大跨度

大跨度建筑

摘要：

大跨的發(fā)展日趨成熟，形式多樣，實(shí)用性強(qiáng)。當(dāng)今建筑的發(fā)展更少不了大跨，大

跨成了一些建筑不可或缺的結(jié)構(gòu)，是他們的靈魂和基礎(chǔ)。那么大跨的形式和結(jié)構(gòu)有哪些，下

面來介紹一下。

關(guān)鍵詞：

大跨度，簡史，結(jié)構(gòu)，形式，優(yōu)缺點(diǎn)，建筑類型。

正文：

大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑，我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范則規(guī)定跨度

60m以上結(jié)構(gòu)為大跨度結(jié)構(gòu)。主要用于民用建筑的影劇院、體育場館、展覽館、大會(huì)

堂、航空港以及其他大型公共建筑。在工業(yè)建筑中則主要用于飛機(jī)裝配車間、飛機(jī)庫

和其他大跨度廠房。

大跨度建筑在古代羅馬已經(jīng)出現(xiàn)，如公元120~124年建成的羅馬萬神廟，呈圓形平面，

穹頂直徑達(dá)43．3m，用天然混凝土澆筑而成，是羅馬穹頂技術(shù)的光輝典范。然而大

跨度建筑真正得到迅速發(fā)展還是在19世紀(jì)后半葉以后，特別是第二次世界大戰(zhàn)后的

最近幾十年中。例如1889年為巴黎世界博覽會(huì)建造的機(jī)械館，跨度達(dá)到115m，采用

三鉸拱鋼結(jié)構(gòu)；目前世界上跨度最大的建筑是美國底特律的韋恩縣體育館，圓形平面，

直徑達(dá)266m，為鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。我國大跨度建筑是在解放后才迅速發(fā)展起來的，20世

紀(jì)70年代建成的上海體育館，圓形平面，直徑110m，鋼平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。我國目前以

鋼索及膜材做成的結(jié)構(gòu)最大跨度已達(dá)到320m。大跨度建筑迅速發(fā)展的原因一方面是

由于社會(huì)發(fā)展使建筑功能愈來愈復(fù)雜，需要建造高大的建筑空間來滿足群眾集會(huì)、舉

行大型的文藝體育表演、舉辦盛大的各種博覽會(huì)等；另一方面則是新材料、新結(jié)構(gòu)、

新技術(shù)的出現(xiàn)，促進(jìn)了大跨度建筑的進(jìn)步。一是需要，二是可能，兩者相輔相成，相

互促進(jìn)，缺一不可。

大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑類型：

一、拱結(jié)構(gòu)及其建筑類型：

拱形結(jié)構(gòu)在承受荷重后除產(chǎn)生重力外還要產(chǎn)生橫向

的推力，為保持穩(wěn)定，這種結(jié)構(gòu)必須要有堅(jiān)實(shí)、寬厚的支

座。例如以筒形拱來形成空間，反映在平面上必須有兩條

互相平行的厚實(shí)的側(cè)墻，拱的跨度越大，支承它的墻則越

厚。很明顯，這必然會(huì)影響空間組合的靈活性。為了克服

這種局限，在長期的實(shí)踐中人們又在單向筒形拱的基礎(chǔ)

上，創(chuàng)造出一種雙向交叉的筒形拱。而之后為了建筑的發(fā)展熱門又創(chuàng)造出了穹隆結(jié)構(gòu)

穹隆結(jié)構(gòu)也是一種古老的大跨度結(jié)構(gòu)形式，早在公元前14世 紀(jì)建造的阿托雷斯寶庫

所運(yùn)用的就是一個(gè)直徑為14.5米的疊澀穹隆。到了羅馬時(shí)代，半球形的穹隆結(jié)構(gòu)已

被廣泛地運(yùn)用于各種類型的建筑，其中最著名的要算潘泰翁神廟。神殿的直徑為43.3

米，其上部覆蓋的是一個(gè)由混凝土做成的穹隆結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點(diǎn)：拱結(jié)構(gòu)是使構(gòu)件擺脫彎曲變形的一種突破性發(fā)展，它為抗壓性能好的材料提供了

