建筑结构选型

一：桁架结构

桁架结构（Truss structure）中的桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构。桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。

案例：南京国际展览中心

工程概况：

南京国际博览中心建筑面积36万平方米，其中展览面积17万平方米，总国际标准展位6000个，室外展览面积3万平方米，停车位2500个。会议中心包括5000平方米的多功能厅，800人报告厅，20间大小会议室，19间各式餐厅和一幢500间客房的4星级国际酒店。其他配套设施包括240间客房的经济型酒店，8200平方米办公服务设施等。

结构形式及特点：

国展中心的二层展厅是一个长243m ,宽75m 的无柱大空间,屋面呈弧形,南北两端主入口各有15m悬挑,西侧又有14m 悬挑。为了实现建筑功能要求,经过多方案的比较,最终选定了采用钢管拱架、檩架的结构方案。27m ×75m 的柱网,纵向27m 跨的檩架承担檩条、压型钢板轻钢屋面荷载,南北两端檩架各向外悬挑15m。横向跨度75m ,上弦半径125m 的弧形拱架支承檩架,拱架高端悬挑14m ,最终形成结构新颖、气势宏伟的展览大空间(如图1 ,2 所示) 。结构布置时,采取了多种措施来增加屋面的空间刚度,以保证结构稳定,传力可靠。拱架的横截面是宽415m、高5m 的倒三角形(图6) 。弦杆最大为<480 ×25 ,最小为<402 ×15 ,腹杆最大为<194 ×20 ,最小为<133 ×5 。檩架的横截面是宽4188m、高3m 的倒三角形。三角形的每个面又都由弦杆、腹杆组成的小三角形平面桁架构成,拱架、檩架本既是几何不变的空间结构,刚度也很好,又便于设备管道、马道等在其中穿行。单元划分时,使拱架与檩架的划分相呼应。檩架上弦藉助拱架腹杆是拉通的,下弦除两端悬挑部分是拉通的以外,均做成与拱架下弦节点连接,产生空间作用。支座轴线:轴] 檩架做成贯通的三面体,高度同拱架;轴○K 檩架与该轴竖向构架(图3) 的上部一起做成贯通的四面体(加对角杆保证几何不变) ,截面适当加强,使纵273m 长的屋面连接更可靠,保证纵向力的传递。在支座处,轴] 檩架与拱架高端一起组成空间支座结构,铰支在由3m ×3m 柱网、4 根<600 钢管混凝土柱组成的空间构架上,铰支座中心标高3215m( 图4) ;轴○K 檩架所在的竖向构架也与拱架固定铰支座一起,坐落

在由四根<600 钢管混凝土柱支撑的平台上,固定铰支座中心标高111175m(图5) 。在轴○K 竖向构架的中间四个支座加设柱间支撑。南、北两端跨与中间跨分别设上弦水平支撑。

国际展览中心属于管桁结构，管桁结构(HSS)是由闭合截面的矩形或圆形钢管直接焊接而成的结构体系。三角形立体管桁架结构是一种管桁结构。管桁结构具有造型美观、制造安装方便、结构稳定性好、结构刚度大、经济效果好等特点。与一般网架的节点连接方式不同，管桁结构省去了下弦纵向杆件和球节点，其用钢量比网架结构要小些。此外管桁结构可满足各种不同建筑形式的要求，尤其构筑拱形和任意曲线形建筑，应用场合比网架结构更宽广。 管桁结构的特点

1，传统上管桁结构(}Ⅱs)应用于外露结

构以使外表美观，但由于HSS的其它特性，目前它也越来越多地应用于各类结构中。使用HSS

的设计师会发现，这种适用性很强的材料具有一些独特的优点。建筑师们喜欢HSS的视觉效果。通过HSS可以创造优美的结构，以实现其艺术设想。门厅、飞机场、体育馆、会议中心是这种设计的实例。HSs也可被用于其它各类结构象学校、楼亭、电视塔、信号支架人行过街桥、穹项结构、医院、工业建筑、长廊、高层建筑、展览馆等。

