結構新體系為建筑師開辟更大的創作空間
發布時間：2010-01-14 共1頁
隨著社會的進一步發展，在自我私有空間逐漸擴的同時，公共活動空間如文化體育場館等的需求也與日俱增，這些需求帶動了結構體系，特別是空間結構體系的發展。建筑的結構體系不僅呈現出多樣化的特征，而且已經發展到概念設計的階段。所謂概念設計指的是，結構設計不僅把結構的安全、效率及經濟作為結構設計的目標，而且更重要地把結構美表現出來，即在結構上體現出文化的內涵，這就是結構哲學的主要研究范疇?？臻g建筑中最需要建筑與結構的緊密配合，因為力學上合理的建筑造型是能體現結構美，進而可以充分表現出文化內涵。在結構哲學研究的背景下，近來發展起來的新型空間結構體系有：穹頂結構、膜結構、開合結構、透明建筑、樹狀結構、攀達穹頂、卡斯藤結構、弦支穹頂、不完整桁架及張拉整體結構等。
穹頂結構
穹頂結構，在建筑上，有可以用最小的表面積覆蓋最空間的優點，在結構上，具有三維高效傳力的特性，因此一直受到建筑師和結構工程師的重視。以日本為例，穹頂結構已從原來的天空穹窿狀結構的含義延伸為非平面型的屋頂結構。特別是1988年東京穹頂建成以來，穹頂建設熱逐漸升溫，1997年達到一個高潮，除兩個超級穹頂（阪穹頂及名古層穹頂），四個型穹頂（小松穹頂、館樹海穹頂、熊本穹頂及扎幌穹頂）的建成外，還有數個各種規模的穹頂結構建成，到目前為止，穹頂的建設熱仍在持續之中。 快把結構工程師站點加入收藏夾吧！
商業性穹頂建筑以贏利為目的，要求座位多，空間，因此跨度較，如阪穹頂和名古屋穹頂的跨度均超過了150m，雖然結構形式各有不同，阪穹頂為雙層網殼式，而名古屋穹頂卻是單層網殼，但二者均采用了提升類的施工方法。市民公用性的穹頂建筑是日本穹頂結構盛行的一個最重要的因素。1997年建成的穹頂中除兩個超級頂外，跨度在100m以上的型穹頂均為此類。日本社會的各種團體、協會成千上萬，多至數萬人，少至十幾人都可以結成社團，進行各式各樣文化、體育甚至僅僅是座談等的活動。為了使市民的活動不受天候的干擾，如今在日本各地市，就像圖書館一樣，穹頂建筑正漸成為必備的設施。特別是在寒冷地區，市民的穹頂建筑普及很快。市民穹頂建筑因沒有商業性要求，一般預算許可的范圍內，都盡量地反映當地的文化特色，所以建筑及結構形式更是多樣化。如小松穹頂做成了機械控制的中間龍骨梁支承的開啟式屋頂，而熊本穹頂則是組合的充氣臘結構。
新型的穹頂結構體系也在不斷的探索實驗中。而且現仍有多項型的穹頂結構在設計施工中。
結構原理：單層鋼網殼、雙層鋼網殼、集成木材網殼、充氣穹頂及各種構件與膜的組合形式等。
跨度：最已經作到圓形平面直徑為222m的建筑。
矢高比：1/2～1/7，常用1/3～1/5。
1） 攀達穹頂
攀達穹頂結構是日本川口衛教授針對跨度穹頂的施工而提出的專利結構體系。它把 穹頂結構的環向作用和徑向作用分解開，撤去部分環向構件，使其成為僅有一維自由度的結構，從而可以將結構整體折疊，在接近地面的高度進行拼裝，然后把折疊的穹頂頂升到預定高度，再加上撤去的環向桿件，穹頂即告完成。
1999年完工的奈良會堂2000年將要開工的集散煤穹頂使攀達穹頂結構體系又有了新的發展。特別是集散煤穹頂，它首次把攀達穹頂用于一個建筑群中，成功地解決了鉸鏈組共同工作的問題。 攀達穹頂的結構及燈光、音響、通風管道等設施均可在接近地面的高度安裝，避免高空作業，提高了施工安全性，便于監理檢查，可較好保證安裝精度；體系僅有豎向自由度，施工過程中也可以抵抗風及地震力的作用；可以提高施工速度，降低工程造價。