一種理想的結(jié)構(gòu)型式。缺點(diǎn)：拱結(jié)構(gòu)的支座（拱腳）會(huì)產(chǎn)生水平推力，跨度大時(shí)這個(gè)推力不

小，要對付這個(gè)推力將是一樁麻煩而又耗費(fèi)材料的事。

二、鋼架結(jié)構(gòu)及其建筑類型：

剛架是橫梁和柱以整體連接方式構(gòu)成的一

種結(jié)構(gòu)。由于梁和柱是剛性結(jié)點(diǎn)，在豎向荷載作

用下柱對梁有約束作用，因而能減少梁的跨中彎

矩。同樣，在水平荷載作用下，梁對柱也有約束

作用，能減少柱內(nèi)的彎矩。鋼材的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、剛度大，故用于建造大跨度建筑。

鋼架結(jié)構(gòu)常用鋼筋混凝土建造，為了節(jié)約材料和減輕結(jié)構(gòu)自重，通常將鋼架做成斷面形式，

主梁相交處彎矩最大，斷面增大，鉸接點(diǎn)處彎矩為零，斷面最小，所以剛加的立柱斷面呈上

大下小。

由于剛架結(jié)構(gòu)受力合理，輕巧美觀，能跨越較大的跨度，制作又方便，因而應(yīng)用非常廣

泛。

三、桁架結(jié)構(gòu)及其建筑類型：

桁架也是一種大跨度結(jié)構(gòu)。在古代，雖然也有用

木材做成各種形式的構(gòu)架作為屋頂結(jié)構(gòu)的，但是

符合力學(xué)原理的新型椼架的出現(xiàn)卻是現(xiàn)代的事。

桁架結(jié)構(gòu)雖然可以跨越較大的空間，但是由于它

自身具有一定的高度，而且上弦一般又呈兩坡后曲線的形式，所以只適合擔(dān)當(dāng)作屋頂結(jié)構(gòu)。

桁架結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中多用作屋頂?shù)某兄亟Y(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑的功能要求、材料供應(yīng)和經(jīng)

濟(jì)的合理性，可設(shè)計(jì)成單坡、雙坡、單跨、多跨等不同的外觀和形狀。

四、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及其建筑類型：

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也是一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)。

它具有剛度大、變形小、應(yīng)力分布均勻、能大

幅度地減輕結(jié)構(gòu)自重和節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)架

結(jié)構(gòu)可以用木材、鋼筋混凝土或鋼材來做，并

且具有多種多樣的形式，使用靈活方便，可適

應(yīng)于多種形式的建筑平面的要求。近來國內(nèi)外許多大跨度公共建筑或工業(yè)建筑均普遍

地采用這種新型的大跨度空間結(jié)構(gòu)來覆蓋巨大的空間。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可分為單層平面網(wǎng)架、單層曲面網(wǎng)架、單層平板網(wǎng)架和雙層穹隆網(wǎng)架等

多種形式。單層平面網(wǎng)架多由兩組互相正交的正方形網(wǎng)格組成，可以正方，也可以斜

放。這種網(wǎng)架比較適合于正方形或接近于正方形的巨型平面建筑。如果把單層平面網(wǎng)

架改變?yōu)榍?/span>-拱或穹隆網(wǎng)架，或可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的剛度并減小構(gòu)件所承受的彎

曲力。從而增大結(jié)構(gòu)的跨度。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是大跨空間結(jié)構(gòu)的一種主要形式。它具有兩個(gè)鮮明的特點(diǎn)：1.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種

具有曲面型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu);2.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兼有桿系結(jié)構(gòu)與薄殼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)和特性。因此，網(wǎng)殼

