梭形桁架由3根拉索張拉就位，后索 與三肢梭形鋼管格構柱在平面內(nèi)連接，梭形柱平面外由前索以及鋼桁架連接，鋼 桁架作為馬道使用，同時用來放置燈具，因此拉索安裝順序將直接決定施工的安 全可靠性。具體安裝順序：吊車將整根桁架吊起后，先就位梭形桁架的柱腳，再 安裝后拉索，最后安裝前拉索。該結構為有索單元的懸索結構，在未施加預應力 之前，結構還不具有穩(wěn)定的剛度。為了使得每根梭形桁架柱都能夠施加上設計要 求的預應力值，因此必須在張拉過程中進行施工監(jiān)測。對預應力張拉過程中進行 監(jiān)測的目的主要有以下兩點由于在未施加預應力之前，結構不能自成體系，因此在張拉過程中一定要進 行施工監(jiān)測，以保證

10、預應力施加的大小以及施加過程的安全。為保證梭形桁架的頂端豎向位移能夠在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，并且保證燈具在 同一個標高處，不至于出現(xiàn)梭形桁架應力過大或整體結構變形過大的情況，必須 對梭形桁架柱的應力和豎向位移分別進行應力監(jiān)測和位移監(jiān)測。本工程改建的高空燈架為柔性結構體系，每根梭形桁架由3根拉索張拉就 位，采用改變剛性桿件和柔性索長度方法，針對工藝原理對梭形鋼管桁架和預應 力拉索預加預應力，施工難度和施工前期準備工作量大，因此，拉索安裝順序將 直接決定鋼結構施工的安全可靠性。另外.本工程為含有索單元的懸索結構，在 未施加預應力之前，結構還不具有穩(wěn)定的剛度。為使每棉梭形桁架柱都能夠施加 上設計要求的預

11、應力值，預應力張拉過程中施工監(jiān)測非常重要。施工要點：受當時施工水平的制約，原框架斜梁施工偏差較大，現(xiàn)場轉向塊 及錨固端安裝施工時應根據(jù)原結構偏差現(xiàn)場放實樣，保證鋼絞線同原有結構順 平，防止向原結構產(chǎn)生側向力，并且在張拉過程中注意觀察結構變化，張拉時先 預施H20%的張拉控制力，記錄鋼絞線位置，再施加100%的張拉控制力，記錄 伸長值?？刂圃瓌t應以索力控制為主，鋼絞線伸長值為輔，保證施工質量。 膜結構：真正意義上的現(xiàn)代膜結構是在20世紀50年代出現(xiàn)的。美國的沃爾特-伯德 (Wader. Bird)在1946年為美國軍方設計制作的球形充氣雷達罩，1957年為自 己家游泳池罩上的充氣膜，德國建筑師佛

12、賴-奧托(Frei Otto)在1955年、1957 年分別為兩屆德國聯(lián)邦園藝博覽會設計的臨時音樂臺和場館入口挑篷及音樂臺 均是這一時期里程碑式的膜結構建筑。但談及現(xiàn)代膜結構大量展現(xiàn)在世人面前并 風靡于世，則不得不敘述一下1970年在日本大阪舉行的萬國博覽會。本次博覽 會上的美國館是一個空氣支承膜結構。這個建筑物的蒙皮采用了先進的復合材料 建筑織物。大阪博覽會之后，作為臨時性建筑的美國館雖已拆除，但膜結構 的建筑技術卻逐漸推廣應用到永久性的建筑上。膜結構建筑是指利用膜材特性而 建起來的建筑。支承膜結構的可以是框架，也可以是索。如果用膜本身作為結構 材料，則該材料有限的強度決定了該結構只能是小尺

13、寸的。在大型結構中膜必須 用某種方法加強一下，或與其他構件組合。但是膜材與別的屋面材料不同，一般 來說，膜形成曲面，且膜材能抗拉，但不能抗壓或抗彎。膜結構要用合理和正確 的方法來張拉。在持續(xù)均勻的張拉下，整個結構的剛度增加了。膜材的徐變特性 使在任意的張拉狀態(tài)下也會隨時間的推移漸漸地趨向等張力狀態(tài)。因此從開始就 設計一個等張力形態(tài)會有更大的穩(wěn)定性。膜結構所用膜材料由基布和涂層兩部分組成.基布主要采用聚酯纖維和玻璃 纖維材料;涂層材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材為聚酯纖維覆聚氯乙 烯(PVC)和玻璃纖維覆聚聚四氟乙烯(Teflon)。PVC材料的主要特點是強度低、 彈性大、易老化、徐變大、