跨度：已建成的實例中，從60m到180m
高度：30m到60m
造型：穹窿狀、棱錐形、某種特殊的施工態
2） 弦支穹頂
把張拉整體的概念用于與單層網殼結構的雜交組合中，形成剛性的上弦層，中間為相 互獨立的撐桿，下弦為張拉整體的連續受拉單元，就得到弦支穹頂結構。其原理可以理解為張拉整體加固的單層網殼結構，也可以認為是用剛性層取代張拉整體的柔性上弦。
弦支穹頂比單層網殼的穩定性高；對邊界的約束要求低；剛度，可提高結構跨度；層面材料用剛性或柔性均可；具有穹頂結構的優勢。
跨度：已建到了90m
高度：矢高取跨度的1/3到1/5
造型：穹窿狀、橢球狀及坡形層頂
膜結構
膜結構主要分為充氣膜及張拉膜兩種。
充氣膜結構是由一定壓力的空氣支承的膜結構，其中還分氣承式和氣脹式兩類，區分的標準是結構工作機理和氣壓小的不同。因為充氣膜結構利用了空氣這種唯一免費的建筑材料，而且受壓的空氣沒有屈曲的問題，結構有相當的優勢。但是，從維護的角度上看有不利的一面，就是充氣膜需要經常的鼓風充氣以保證一定的內壓。氣承式膜結構傳力效率高，因此只需要較低的內氣壓，但需要室內密閉，這要通過設置空氣前室或旋轉門來實現。氣脹式膜結構需要較高的內氣壓，比如800～1000mm水柱，是氣承式膜結構中氣壓的數十倍，但室內不需要密閉，人們可自由進出。
張拉膜結構不需要氣壓，但對膜的裁剪有很高的要求，不精確的裁剪經常導致皺褶的出現。從造型上看，充氣膜結構常是穹窿狀或者某種變化形式甚至小型單元的組合，張拉膜的變化則可以多種多樣。 到目前為止，世界上最的氣脹式膜結構仍是川口衛設計的富士館，最的氣承式膜結構是東京穹頂。覆蓋單體建筑面積最的張拉膜結構是世紀穹頂，其圓形底面的直徑為320m。結構中無柱支承的最的張拉膜結構是用于張拉整體結構的覆蓋層上，比如喬治亞穹頂，跨度達到200m的數量級。
把膜結構僅用做層面材料的工程也很多，特別是在寒冷地區。在雙層膜材料間送熱風是處理雪地區屋面化雪的常用手段之一。
開合結構
開合結構指屋頂結構可以開啟和關閉的結構體系。在開合結構的使用中，人們已充分領略到這種結構的優越性：當出現風、雨或雪的天侯時，將屋蓋關閉，享受一種溫馨與熱烈；當風和日麗的時候，將屋蓋打開，可充分享受自然。
開合結構開啟或關閉所需的時間一為10～30min，開合效率以透光率評價。 日本已成為具有開合結構最多的國家之一，小共有幾百座。不僅如此，許多民宅的空間也采用了開啟的屋頂結構。
日本的公司在與加拿人合作建成了加拿的多倫多天空穹頂（直徑203m）之后，很快在福崗建成了更的可開啟福崗穹頂，直徑達到222m。連同水上世界的宮崎穹頂等，日本的型開啟穹頂已有十幾座。值得一提的是，一向追求高新技術的日本，卻在最新建的小松開啟穹頂中，采用了更簡捷的技術。
開合的方式主要有三種，水平移動、旋轉及疊合。水平移動的方式最簡捷，容易控制；旋轉開合經常伴隨有水平的二次運動；疊合的種類較多，有上下移動方式，有水平移動的折疊，還有包括前兩種運動方式的連動開合方式。 開啟穹頂的技術是建筑結構、機械及自動化三者結合的題目。一方面，日本仍在花量人力物力研究更新更好的開啟體系，如前田工業就新提出了軌道折疊式開啟屋頂，還準備采用太陽工業的新技術連同屋面膜一同折疊開啟。另一方面，小松穹頂卻采用了機械關閉，僅靠自重開啟的結構體系，這種簡捷的技術手段克服了許多高科技帶來的復雜、非人控環節，值得我國建筑師及結構工程師借鑒。