結(jié)構(gòu)受力合理、覆蓋跨度大，材料耗量低、桿件

比較單一、施工安裝方便，是有廣闊發(fā)展前景的

一類空間結(jié)構(gòu)。

五、折板結(jié)構(gòu)及其建筑類型：

折板結(jié)構(gòu)由折板和橫隔構(gòu)件組成，在波長方

向，折板猶如一塊折疊起伏的鋼筋混凝土連續(xù)板，折板的波峰和波谷處剛度最大，可視為連

續(xù)板的各支點(diǎn)。在跨度方面，折板如同一鋼筋混凝土梁，其強(qiáng)度隨折板的矢高而增加。橫隔

構(gòu)建的作用是將砧板在支座處牢固地結(jié)合在一起，如果沒有它，折板會(huì)坍塌而破壞。橫隔構(gòu)

建可根據(jù)建筑類型需要來設(shè)計(jì)，如鋼筋混凝土橫隔板、橫隔梁等。

折板結(jié)構(gòu)按波長數(shù)目的多少分為單波和多波折板，按照結(jié)構(gòu)跨度的數(shù)目有單跨和多跨之

分，若按結(jié)構(gòu)斷面形式分為三角形折板和梯形折板，若依折板的構(gòu)成情況，又可分為平行折

板和扇形折板，平行折板構(gòu)造簡單，最常用。扇形折板一端的波長較小，另一端的波長較大，

呈放射狀，多用于梯形平面的建筑。

六、薄殼結(jié)構(gòu)及其建筑造型：

一般而言，用輕質(zhì)高強(qiáng)材料做成的結(jié)構(gòu)，若

按強(qiáng)度計(jì)算，其剖面尺寸可以大大地減小，但是

這種結(jié)構(gòu)在荷載的作用下，卻容易因變形而失去穩(wěn)定并最后導(dǎo)致破壞。而殼體結(jié)構(gòu)正

是由于合理的外形，不僅內(nèi)部應(yīng)力分配既合理又均勻，同時(shí)又可以保持極好的穩(wěn)定性，

所以殼體結(jié)構(gòu)盡管厚度極小卻可以覆蓋很大的空間。

殼體結(jié)構(gòu)按其受力情況不同可以分為折板、單曲面殼和雙曲面殼等多種類型。在

實(shí)際應(yīng)用中，殼體結(jié)構(gòu)的形式更是豐富多彩的。例如悉尼歌劇院，其外觀為三組巨大

的殼片，聳立在一南北長186米、東西最寬處為 97米的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基座

上。而殼體結(jié)構(gòu)既可以單獨(dú)使用又可以組合起來使用；既可以用來覆蓋大面積空間，

又可以用來覆蓋中等面積的空間；既適合方形、矩形平面要求，又可以適應(yīng)圓形平面、

三角形平面，及至其他特殊形狀平面的要求

發(fā)展至今已不是單一的薄殼結(jié)構(gòu)，而是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是大跨空間結(jié)構(gòu)的一種

主要形式。它具有兩個(gè)鮮明的特點(diǎn)：1.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種具有曲面型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu);2.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兼

有桿系結(jié)構(gòu)與薄殼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)和特性。因此，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受力合理、覆蓋跨度大，材料耗

量低、桿件比較單一、施工安裝方便，是有廣闊發(fā)展前景的一類空間結(jié)構(gòu)。

七、懸索結(jié)構(gòu)及其建筑類型：

由于鋼的強(qiáng)度很高，很小的截面就能夠承受很大的拉力，因而在本世紀(jì)初就開始

用鋼索來懸吊屋頂結(jié)構(gòu)。懸索在均勻荷載作用

下必然下垂而呈懸鏈曲線的形式，索的兩端不

僅會(huì)產(chǎn)生垂直向下的壓力，而且還會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)

