關(guān)于多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

趙　宇

(山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西太原　030006)

關(guān)于多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

趙宇

(山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西太原030006)

摘要:采用文獻(xiàn)資料法和描述性研究法，以多層大跨超長(zhǎng)混合建筑為研究對(duì)象，闡述了大跨空間結(jié)構(gòu)的具體分類方法，探討了多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要的設(shè)計(jì)方式，為多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了思路。

關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大跨空間

0　引言

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)建筑本身而言具有極為重要的意義和價(jià)值。分析和研究各類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本目的是應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益最高的創(chuàng)作手法，確保建筑結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)作用和功能在預(yù)定期限內(nèi)能夠達(dá)到并保持最佳狀態(tài)。建筑技術(shù)的日新月異和建筑經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得多層大跨度建筑結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出越來(lái)越多的種類。故而，多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探究顯得尤為重要。

1　大跨空間混合結(jié)構(gòu)的分類

大跨空間混合結(jié)構(gòu)在不同研究方向下有著不同的劃分方式。按照大跨空間混合結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行分類，可將其詳細(xì)地分為木質(zhì)材料結(jié)構(gòu)、鋼筋材料結(jié)構(gòu)、鋁合金材料結(jié)構(gòu)以及多種材料綜合的復(fù)合型材料結(jié)構(gòu)等。而按照大跨空間混合結(jié)構(gòu)的布置進(jìn)行分類，又可以分為空間結(jié)構(gòu)與平面結(jié)構(gòu)兩種。其中，平面結(jié)構(gòu)在主要構(gòu)件平面上集中體現(xiàn)了外部的荷載作用和內(nèi)部的支座反力，而空間結(jié)構(gòu)則是在三維空間的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)外荷作用的接收和釋放。按照大跨空間混合結(jié)構(gòu)的形態(tài)來(lái)分類，則可以分為面系結(jié)構(gòu)、骨架結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)等。這三種結(jié)構(gòu)在形態(tài)上的不同都可以根據(jù)混合結(jié)構(gòu)截面的尺寸大小進(jìn)行區(qū)別和分辨。

除上述三種主要分類方式以外，近幾年還興起另外兩種按照大跨空間混合結(jié)構(gòu)在力上的改向差異而劃分的新型混合結(jié)構(gòu)，即剛性混合結(jié)構(gòu)和剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)。剛性混合結(jié)構(gòu)的構(gòu)成部件主要由梁?jiǎn)卧w系、拱單元體系和桿單元體系三者混合構(gòu)成(或是三者中的任意兩者混合構(gòu)成)。作為混合結(jié)構(gòu)中最具代表性的剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)則主要通過(guò)協(xié)調(diào)融合剛性結(jié)構(gòu)中特有的抗彎曲能力、柔性結(jié)構(gòu)中特有的抗拉伸能力等綜合性的能力，進(jìn)而有效提升大跨空間整體性混合結(jié)構(gòu)的性能和功效。近年來(lái)的研究文獻(xiàn)和相關(guān)資料中已經(jīng)對(duì)新型剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了科學(xué)合理的劃分，將其分為混合加勁體系、混合張拉體系、混合型吊掛體系和半剛性懸掛體系四種大跨空間混合結(jié)構(gòu)類型。

然而，不管是哪種分類，亦或哪種類型的大跨混合結(jié)構(gòu)，在多層大跨超長(zhǎng)混合建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都需要綜合應(yīng)用不同的受力構(gòu)件。將形態(tài)不同和功效不同的構(gòu)件聯(lián)合起來(lái)，使之成為一個(gè)統(tǒng)一和諧的整體。一般情況下，大跨空間的混合機(jī)構(gòu)內(nèi)部至少會(huì)存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的結(jié)構(gòu)體系，每一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都必須保證傳力和受力的平衡，并且實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間的相互協(xié)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)體系的平衡。只有這樣才能有效確保多層大跨超長(zhǎng)混合建筑在力學(xué)傳導(dǎo)上的穩(wěn)定性和安全性。

2　多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)作方式

2.1并列式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)作手法

多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的并列( Combination)指的往往是多親子結(jié)構(gòu)或雙親子結(jié)構(gòu)都非常完整和齊全的一種受力機(jī)制類型形態(tài)?；旌辖ㄖY(jié)構(gòu)在這種受力作用下，子結(jié)構(gòu)之間的力傳遞會(huì)遵循各自結(jié)構(gòu)特點(diǎn)獨(dú)立完成荷載的接收、力的傳遞與負(fù)荷的釋放等，進(jìn)而在優(yōu)勢(shì)上取長(zhǎng)補(bǔ)短、協(xié)調(diào)互補(bǔ)。多層大跨超長(zhǎng)混合建筑并列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中多親子結(jié)構(gòu)或雙親子結(jié)構(gòu)之間跨越的距離很近，支點(diǎn)位置基本上大致相同。