透明建筑
透明建筑的結構含義就是用玻璃作為主要結構構件的建筑。早在半世紀前就開始了玻璃幕墻的建筑嘗試?，F在，用較的結構來支承的玻璃幕已不能滿足人們的需要。
東京會議中心的建成在日本引起了轟動，不僅僅因為其獨特的船體造型，更主要的是玻璃成為主要結構構件，玻璃+索+桿的結構體系不僅使東京會議中心室內外一體化，而且白天采用自然光，晚上的燈光效果更成為一種地標象征。由于玻璃的脆性、易碎及低受彎強度，玻璃建筑的關鍵就成為結構工程師的工作，日本已有一些關于玻璃+索桿結構的專利申請。
玻璃材料的性能已有相當的改善，如在抗沖擊破碎方面。玻璃板作為結構受壓構件已較多，玻璃的其它截面形式值得研究。
樹狀結構
顧名思義，樹狀結構為形狀像樹木構造的結構，像仿生學得到的其它結構一樣，樹木具有強的生命力，樹狀結構的開發研究也應有相應的價值。德國在樹狀結構的研究上起步較早，已有像斯圖加特機場后機廳這樣規模的工程，日本目前樹狀結構的研究僅在形態學分析及靜力性能的研究階段上。
索的新結構體系 索做為一種結構單元，不僅最富于變化，也具有活力，因此是最有生命力的結構形式之一。特別在超跨度的結構中，如懸索和斜拉結構，索將扮演更為重要的角色。 近來日本發展了兩種特色的索結構形式，一種是索與梁、拱、殼等的組合（雜交）結構，另一種是從桁架（平面的或空間的）發展而來，用拉索取代桁架結構中的拉桿，并對新結構施加預壓應力使拉索在任何荷載下都不松弛，再將部分多余桿件取掉后，就成為所謂的不完整桁架結構，以上兩種新索結構體系均有工程應用。
不完整桁架結構可以最限度地發揮材料優勢，受壓上弦可用混凝土、石材等做成，下弦用高強度鋼索；僅保留必須的部分腹桿單元；整個結構體系達到了少一根桿不行，多一個單元就多余的結構境界，因此，工程造價可降低至一種極限狀態。
穹頂結構
穹頂結構，在建筑上，有可以用最小的表面積覆蓋最空間的優點，在結構上，具有三維高效傳力的特性，因此一直受到建筑師和結構工程師的重視。以日本為例，穹頂結構已從原來的天空穹窿狀結構的含義延伸為非平面型的屋頂結構。特別是1988年東京穹頂建成以來，穹頂建設熱逐漸升溫，1997年達到一個高潮，除兩個超級穹頂（阪穹頂及名古層穹頂），四個型穹頂（小松穹頂、館樹海穹頂、熊本穹頂及扎幌穹頂）的建成外，還有數個各種規模的穹頂結構建成，到目前為止，穹頂的建設熱仍在持續之中。 快把結構工程師站點加入收藏夾吧！
商業性穹頂建筑以贏利為目的，要求座位多，空間，因此跨度較，如阪穹頂和名古屋穹頂的跨度均超過了150m，雖然結構形式各有不同，阪穹頂為雙層網殼式，而名古屋穹頂卻是單層網殼，但二者均采用了提升類的施工方法。市民公用性的穹頂建筑是日本穹頂結構盛行的一個最重要的因素。1997年建成的穹頂中除兩個超級頂外，跨度在100m以上的型穹頂均為此類。日本社會的各種團體、協會成千上萬，多至數萬人，少至十幾人都可以結成社團，進行各式各樣文化、體育甚至僅僅是座談等的活動。為了使市民的活動不受天候的干擾，如今在日本各地市，就像圖書館一樣，穹頂建筑正漸成為必備的設施。特別是在寒冷地區，市民的穹頂建筑普及很快。市民穹頂建筑因沒有商業性要求，一般預算許可的范圍內，都盡量地反映當地的文化特色，所以建筑及結構形式更是多樣化。如小松穹頂做成了機械控制的中間龍骨梁支承的開啟式屋頂，而熊本穹頂則是組合的充氣臘結構。
