索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)的比較

1、索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)的比較摘要：隨著科學(xué)技術(shù)與施工技術(shù)的發(fā)展，在建筑結(jié)構(gòu)方面出現(xiàn)了越來越多的新型 結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。在新型結(jié)構(gòu)中比較突出的有索結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)， 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(diǎn)，因而使它在世界各地受到廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、材料用量、受力、區(qū)別、工程實(shí)例正文：框架結(jié)構(gòu)：框架結(jié)構(gòu)住宅是指以鋼筋混凝土澆搗成承重梁柱，再用預(yù)制的加氣混凝土、 膨脹珍珠巖、浮石、蛭石、陶爛等輕質(zhì)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(zhì)量較好?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由梁柱構(gòu)成，構(gòu)件截面較小， 因此框架結(jié)

2、構(gòu)的承載力和剛度都較低，它的受力特點(diǎn)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(gè)方向都承受很大的水平力，這時(shí)， 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(jié)構(gòu)的墻 體是填充墻，起圍護(hù)和分隔作用，框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(yīng)該搭在這個(gè)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(chǔ)的部分，即梁、 板、柱構(gòu)成的承重體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)非常突出：所有的墻都不承重跟 廠房的承重沒有關(guān)系，那個(gè)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(zhì)材料，墻都不會(huì)承重，

3、應(yīng)用的時(shí)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(zhì)材料來進(jìn)行房間的劃分，房間劃分成若十個(gè)小房間，因 此它的墻不承重，及起著一個(gè)劃分空間的作用，僅起著一個(gè)保溫，隔熱， 隔聲的部分。注意：框架結(jié)構(gòu)：指梁、板、柱的承重體系?？蚣芙ㄖ闹?要優(yōu)點(diǎn)是空間分隔靈活，自重輕，有利于抗震，節(jié)省材料；同時(shí)具有可以 較靈活地配合建筑平面布置的優(yōu)點(diǎn)，利于安排需要較大空間的建筑結(jié)構(gòu)； 同時(shí)框架結(jié)構(gòu)的梁、柱構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，便于采用裝配整體式結(jié) 構(gòu)，以縮短施工工期?？蚣芙Y(jié)構(gòu)體系的缺點(diǎn)為：框架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中顯著；框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小，屬柔性結(jié)構(gòu)框架，在強(qiáng)烈地震作用

4、下，結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生水平位移較大，易造成嚴(yán)重的非結(jié)構(gòu)性破性；對于鋼筋混凝土框架，當(dāng)高度大、層數(shù)相當(dāng)多時(shí)，結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jià)方面，也趨于不合理。鋼材和水泥用量較大，構(gòu)件的 總數(shù)量多，吊裝次數(shù)多，接頭工作量大，工序多，浪費(fèi)人力，施工受季節(jié)、 環(huán)境影響較大。索結(jié)構(gòu)：圖1平均風(fēng)壓下的索網(wǎng)模型Fig. 1 Cable net under mean wind loM索結(jié)構(gòu)為近年來發(fā)展起來的新型幕墻結(jié)構(gòu)，索結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式簡單、通透性強(qiáng)而倍受設(shè)計(jì)師及用戶青 睞。單層平面索網(wǎng)支承式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，是近年來在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的一種 新型幕墻結(jié)構(gòu)，具有建筑造型美觀、構(gòu)件輕巧纖細(xì)、視覺通透性好等優(yōu)點(diǎn)，因而 特別適用于大型公共建筑中。這類 結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)在外 荷載的作用下變形較大（目前國內(nèi) 外卜常用變形標(biāo)準(zhǔn)為跨度的1/50或 更大），結(jié)構(gòu)剛度和振動(dòng)頻率與變 形相關(guān).具有較明顯的幾何非線性 特征。同時(shí)其作為一種新型預(yù)張力 結(jié)構(gòu)形式，具有柔性大、質(zhì)量輕、 阻尼小的特點(diǎn).屬風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。而 現(xiàn)行荷載規(guī)范中提出的等效靜風(fēng) 荷載法僅適用于高層、高聳等懸臂 型結(jié)構(gòu)，幕墻規(guī)范提出的陣風(fēng)系數(shù) 也僅適用