14、自潔性差，但價格便宜，容易加工制作，色彩豐富，抗折疊性能好。為改善其性能，可在其表面涂一層聚四氟乙烯涂層，提高其抗老 化和自潔能力，其壽命可達到15年左右。Teflon材料強度高、彈性模量大、自 潔、耐久耐火等性能好，但它價格較貴，不易折疊，對裁剪制作精度要求較高， 壽命一般在30年以上，適用于永久建筑。膜結構在其發(fā)展過程中出現(xiàn)了如下3種結構形式：張拉膜結構(Tension Suspension Structure)，充氣膜結構(Pneumatic Structure)和骨架膜結構 (Frame Supported Structme)。人們曾害怕膜結構形態(tài)僅由力學來確定，而缺乏美學的考慮。但即

15、使是由力 學確定的曲面，其邊界條件也不是無限制的，而必須由設計確定，其形態(tài)必須用 索或鋼構來賦予。具有框架的膜結構，膜被拉到鋼、木或鋼筋混凝土上，這個方 法使習慣于傳統(tǒng)建筑設計的建筑師在實現(xiàn)膜建筑上相對容易些。充氣膜結構的想法最初是由氣球而來。第一個構思用于該結構的人可能是英國的 F.W.Lanchestero 1917年他用充氣膜建成一個戰(zhàn)地醫(yī)院而獲得專利。但該結構 用于實際中的是1946年建于美國的Radar穹頂。W.WBird建造了許多充氣膜結 構并對膜結構的發(fā)展做出了卓越的貢獻。1967年在Stuttgart召開了 IASS全球 討論會，使充氣膜結構在全世界范圍廣泛流傳。對充氣膜結構提

16、出了許多建議， 這些都有助于制定這類結構的規(guī)范。國家游泳中心又被稱為“水立方”(Water Cube)，位于北京奧林匹克公園 內(nèi)，是北京為2008年夏季奧運會修建的主游泳館，也是2008年北京奧運會標志 性建筑物之一。它的設計方 案，是經(jīng)全球設計競賽產(chǎn)生 的“水的立方”(H2O3) 方案。2003年12月24日 開工，在2008年1月28日 竣工。其與國家體育場(俗 稱鳥巢)分列于北京城市中 軸線北端的兩側，共同形成 相對完整的北京歷史文化 名城形象。國家游泳中心規(guī)劃建設用地62950平方米，總建筑面積65000-80000平方米，其中地下部分的建 筑面積不少于15000平方米，長寬高分別為1

17、77m X 177m X 30m。膜結構是用 高強度柔性薄膜材料經(jīng)受其它材料的拉壓作用而形成的穩(wěn)定曲面，能承受一定外 荷載的空間結構形式。其造型自由、輕巧、柔美，充滿力量感，阻燃、制作簡易、 安裝快捷、節(jié)能、易于、使用安全等優(yōu)點，因而使它在世界各地受到廣泛應用。 說到世界最高的膜結構建筑，值得一提的是全世界最豪華的酒店當數(shù)阿聯(lián) 酋迪拜的泊瓷(BurjAl-Arab )酒店，翻譯成漢語又稱“阿拉伯塔”，它是 世界為數(shù)不多的七星級酒店之一。位于中東地區(qū)阿拉伯聯(lián)合酋長國迪拜市。主體高度321米酒店建在 海濱的一個人工島上，是 一個帆船形的塔狀建筑， 一共有56層，321米高， 由著名的英國設計師設

18、計。酒店采用雙層膜結構 建筑形式，造型輕盈、飄 逸，具有很強的膜結構特 點及現(xiàn)代風格。它擁有202 套復式客房、200米高的可 以俯瞰迪拜全城的餐廳。 到過阿拉伯塔酒店之后， 你才能體會到真正意義的“金碧輝煌”。它的中庭 是金燦燦的，它的最豪華 的780平方米的總統(tǒng)套房 更是華麗非凡，在第25層，家具是鍍金的，設有一個電影院、兩間臥室、兩間 起居室、一個餐廳，出入有專用電梯。客房面積從170平方米到780平方米不等。 矗立在海濱的人工小島上，酷似帆船狀，通體呈塔形，從頭到腳56層，高達321米，擁有202套復式客房，在中間靠上的位置搭建了俯瞰全城的豪 華餐廳，還修成一座全球最高的花園中庭。英格斯冰場(David S. Ingalls Rink),也喚作鯨魚(The Whale)，是耶魯 大學的冰球館。耶魯校友，建筑師埃羅沙里寧別出心裁的設計使這座建筑在業(yè) 界有一定的影響。該場館建于1950年代，耗資150萬美元，遠超出了最初的預 算。它擁有3486個席位，頂部高度達23米。英格斯冰場以戴維英格斯(David S. Ingalls)和他的兒子小英格斯的名字命名，兩位都曾任耶魯大學冰球隊隊長， 英格斯家族也為場館建設提供了大部分的資金贊助。這座建筑獨特的造型富有創(chuàng) 造性，整體外型像鯨魚，兼有東方傳統(tǒng)建筑的風格。中間一條90多米長的弓形