根據(jù)混合建筑結(jié)構(gòu)提供彈性支點(diǎn)的不同方式進(jìn)行劃分，可以將多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的并列創(chuàng)作手法分為支撐式并列和吊掛式并列兩種。兩種并列的創(chuàng)作手段在彈性支點(diǎn)供力方式上的具體差異如圖1所示。

圖1　多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的兩種并列創(chuàng)作手段

從圖1可以看出，支撐式并列指的是“子結(jié)構(gòu)(一)”以下部支撐方式為“子結(jié)構(gòu)(二)”提供彈性支點(diǎn)。多親子結(jié)構(gòu)和雙親子結(jié)構(gòu)及其連接構(gòu)件均為剛性實(shí)體，依據(jù)子結(jié)構(gòu)相互之間的審美目的和功能需求決定子結(jié)構(gòu)間的關(guān)系是平行還是垂直。考慮到多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在形態(tài)上和力流上的雙重要求，通常情況下設(shè)計(jì)師會(huì)利用拱單元體系的結(jié)構(gòu)為其他單元體系結(jié)構(gòu)類型提供多個(gè)彈性支點(diǎn)。這種支撐式并列的創(chuàng)作手段因其自身良好的力學(xué)指標(biāo)和跨越能力而受到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的廣泛喜愛(ài)。

另一方面，吊掛式并列是一種將支撐式并列的創(chuàng)作手段直接翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的創(chuàng)作手段。除供力方式不同之外，其向“子結(jié)構(gòu)(二)”提供多個(gè)彈性支點(diǎn)的“子結(jié)構(gòu)(一)”也不再是剛性實(shí)體，而是極具柔軟性的實(shí)體。由于懸掛體本身是一個(gè)單點(diǎn)質(zhì)量塊，且具有一定的尺度結(jié)構(gòu)。所以，大多數(shù)時(shí)候可以直接將整個(gè)混合吊掛體系看作由吊掛式并列方式構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)整體。

和支撐式并列的創(chuàng)作方式相比，吊掛式并列的承載體系形式更加靈活多變，比如鋼拱承載體系、鋼柱承載體系、桁架承載體系和混凝土塔柱的承載體系等;吊掛式并列的形式也有懸掛和斜拉這兩種類別;斜拉型的吊掛式并列還下設(shè)有五種不同的斜拉形式。吊掛式并列方式中多種多樣的創(chuàng)作形式使得多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的造型手段豐富多樣。

2.2連接式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)作手法

連接式結(jié)構(gòu)是多親子結(jié)構(gòu)或雙親子結(jié)構(gòu)在形態(tài)結(jié)構(gòu)和受力機(jī)制保持不變的情況下，根據(jù)結(jié)構(gòu)中各個(gè)段落的受力特點(diǎn)，以及不同力學(xué)要求，而選取不同連接方式。

例如，利用截面或向量作用下結(jié)構(gòu)體系的懸臂式特點(diǎn)，或者膜形態(tài)作用下結(jié)構(gòu)體系的輕質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行連接，并從中產(chǎn)生和創(chuàng)作出不同于傳統(tǒng)混合結(jié)構(gòu)的全新形態(tài)。在眾多的連接方式中，多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有兩種連接手段，分別是單側(cè)懸臂式連接和雙側(cè)支點(diǎn)式連接。兩種連接的差異如圖2所示。

圖2　多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的兩種連接創(chuàng)作手段

從圖2可以看出，單側(cè)懸臂式連接為多層大跨超長(zhǎng)混合建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種全新思路。首先根據(jù)各個(gè)段落的不用力學(xué)要求，對(duì)結(jié)構(gòu)中起作用的長(zhǎng)度進(jìn)行比對(duì)，從而選用不同類型的單側(cè)懸臂式連接體系，以此強(qiáng)化結(jié)構(gòu)體系控制力的可行性與合理性，發(fā)揮出單側(cè)懸臂式連接在多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的最大潛力。單側(cè)懸臂式連接對(duì)力流的控制精準(zhǔn)度較高，不僅連接形式較為豐富，且對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的嫁接關(guān)系處理也很容易形成建筑物的視覺(jué)焦點(diǎn)。