2．管桁结构(Hss)的广泛应

用不仅仅是出于美学上的考虑．同时也是因其具有优良的结构性能。闭口截面的抗扭性能较开口截面要好得多。对受风载的结构。HS$所具有的光滑表面比用其它型钢制造的类似结构所引起的风荷载响应要小得多。

3．桁架构件间采用直接焊

接，节省了节点板和角钢组合垫板的材料，并使杆件直接传力，改善了桁架受力性能：同时也可以避免角钢与垫板电焊不当对杆件造成的损伤，简化了设计，缩短了桁架制作工期。 4．构件表面防腐及防火的费用低。采用管截面的结构相对于采用开口截面的结构，其被保护的表面积大约减少20％～30％，这样减少了涂漆与防火保护的费用。

5．在清洁要求较高的场所，如化工或食品加工业，管桁结构由于没有突缘、多余连接部件和其它容易积聚灰尘的地方，因此较容易除尘。 6．管桁结构(HSS)的内部空间也可以利用，如填充混凝土以增加抗压承载力，管内注水防火，

内置预应力索施加预

应力等。

7．与混凝土结构相比，它既环保叉可再次利用，同时也是易于产业化。同时，管桁结构

(HSS)也存在一些缺点：

1．因为钢管是通过钢板再加工而生产的，所以钢管的生产成本比开口轧制型钢或焊接截面可能要大。

2，相贯节点弦杆方向尽量设计成钢管外径一致，对于不同内力的杆件采用相同钢管外径和不同壁厚，壁厚变化不宜太多，否则将增加钢管的拼接量。

3，相贯节点的加工与放样复杂，相贯线上的坡口是变化的，而手工切割很难做到，因此对机械加工的要求很高，要求施工单位有数控的五维切割机床设备。出于工艺的精度和材料质量问题(如钢管不够圆)导致相贯线不符合施工要求，施工中只好高空修补，从而延误了工期。 4．管桁结构一般为焊接节点，需要控制焊接收缩量，对焊接质量要求较高，而且均为现场施焊，焊接工作量大。

如前所述，管桁架结构属于缺陷敏感性结构，气承载力可能会因很小

的初始缺陷而

大大降低，加之后期的维护不当会造成很严重的后果，如漏水。

二、悬索结构

悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。拉索一般采用高强钢丝组成的钢铰线、钢丝绳或钢丝束；边缘构件和下部支承构件则常为钢筋混凝土结构。

代表实例：南京火车站

工程概况：

南京站始建于1968年9月，位于金陵古城城北。2002年由铁道部、江苏省、南京市三方共同投资在原址改建而成。新建成的站房外型采用法国AREP公司的设计方案，内部功能采用铁道第四勘察设计院的设计方案，充分体现了标志性、功能性、系统性、先进性和文化性的有机结合。车站站房采用桅杆斜拉索悬挂结构。站房东西长270m，南北进深53.5m，地下1层，地上3层，站房总建筑面积41000m2，是原站房面积的6倍。车站站房采用桅杆斜拉索悬挂结构，用18根桅杆（钢管混凝土构件）支撑起横向钢梁，像一艘竖起桅杆、拉满风帆的巨型帆船停泊在美丽的玄武湖畔，既具有江南文化特色，又融合现代化气息。

屋顶结构及其特点：

南京火车站主站房预应力钢屋盖采用桅杆斜拉索悬挂钢结构型式,结构纵向长度279m ,横向长度63. 5m ,共有20 榀横向结构。结构沿纵向分为3 个温度区段:1～8 轴、1/ 8～1/ 15 轴、15～20轴。1/ 8～1/ 15 轴温度区段除1/ 8 和1/ 15 轴外,9～14 轴横向结构由钢管混凝土斜柱、屋盖横梁、南北立柱、南立面斜柱以及4 根斜拉索组成。横向结构之间以屋脊梁、檩条、屋盖支撑、柱间支撑等纵向构件相连系。

南、北1 号索的主要作用为减少南立柱、南斜柱和北立柱的压力,而南、北2 号索的主要作用为提供屋盖横梁跨中弹性支承点,其中南、北1 号索的截面和预张力都较大。

斜拉索的作用

南、北两侧最外一根斜拉索直接连接在南立柱与北立柱上。仅从承受荷载的角度讲，这两根索的意义并不大，可以退化为装饰构件。为了充分发挥它们的作用，做了适当的修改：南立柱与北立柱

