国内外大跨度屋盖建筑设计分析

国内外大跨度屋盖建筑设计分析 来源：中国建设报2013年5月17日【233网校：中国教育考试第一门户】
雷里体育馆

1953年建成的美国雷里体育馆是由美国结构工程师塞弗德和建筑师诺威基所设计的一个鞍型正交索网结构。其平面近似圆形，尺寸为91.5米×91.5米，索网支承在一对与地面成20°倾角的抛物线拱上，两抛物线拱脚由设置预应力混凝土拉杆的倒置V形架支承。斜拱的周边以间距2.4米的钢柱支承，立柱兼作门窗的竖框，形成了以竖向分割为主、节奏感很强的建筑造型。该结构受力明确，充分发挥了索拱的材料强度，索的拉力转化为拱承受的压力传递给基础，又因拱脚设置预应力拉杆大大减小了推力，使得基础较小，施工方便。整个建筑屋盖自重不到30千克/平方米，建筑造价除基础外仅为141.5美元/平方米。

雷里体育馆被认为是世界上第一座优秀的现代大跨度索网屋盖结构，这一别具特色的新型结构对传统建筑结构的设计理念产生了深远的影响，随后，悬索结构如雨后春笋般地出现在欧洲、美洲、前苏联、日本和中国等国家。

蒙特利尔世博会德国馆

1967年加拿大蒙特利尔世博会的德国馆是由德国建筑师佛赖·奥所设计的索膜结构。其所呈现的不规则平面沿着湖边蜿蜒变化的建筑外观，在结构上是由预应力双曲型索网挂在不同斜度和高度的桅杆上，并将轻质透明的有机织物片作为屋面围护结构连接于索网上来实现的，预应力提供了索网形状稳定性和抵抗外部效应的刚度。该建筑物覆盖面积达到8000平方米，屋顶仅重150吨，其重量是普通屋面的1/3～1/5，用钢指标约18.8千克/平方米。

德国大帐篷是一个被公认为最早的、真正意义上的现代索膜结构体系，它在建筑、结构和景观上实现了良好的融合，无论是对建筑还是结构都极具创新价值。建筑师佛赖·奥托所用的词汇中，经常出现的就是“自然”，其设计理念的出发点就是从保护并利用地球上有限资源的观点出发，必须开发出以最低限度的材料可传递最大限度外力的新型建筑——轻型结构物。

上海体育馆

1975年建成的上海体育馆采用三向平板型网架结构。它是用9000多根无缝钢管和938只钢球焊接而成的焊接空心球网架结构，直径达110米，挑檐7.5米，是当前我国圆形平面跨度最大的网架结构。由于结构杆件主要承受轴力，受力合理，用钢指标仅为49千克/平方米。

上海体育馆是早期网架结构的杰出代表，它与同时期其他一些网架结构的成功建造使得这种结构体系的空间工作性能好、抗震性能好、用钢指标省、施工技术成熟方便等优势在大跨度屋盖结构中显现出来。20世纪80年代以来网架结构在我国得到了迅猛发展，应用范围遍及体育建筑、公共建筑、工业厂房以及飞机维修库等，使我国网架结构的覆盖面积达到世界第一，在设计、制作和安装技术等方面处于世界先进行列。

佐治亚穹顶

1996年亚特兰大奥运会主场馆——佐治亚穹顶是由美国工程师列维等设计的一个双曲抛物型的索穹顶。其平面呈椭圆形，尺寸为240.79米×192.02米，由联方型索网、三道环索、桅杆及中央桁架组成，整个结构只有156个节点，分别在78根桅杆的两端。这种索穹顶结构由连续的拉索和不连续的压杆组成，实现了富勒关于“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”的思想，由于材料强度得到了最充分的发挥，结构受力合理，效率极高，其用钢指标不到30千克/平方米。

这个目前世界上最大的张拉结构体系体育馆被评为1992年全美最佳设计。索穹顶结构的发展是轻型空间结构的一大突破，它在结构设计上的一个突出优势就是随着跨度的增加，而结构用钢指标的增加并不明显，因而在大跨度建筑中极具应用前景。

名古屋体育馆

1997年建成的日本名古屋体育馆是当前世界上跨度最大的单层网壳结构。该体育馆建筑直径达229.6米，结构直径达187.2米。结构采用以钢管构成的三向网格，每个节点上都有6根杆件相交，采用直径为1.45米的加肋圆环，钢管杆件与圆环焊接，成为能承受轴向力与弯矩的刚性节点。为了减小高空作业、提高焊接质量和缩短建设周期，结构施工时采用了整体提升的方法将重1.3万吨的屋盖提升到位，仅30个月的时间便施工完毕。如果建筑面积按照球壳表面积计算，钢材与装饰材料等加在一起，重量约为300千克/平方米。该体育馆单层网壳的结构形式，不仅在建筑功能上满足了室内棒球运动至少60米高度限值的要求，而且屋顶厚度的减小和较少的结构构件使得建造费用得以降低。另外，该体育馆还充分有效地利用水资源，是日本众多设置雨水利用装置的大型建筑物中规模最大的一个，每年收集利用的雨水达3.6万立方米，通过管道送到地下储水库。

由于罗马尼亚布加勒斯特穹顶的单层网壳（直径93.5米）在1961年的一次暴风雪后出现过倒塌事故，大跨度的单层网壳一直被视为禁区，而名古屋穹顶之所以获得突破性的进展是与科研工作分不开的，在设计中曾对各种荷载情况以及抗震、稳定与施工过程中的缺陷进行了具体的分析和研究。

福冈体育馆

1993年建成的日本福冈体育馆是日本建造的第一座超大型开合式屋盖结构的体育场。整个体育场呈圆形，建筑直径达222米，结构直径达212米，表面覆有3毫米厚的金属钛层。球形屋盖由3块可旋转的扇形网壳组成，最下面1片固定，中间及上面两片可沿着外侧圆形轨道移动，开合方式为回转重叠式，可使穹顶形成全封闭、半开敞和全开敞3种状态。为防止强震时屋顶的相互碰撞和滑动，结构还安装了振动控制阻尼器。结构用钢指标约为200千克/平方米。

开启结构具有回归自然和多功能综合利用的特点，其目的是为了创造更适合人们需要的环境并节约能源降低整个建筑的造价，产生了非常好的社会经济效果，引起了国际体育界的广泛关注。

从上述国内外高层建筑、大跨度建筑中可以看出，他们的优秀之处在于以下3点：

第一，实现了在环境布局和治理、建筑空间和形式、结构体系和材料、构筑方法和效益之间的协调一致，实现了建筑与结构的高度融合。

第二，这些建筑物结构体系的创新促使了一种新体系的大面积推广和应用。

第三，结构体系的高效使得用钢指标大幅度减小，取得了良好的经济效益。因此可以说，先进合理的结构创新带来了建筑美学与经济效益的双丰收。

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来源:考试大-结构工程师考试

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