新型的穹頂結構體系也在不斷的探索實驗中。而且現仍有多項型的穹頂結構在設計施工中。
結構原理：單層鋼網殼、雙層鋼網殼、集成木材網殼、充氣穹頂及各種構件與膜的組合形式等。
跨度：最已經作到圓形平面直徑為222m的建筑。
矢高比：1/2～1/7，常用1/3～1/5。
1） 攀達穹頂
攀達穹頂結構是日本川口衛教授針對跨度穹頂的施工而提出的專利結構體系。它把 穹頂結構的環向作用和徑向作用分解開，撤去部分環向構件，使其成為僅有一維自由度的結構，從而可以將結構整體折疊，在接近地面的高度進行拼裝，然后把折疊的穹頂頂升到預定高度，再加上撤去的環向桿件，穹頂即告完成。
1999年完工的奈良會堂2000年將要開工的集散煤穹頂使攀達穹頂結構體系又有了新的發展。特別是集散煤穹頂，它首次把攀達穹頂用于一個建筑群中，成功地解決了鉸鏈組共同工作的問題。 攀達穹頂的結構及燈光、音響、通風管道等設施均可在接近地面的高度安裝，避免高空作業，提高了施工安全性，便于監理檢查，可較好保證安裝精度；體系僅有豎向自由度，施工過程中也可以抵抗風及地震力的作用；可以提高施工速度，降低工程造價。
跨度：已建成的實例中，從60m到180m
高度：30m到60m
造型：穹窿狀、棱錐形、某種特殊的施工態
2） 弦支穹頂
把張拉整體的概念用于與單層網殼結構的雜交組合中，形成剛性的上弦層，中間為相 互獨立的撐桿，下弦為張拉整體的連續受拉單元，就得到弦支穹頂結構。其原理可以理解為張拉整體加固的單層網殼結構，也可以認為是用剛性層取代張拉整體的柔性上弦。
弦支穹頂比單層網殼的穩定性高；對邊界的約束要求低；剛度，可提高結構跨度；層面材料用剛性或柔性均可；具有穹頂結構的優勢。
跨度：已建到了90m
高度：矢高取跨度的1/3到1/5
造型：穹窿狀、橢球狀及坡形層頂
膜結構
膜結構主要分為充氣膜及張拉膜兩種。
充氣膜結構是由一定壓力的空氣支承的膜結構，其中還分氣承式和氣脹式兩類，區分的標準是結構工作機理和氣壓小的不同。因為充氣膜結構利用了空氣這種唯一免費的建筑材料，而且受壓的空氣沒有屈曲的問題，結構有相當的優勢。但是，從維護的角度上看有不利的一面，就是充氣膜需要經常的鼓風充氣以保證一定的內壓。氣承式膜結構傳力效率高，因此只需要較低的內氣壓，但需要室內密閉，這要通過設置空氣前室或旋轉門來實現。氣脹式膜結構需要較高的內氣壓，比如800～1000mm水柱，是氣承式膜結構中氣壓的數十倍，但室內不需要密閉，人們可自由進出。
張拉膜結構不需要氣壓，但對膜的裁剪有很高的要求，不精確的裁剪經常導致皺褶的出現。從造型上看，充氣膜結構常是穹窿狀或者某種變化形式甚至小型單元的組合，張拉膜的變化則可以多種多樣。 到目前為止，世界上最的氣脹式膜結構仍是川口衛設計的富士館，最的氣承式膜結構是東京穹頂。覆蓋單體建筑面積最的張拉膜結構是世紀穹頂，其圓形底面的直徑為320m。結構中無柱支承的最的張拉膜結構是用于張拉整體結構的覆蓋層上，比如喬治亞穹頂，跨度達到200m的數量級。