的截面越小越好，而如果不考虑索的作用，在大部分工况下，二者均属压弯构

件，受到较为严格的长细比。由于南立柱较高，其截面不会太小，如果将其变为拉弯构件，则按构造要求其截面会小很多。在工程设计中加大南号索和北号索的预张力，使南立柱在任何工况下都保持受拉状态（当然，与此同时塔柱柱顶也不应出现过大的偏移），使其截面减小并提高刚度；更重要的是，所有斜拉索都参与工作。

屋盖钢结构的受力特性

对于上部结构，竖向荷载的典型传力路径为：檩条屋盖横梁斜拉索（塔柱，南北立柱，南斜柱）。横向

水平风荷载的典型传

力路径为：幕墙到幕墙支承结构（幕墙桁架，幕墙水平索等构件）到南斜柱，北立柱，水平桁架梁到屋盖结构。纵向水平风荷载的典型传力路径为：幕墙到幕墙支承结构（幕墙桁架，幕墙水平索等构件）到东（西）立柱到檩条及屋盖支撑到屋盖结构。

所有荷载最终都由下部混凝

土结构传递至基础。分析计算结果，屋盖结构的受力特性主要有以下几点。

（1）屋盖结构具有明显的单向受力特征，主要表现在：在各静力工况下，结构主要表现为横向及竖向位移，纵向位移不显著；主梁及塔柱的平面外弯矩比较小。

（2）大量纵向构件的存在，又使整体结构表现出空间受力性态。主要表现在，由于各榀横向结构刚度的不同，水平荷载在各榀横向结构间存在重分配现象。

（3）一般地，屋盖横梁内力的最大值出现在恒载及雪载组合的工况；而恒载与施工阶段负风压组合的工况，使屋盖横梁下翼缘受压的弯矩达到最大值。

（4）斜拉索的索力在恒载及雪载组合的工况达到最大，在恒载与施工阶段负风压组合的工况下最小。

（5）斜置的塔柱承受较大的轴力与弯矩，其弯矩在南风作用下达到极值。在同一个温度区段，下部混凝土结构布置不规则，有时塔柱与混凝土结构交接面的标高相差过大，导致明显的水平荷载分配不均匀现象。

三、框架—剪力墙

框架－剪力墙结构是在框架结构中设置适当的剪力墙的结构。它具有框架结构平面的布置灵活，有较大空间的的优点，又具有侧向刚度较大的优点。框架－剪力强结构中，剪力墙主要承受水平荷载，竖向荷载由框架承担。

代表实例：南京奥体中心主场馆

项目介绍：

奥体中心主体育馆屋面为流畅的马鞍形，其中最抢眼的就是大家在很远处就能看到的“世界第一拱”，就象是两条造型飘逸美观的红飘带。大拱单根重达1400吨，共分成21段，最高处距地面67米，横空跨越360多米的距离。拱上呈现的火红色是由1万多块长3米、宽1.5米红色铝合金面板镶嵌在上面，共有3万多平方米。奥体中心的环状通道宽60米、周长1300米、净空高度有7米。观众从主体育场出来后，可以通过环状通道上部的人行道，到达另外的任意一个场馆；另外通道下部就是一个隐蔽性的停车场，可同时停放各种车辆3000辆、非机动车8000辆，解决了过去体育场馆外车辆乱停乱放的问题。

主体结构及其特点：

体育馆外观造型新颖独特，平面布置为一个椭圆，由一个双曲壳和一个倒置圆锥壳相交形成。钢筋混凝土框架-剪力墙结构，墙后200~300mm，其余采用钢筋混凝土框架柱承重，柱断面一般为800，跨度为8~9M.结构不设伸缩缝，在四分之一处设置了后浇带，大跨度楼面采用有粘结预应力梁结构，跨度一般为20m，梁断面为600mmX1500mm。

体育馆钢屋盖由横向钢箱梁、悬索钢管、连系梁及大拱等构成稳定的受力体系。大拱在正常使用状态下与屋面箱梁及四根系杆组成屋面支撑体系，是整个体育馆屋盖结构的主要受力构件，承受屋面体系的恒荷载及