雙側(cè)支點(diǎn)式連接和單側(cè)懸臂式連接最大的不同是在多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所不同。這一創(chuàng)作手段的發(fā)展具有相對(duì)比較長(zhǎng)的歷史，最早可以追溯到介于連續(xù)梁模式和懸臂梁模式之間的格貝梁模式。在多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)的形態(tài)和功能愈發(fā)繁瑣和復(fù)雜的情況下，雙側(cè)支點(diǎn)式連接已經(jīng)成為混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系中一種相當(dāng)常見(jiàn)的創(chuàng)作手段。最典型的一種雙側(cè)支點(diǎn)式連接方式是為了滿足多層大跨超長(zhǎng)混合建筑在造型和功能上的需求，而在整體結(jié)構(gòu)中的某一段落選擇和提取出可以承載這些需求的其他類型子結(jié)構(gòu)。例如，日本下關(guān)市唐戶市場(chǎng)和大阪著名的游泳館都是采用這種創(chuàng)作手段來(lái)進(jìn)行混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3疊合式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)作手法

多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的疊合( Superposition)指的是多親子或雙親子不同的結(jié)構(gòu)類型，以平行或交叉方式放置在整個(gè)起作用的區(qū)域，利用共同執(zhí)行力的改向作用而形成的一種設(shè)計(jì)方法。這種多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)作手段可以在最大程度上發(fā)揮出不同結(jié)構(gòu)類型的力學(xué)優(yōu)勢(shì)。即便在混合建筑中的多親子結(jié)構(gòu)或雙親子結(jié)構(gòu)保留著原有的類型形態(tài)和受力機(jī)制，混合建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部力量的分布也會(huì)參照各個(gè)子結(jié)構(gòu)在受力特點(diǎn)上的差異進(jìn)行科學(xué)合理的配比，通過(guò)使不同的子結(jié)構(gòu)承擔(dān)起不同的傳力機(jī)制以達(dá)到優(yōu)化體系的目的。根據(jù)疊合式創(chuàng)作手段在多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中布置方式和坐標(biāo)方向上的不同，可以將其分為平行式疊合和交叉式疊合這兩種創(chuàng)造方式。兩種疊合式創(chuàng)作手段的具體受力如圖3所示。

圖3　多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的兩種疊合創(chuàng)作手段

從圖3可以看出，平行式疊合指的是混合建筑的多親子結(jié)構(gòu)或雙親子結(jié)構(gòu)在坐標(biāo)方式上保持一致，并且利用不同結(jié)構(gòu)類型的受力特點(diǎn)承擔(dān)不同屬性結(jié)構(gòu)應(yīng)力的一種設(shè)計(jì)方式。比如，將具有相反撓曲性質(zhì)的“子結(jié)構(gòu)(一)”和“子結(jié)構(gòu)(二)”進(jìn)行重疊混合，“子結(jié)構(gòu)(一)”因疊合而發(fā)生的變形會(huì)被“子結(jié)構(gòu)(二)”的變形所阻止或壓制，以此對(duì)混合建筑的結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)施主動(dòng)性的控制和管理。

交叉式疊合則是指混合建筑的多親子結(jié)構(gòu)或雙親子結(jié)構(gòu)不在同一個(gè)坐標(biāo)方式上，而是以交叉式疊合造型所獨(dú)有的受力特點(diǎn)承擔(dān)不同屬性結(jié)構(gòu)應(yīng)力的一種設(shè)計(jì)方式。這種設(shè)計(jì)方式的主要優(yōu)勢(shì)就在于通過(guò)更為復(fù)雜的交叉形態(tài)將多層大跨超長(zhǎng)混合建筑的結(jié)構(gòu)變成一個(gè)更加有機(jī)整合的受力整體。

3　結(jié)語(yǔ)

多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程主要包括了建筑概念、系統(tǒng)優(yōu)化、智能評(píng)估和建造，無(wú)論哪一設(shè)計(jì)流程中都要綜合參考并列、連接和疊合等多種創(chuàng)作手法的適用性和實(shí)用性進(jìn)行多層大跨超長(zhǎng)混合建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另一方面，多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更能彰顯建筑物的時(shí)代特征，突出顯著優(yōu)勢(shì)。因此，多層大跨超長(zhǎng)混合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)和審美提高的重要方法之一。

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Exploration on multilayer large-span super-long mixed building structure design

Zhao Yu
( Shanxi Coal Construction Supervision Limited Company，Taiyuan 030006，China)

Abstract:Using the literature material method and description research method，taking the multilayer large-span super-long mixed building as the research object，this paper elaborated the specific classification methods of large-span spatial structures，discussed the main design ways in multilayer large-span super-long building structure design process，provided thought for multilayer large-span super-long mixed building structure design.

Key words:building structure，structure design，large-span space

作者簡(jiǎn)介:趙宇(1985-)，男，工程師

收稿日期:2015-11-24

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0036-02

中圖分類號(hào):TU318

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A