把膜結構僅用做層面材料的工程也很多，特別是在寒冷地區。在雙層膜材料間送熱風是處理雪地區屋面化雪的常用手段之一。
開合結構
開合結構指屋頂結構可以開啟和關閉的結構體系。在開合結構的使用中，人們已充分領略到這種結構的優越性：當出現風、雨或雪的天侯時，將屋蓋關閉，享受一種溫馨與熱烈；當風和日麗的時候，將屋蓋打開，可充分享受自然。
開合結構開啟或關閉所需的時間一為10～30min，開合效率以透光率評價。 日本已成為具有開合結構最多的國家之一，小共有幾百座。不僅如此，許多民宅的空間也采用了開啟的屋頂結構。
日本的公司在與加拿人合作建成了加拿的多倫多天空穹頂（直徑203m）之后，很快在福崗建成了更的可開啟福崗穹頂，直徑達到222m。連同水上世界的宮崎穹頂等，日本的型開啟穹頂已有十幾座。值得一提的是，一向追求高新技術的日本，卻在最新建的小松開啟穹頂中，采用了更簡捷的技術。
開合的方式主要有三種，水平移動、旋轉及疊合。水平移動的方式最簡捷，容易控制；旋轉開合經常伴隨有水平的二次運動；疊合的種類較多，有上下移動方式，有水平移動的折疊，還有包括前兩種運動方式的連動開合方式。 開啟穹頂的技術是建筑結構、機械及自動化三者結合的題目。一方面，日本仍在花量人力物力研究更新更好的開啟體系，如前田工業就新提出了軌道折疊式開啟屋頂，還準備采用太陽工業的新技術連同屋面膜一同折疊開啟。另一方面，小松穹頂卻采用了機械關閉，僅靠自重開啟的結構體系，這種簡捷的技術手段克服了許多高科技帶來的復雜、非人控環節，值得我國建筑師及結構工程師借鑒。
透明建筑
透明建筑的結構含義就是用玻璃作為主要結構構件的建筑。早在半世紀前就開始了玻璃幕墻的建筑嘗試?，F在，用較的結構來支承的玻璃幕已不能滿足人們的需要。
東京會議中心的建成在日本引起了轟動，不僅僅因為其獨特的船體造型，更主要的是玻璃成為主要結構構件，玻璃+索+桿的結構體系不僅使東京會議中心室內外一體化，而且白天采用自然光，晚上的燈光效果更成為一種地標象征。由于玻璃的脆性、易碎及低受彎強度，玻璃建筑的關鍵就成為結構工程師的工作，日本已有一些關于玻璃+索桿結構的專利申請。
玻璃材料的性能已有相當的改善，如在抗沖擊破碎方面。玻璃板作為結構受壓構件已較多，玻璃的其它截面形式值得研究。
樹狀結構
顧名思義，樹狀結構為形狀像樹木構造的結構，像仿生學得到的其它結構一樣，樹木具有強的生命力，樹狀結構的開發研究也應有相應的價值。德國在樹狀結構的研究上起步較早，已有像斯圖加特機場后機廳這樣規模的工程，日本目前樹狀結構的研究僅在形態學分析及靜力性能的研究階段上。
索的新結構體系 索做為一種結構單元，不僅最富于變化，也具有活力，因此是最有生命力的結構形式之一。特別在超跨度的結構中，如懸索和斜拉結構，索將扮演更為重要的角色。 近來日本發展了兩種特色的索結構形式，一種是索與梁、拱、殼等的組合（雜交）結構，另一種是從桁架（平面的或空間的）發展而來，用拉索取代桁架結構中的拉桿，并對新結構施加預壓應力使拉索在任何荷載下都不松弛，再將部分多余桿件取掉后，就成為所謂的不完整桁架結構，以上兩種新索結構體系均有工程應用。
不完整桁架結構可以最限度地發揮材料優勢，受壓上弦可用混凝土、石材等做成，下弦用高強度鋼索；僅保留必須的部分腹桿單元；整個結構體系達到了少一根桿不行，多一個單元就多余的結構境界，因此，工程造價可降低至一種極限狀態。