活荷载。由于拱结构的自身特性，屋面结构成型后大拱在自重及上部荷载作用下产生沿拱轴线的水平推力。

体育馆钢结构屋盖分为三个部分：主馆屋盖、连廊屋顶和副馆屋盖，主馆屋盖103mX130m呈大曲率扁曲面形状，选择平面桁架和多道纵向支撑桁架构成。副馆屋盖采用40m跨梭型平面桁架。主要节点采用相贯节点，因主馆屋盖采用曲面累积滑移新工艺，纵向支撑与主桁架的连接改为销接，使滑移时杆件连接处有所转动。

四、网壳结构

网壳结构：杆件按一定规律布置，通过节点连接而成的曲面状空间杆系结构。

网壳结构，即为网状的壳体结构，或者说是曲面状的网架结构。其外形为壳，其构成为网格状，是格构化的壳体，也是壳形的网架。

网壳结构优点：

（1）网壳结构的杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因此可以充分发挥材料强度作用。

（2）曲面形式，丰富的造型，通过使结明暗对比、虚实对比。

（3）由于杆件尺寸与整个网壳结构相比很小，可把网壳结构近似地看成各向同性或各向异性连续体，用薄壳结构分析结果进行定性的分析。

（4）网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的良好的受力性能。

代表实例：中国国家大剧院

项目介绍：

中国国家大剧院位于北京市中心天安门广场西，人民大会堂西侧，西长安街以南，由国家大剧院主体建筑及南北两侧的水下长廊、地下停车场、人工湖、绿地组成，总占地面积11.万平方米，总建筑面积约16.5万平方米，其中主体建筑10.5万中国国家大剧院标志平方米，地下附属设施6万平方米，总投资额26.88亿人民币（大剧院最新公布的造价数字是31亿元人民币）。

结构及其特点：

国家大剧院钢壳体结构呈半椭球形,其长轴(东西向) 长212120m ,短轴(南北向) 长1431m ,建筑总高度为461285m。钢壳体结构由顶环梁、梁架(分长轴梁架与短轴梁架) 、斜撑和环向连系杆件组成。其

中顶环梁呈椭圆形,长轴长约60m ,短轴长约38m ,由环形钢管、箱形梁以及H 型钢等构件组成。长轴梁架由H 型钢拼焊而成,短轴梁架用60mm 厚钢板拼焊而成。梁架呈中心对称辐射状布置。斜撑与连杆采用140～195 的钢管制作。连杆沿水平环向布置,上下、里外共82 道,并采用铸钢连接件或套筒连接件与梁架连接。钢壳体平面如图1 所示,梁架编号由正北开始,往西依次为W01～W74 ,往东依次为E01～E74 ,在正南汇合。国家大剧院的钢壳体为超大型空间结构,结构体量大,整个结构待壳体完全形成后,方为稳定的空间结构。因而,在施工阶段保证结构的稳定与安全至关重要。

壳体钢架完成好的国家大剧院内部钢梁交错带来的特殊光影效果产生的视觉冲击力给人留下了深刻的影响。

壳体表皮安装

在钢结构之上，作为屋面的壳体最外层由铺设在KAL-ZIP铝合金龙骨系统上的2万多块钛金属板和1200多块大小不等的有色玻璃幕墙组成。

钛金属板的厚度只有 0.44 毫米，既轻且薄，如同一张薄薄的纸，因此，下面必须有一个由复合材料制成的衬板；每一块衬板也将切割成

与其上的钛金属板同样大小的尺寸，

工作量非常大。由于壳体的椭圆造型，每一块钛板都变成一个双曲面，面积、尺寸、曲率都不同，因此，安装角度总在变化，施工难度也就相当大。

由于钢材与玻璃的膨胀系数差异很大，钢材与玻璃的结合问题最初也被视为技术难点。一方面玻璃要安装得非常精确；另一方面，装上玻璃的钢结构往往会在一段时间内产生变形，钢结构一闹别扭，原来装得严丝合缝的玻璃，也会变得参差不齐。这个问题是所有幕墙施工时都会遇到的，施工中钢结构变形的实际情况是:总的胀缩量较大，但经过平均，分担在每一部分上的胀缩量就很小了。比如穹顶上环梁计算胀缩量为8厘米，但是平均到环梁周长上的每个点，钢材胀缩量仅为零点零几毫米，并不影响大局。