6、于單塊玻璃的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，不適用于支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于結(jié)構(gòu)的剛度和振 動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)位移相關(guān)，因此較難根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)來定義結(jié)構(gòu)的等效靜風(fēng)荷載，等 效靜風(fēng)荷載的概念對于單層索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)可能是不適用的。北京工人體育場的改建更能說明了索結(jié)構(gòu)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(biāo)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(jié)構(gòu)，跨度 達(dá)到9 4米，是我國懸索結(jié)構(gòu)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(dòng)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(xiàng)國家大型活

7、動(dòng)，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(yùn)會(huì)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(dāng)時(shí)北京十大建筑之一，受當(dāng)時(shí)建筑科學(xué)技 術(shù)水平和歷史條件的限制，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未考慮抗震設(shè)防。雖然之前曾對原結(jié)構(gòu)進(jìn) 行過加固，但限于條件，并未進(jìn)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(fēng)格的原則進(jìn)行，結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用了許多新技術(shù)、新工藝、新材料。本工程總變配電室位于工人體育場西南側(cè)，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(shè)備，外線為奧運(yùn)會(huì)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(jìn)行重新設(shè)計(jì)， 至 軸看臺(tái)下用房按奧運(yùn)會(huì)用房標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改造。為合理利用資源、科學(xué)組織施工，保工期、京.保質(zhì)量，本工程拆除及結(jié)構(gòu)加固改造施工分為3個(gè)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(yùn)功能用房。施工區(qū)壓軸一軸，主要為非奧運(yùn)用房。圖？改造.撾施浚示氐施工區(qū)仁軸一軸，主要為非奧運(yùn)用房。照明燈梭形鋼管桁架預(yù)應(yīng)力拉索結(jié)構(gòu)施工原北京工人體育場場地照明燈具 安裝在鋼結(jié)構(gòu)挑棚的前端，照度及眩光不滿足奧運(yùn)會(huì)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(shè)了梭形 柱燈架結(jié)構(gòu)，該

9、結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shí)用來放置燈具，因此拉索安裝順序?qū)⒅苯記Q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(jié)構(gòu)為有索單元的懸索結(jié)構(gòu)，在未施加預(yù)應(yīng)力 之前，結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)要 求的預(yù)應(yīng)力值，因此必須在張拉過程中進(jìn)行施工監(jiān)測。對預(yù)應(yīng)力張拉過程中進(jìn)行 監(jiān)測的目的主要有以下兩點(diǎn)由于在未施加預(yù)應(yīng)力之前，結(jié)構(gòu)不能自成體系，因此在張拉過程中一定要進(jìn) 行施工監(jiān)測，以保證

10、預(yù)應(yīng)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(gè)標(biāo)高處，不至于出現(xiàn)梭形桁架應(yīng)力過大或整體結(jié)構(gòu)變形過大的情況，必須 對梭形桁架柱的應(yīng)力和豎向位移分別進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測和位移監(jiān)測。本工程改建的高空燈架為柔性結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng) 力拉索預(yù)加預(yù)應(yīng)力，施工難度和施工前期準(zhǔn)備工作量大，因此，拉索安裝順序?qū)?直接決定鋼結(jié)構(gòu)施工的安全可靠性。另外.本工程為含有索單元的懸索結(jié)構(gòu)，在 未施加預(yù)應(yīng)力之前，結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)要求的預(yù)

11、應(yīng)力值，預(yù)應(yīng)力張拉過程中施工監(jiān)測非常重要。施工要點(diǎn)：受當(dāng)時(shí)施工水平的制約，原框架斜梁施工偏差較大，現(xiàn)場轉(zhuǎn)向塊 及錨固端安裝施工時(shí)應(yīng)根據(jù)原結(jié)構(gòu)偏差現(xiàn)場放實(shí)樣，保證鋼絞線同原有結(jié)構(gòu)順 平，防止向原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向力，并且在張拉過程中注意觀察結(jié)構(gòu)變化，張拉時(shí)先 預(yù)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。控制原則應(yīng)以索力控制為主，鋼絞線伸長值為輔，保證施工質(zhì)量。 膜結(jié)構(gòu)：真正意義上的現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)是在20世紀(jì)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(shè)計(jì)制作的球形充氣雷達(dá)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(huì)設(shè)計(jì)的臨時(shí)音樂臺(tái)和場館入口挑篷及音樂臺(tái) 均是這一時(shí)期里程碑式的膜結(jié)構(gòu)建筑。但談及現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)大量展現(xiàn)在世人面前并 風(fēng)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(huì)。本次博覽 會(huì)上的美國館是一個(gè)空氣支承膜結(jié)構(gòu)。這個(gè)建筑物的蒙皮采用了先進(jìn)的復(fù)合材料 建筑織物。大阪博覽會(huì)之后，作為臨時(shí)性建筑的美國館雖已拆除，但膜結(jié)構(gòu) 的建筑技術(shù)卻逐漸推廣應(yīng)用到永久性的建筑上。膜結(jié)構(gòu)建筑是指利用膜材特性而 建起來的建筑。支承膜結(jié)構(gòu)的可以是框架，也可以是索。如果用膜本身作為結(jié)構(gòu) 材料，則該材料有限的強(qiáng)度決定了該結(jié)構(gòu)只能是小尺