五、膜结构

膜结构(Membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，膜结构车棚是由多种高强薄膜材料及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气，使室内外产生一定压力差（一般在10㎜～30㎜水柱之间）,室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而实现较大的跨度。张拉摸结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型。 膜结构的特点

采用高强薄膜材料、加强构件（钢架、柱或索），内部产生一定的预应力，形成某种空间形状作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用结构形式。

膜结构的主要缺点是耐久性较差。最近几年，由于高强、防火、透光、耐久性好、性能稳定的膜材的出现和应用，膜结构的设计寿命可达到20年以上。

 膜结构建筑外观雅致飘逸，空间开阔灵秀、结构轻盈、透光阻燃、经久自洁、安装

快捷、节能降耗、造价适中．维修简便。

 由于膜材造型运用很灵活，尤其使大跨距的建筑，特别能突显设计者的创意及设计

要求。在奥运会、世博会等大型建设工程中，已经大显身手。

代表实例：水立方

 工程概况：

 国家游泳中心“水立方”位于奥林匹克大道西侧，与国家体育馆“鸟巢”隔路相望。

其建筑造型体现了与鸟巢的和谐共生。这一设计模仿水分子的结合形式，具有高度的重复性，同时体现了随机无序的结构美感。屋面和墙体的维护结构采用ETFE充气枕。结构的随意自然与材料的纯净统一勾画出水立方独特的美感。

 本工程的建筑造型为“充满水的立方体”，平面尺寸177.338m×177.338m，建筑墙

体底标高+1.059m，屋顶标高30.587m。屋面及支撑墙结构由新型多面体空间钢架构成水滴的骨架。钢结构总用钢量共约6300吨，钢材选用Q345C、Q420C。结构节点形式分为球型、半球型、方钢管相贯三种，杆件分为圆钢管、方钢管两种形式。所有构件壁厚由6mm到40mm。节点9290个，杆件数量将近20670根。

支撑结构

 水立方”的钢结构最大的特点就是不规则 该结构最基本的特点是其几何构成不同

于传统的空间网架结构，传统的网架结构都是由简单的基本单元（三角锥，四角锥等）组合而成，而该结构以由气泡衍生改良得到的多面体为基本单元，进行空间阵列 。

 钢结构高度：30.587m

 支承形式：钢结构墙体周边支承于钢板组合砼框架梁

在对抗压力方面，这种泡沫结构的承受力比其他结构要高出十几倍，因此，尽管使用很轻的ETFE材料，只要内部做成这种有规律的泡沫形状，就能承受巨大的外力作用

多面体组合构成的基本结构沿三个正交坐标轴是有规律的重复的。因此，尽管外观呈现随机分布状态，但实际上这种结构是建立在高度重复的基础上的。这个阵列组成的无限空间内部只包含三个不同的表面、四种不同长度的边线和三种不同的节点。这种结构上的高度重复无疑有利于对空间结构的建造。同时，这种新型空间结构体系具有节点汇交杆件少的明显特征，每个节点的汇交杆件仅为四根。而普通钢架结构中单个节点汇交杆件最少的蜂窝型三角锥网架为六根，在这种传统情况下，杆件在空间坐标上的定位是一个技术性的难题，而且费工费时，同时，多个杆件连接在一个节点上，对于节点处杆件位置的预留问题也提出了很高的要求。而这两个问题在该新型空间结构中得到了很好的解决。

材料ETFE



立面的双层表皮结构由一系列小的单元组成，每个单元外面都覆盖着一层薄膜——

双层聚四氟乙烯（ETFE).

 游泳中心结构除主体“多面体空间刚架结构”外，其下部还设置了全现浇钢筋混凝

土池结构作为游泳池和跳水池。空间刚架结构将荷载传递到混凝土结构上，再由此结构传至基础。