13、寸的。在大型結(jié)構(gòu)中膜必須 用某種方法加強(qiáng)一下，或與其他構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gè)結(jié)構(gòu)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(huì)隨時(shí)間的推移漸漸地趨向等張力狀態(tài)。因此從開始就 設(shè)計(jì)一個(gè)等張力形態(tài)會(huì)有更大的穩(wěn)定性。膜結(jié)構(gòu)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(diǎn)是強(qiáng)度低、 彈性大、易老化、徐變大、

14、自潔性差，但價(jià)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(dá)到15年左右。Teflon材料強(qiáng)度高、彈性模量大、自 潔、耐久耐火等性能好，但它價(jià)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(jié)構(gòu)在其發(fā)展過程中出現(xiàn)了如下3種結(jié)構(gòu)形式：張拉膜結(jié)構(gòu)(Tension Suspension Structure)，充氣膜結(jié)構(gòu)(Pneumatic Structure)和骨架膜結(jié)構(gòu) (Frame Supported Structme)。人們曾害怕膜結(jié)構(gòu)形態(tài)僅由力學(xué)來確定，而缺乏美學(xué)的考慮。但即

15、使是由力 學(xué)確定的曲面，其邊界條件也不是無限制的，而必須由設(shè)計(jì)確定，其形態(tài)必須用 索或鋼構(gòu)來賦予。具有框架的膜結(jié)構(gòu)，膜被拉到鋼、木或鋼筋混凝土上，這個(gè)方 法使習(xí)慣于傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的建筑師在實(shí)現(xiàn)膜建筑上相對容易些。充氣膜結(jié)構(gòu)的想法最初是由氣球而來。第一個(gè)構(gòu)思用于該結(jié)構(gòu)的人可能是英國的 F.W.Lanchestero 1917年他用充氣膜建成一個(gè)戰(zhàn)地醫(yī)院而獲得專利。但該結(jié)構(gòu) 用于實(shí)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(jié) 構(gòu)并對膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。1967年在Stuttgart召開了 IASS全球 討論會(huì)，使充氣膜結(jié)構(gòu)在全世界范圍廣泛流傳。對充氣膜結(jié)構(gòu)提

16、出了許多建議， 這些都有助于制定這類結(jié)構(gòu)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(yùn)會(huì)修建的主游泳館，也是2008年北京奧運(yùn)會(huì)標(biāo)志 性建筑物之一。它的設(shè)計(jì)方 案，是經(jīng)全球設(shè)計(jì)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(cè)，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(shè)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(jié)構(gòu)是用 高強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(diǎn)，因而使它在世界各地受到廣泛應(yīng)用。 說到世界最高的膜結(jié)構(gòu)建筑，值得一提的是全世界最豪華的酒店當(dāng)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(jí)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(gè)人工島上，是 一個(gè)帆船形的塔狀建筑， 一共有56層，321米高， 由著名的英國設(shè)計(jì)師設(shè)

18、計(jì)。酒店采用雙層膜結(jié)構(gòu) 建筑形式，造型輕盈、飄 逸，具有很強(qiáng)的膜結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)及現(xiàn)代風(fēng)格。它擁有202 套復(fù)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(huì)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(shè)有一個(gè)電影院、兩間臥室、兩間 起居室、一個(gè)餐廳，出入有專用電梯?？头棵娣e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(dá)321米，擁有202套復(fù)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(xué)的冰球館。耶魯校友，建筑師埃羅沙里寧別出心裁的設(shè)計(jì)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(yuǎn)超出了最初的預(yù) 算。它擁有3486個(gè)席位，頂部高度達(dá)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(xué)冰球隊(duì)隊(duì)長， 英格斯家族也為場館建設(shè)提供了大部分的資金贊助。這座建筑獨(dú)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(fēng)格。中間一條90多米長的弓形