的水平拉力。單向懸索結(jié)構(gòu)為了支承懸索并保

持平衡，必須在索的兩端設(shè)置立柱和斜向拉

索，以分別承受懸索所給予的垂直壓力和水平拉力。單向懸索的穩(wěn)定性很差，特別是

在風(fēng)力的作用下，容易產(chǎn)生振動(dòng)和失穩(wěn)。

為了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力，還可以采用雙層懸索或雙向懸索。雙層懸

索結(jié)構(gòu)平面呈圓形，索分上下兩層，下層索承受屋頂全部荷載，為承重索；上層索起

穩(wěn)定作用，為穩(wěn)定索，上下兩層索均張拉于內(nèi)外兩個(gè)圓環(huán)上而形成整體。這種形式的

懸索結(jié)構(gòu)承重索與穩(wěn)定索具有相反的彎曲方向，這兩種索交織成索網(wǎng)，經(jīng)過預(yù)張拉后

形成整體，具有良好的穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力。

懸索結(jié)構(gòu)除跨度大、自重輕、用料省外還具有平面形式多樣（除可覆蓋一般矩形

平面外還可以覆蓋圓形、橢圓、正方形、菱形乃至其他不規(guī)則平面的空間），使用的

靈活性大、范圍廣；由多變的曲面所形成的內(nèi)部空間既寬大宏偉又富有運(yùn)動(dòng)感；主剖

面呈下凹的曲面形式，曲率平緩，如處理得當(dāng)既能順應(yīng)功能要求又可以大大節(jié)省空間

和空調(diào)費(fèi)用；形式變化多樣，可以為建筑形體和立面處理提供新的可能性。在大跨度

結(jié)構(gòu)建筑選型時(shí)，懸索結(jié)構(gòu)由于沒有繁瑣支撐體系的屋蓋結(jié)構(gòu)選型，所以該種結(jié)構(gòu)是

較為理想的形式。在荷載作用下，懸索結(jié)構(gòu)體系能承受巨大的拉力，因此要求設(shè)置能

承受較大壓力的構(gòu)件與之相平衡。

特點(diǎn)：1.主要承重構(gòu)件是“索”，索網(wǎng)只受軸向拉力，受力簡單；2.索網(wǎng)結(jié)構(gòu)自重小，強(qiáng)

度大，能跨越很大的跨度；3.抵抗水平反力應(yīng)采用合理的支座型式；4.邊緣支座不僅用來抵

抗水平推力，還是索網(wǎng)的邊框，是決定懸索結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

八、膜結(jié)構(gòu)及其建筑類型：

薄膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：制作方便，施工速度快，造

價(jià)經(jīng)濟(jì)，抗震性能好；薄膜材料與傳統(tǒng)屋蓋材料相比，具有透光性；薄膜結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是

易變性，耐久性較差。

索膜建筑從結(jié)構(gòu)方式上簡單地分為：張拉

式、骨架式、充氣式三大類。

張拉式是索膜建筑的精華和代表。張拉式又分

為索網(wǎng)式、脊谷索式。張拉式表現(xiàn)力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)性能好，造價(jià)稍高，施工精度要求高。

骨架式在特定條件下采用。骨架體系自平衡，膜體僅為輔助物，膜體本身的強(qiáng)大結(jié)構(gòu)作用發(fā)

揮不足。骨架式與張拉式結(jié)合使建筑效果富于變化。骨架式造價(jià)低于張拉式。

充氣式索膜建筑歷史長，形象單一，空間要求氣閉，使用功能有明顯的局限性。但充氣式索

膜體系造價(jià)低，施工速度快，在特定條件下有優(yōu)勢。

索膜建筑的靈魂——預(yù)張力。預(yù)張力使“軟殼”各個(gè)部分（索、膜）在各種最不利荷載下的內(nèi)

力始終大于零（永遠(yuǎn)處于拉伸狀態(tài)）。

上面就是對大跨度的一些基本介紹。隨著時(shí)代的發(fā)展，由于大跨的種種優(yōu)點(diǎn)，所以大跨

結(jié)構(gòu)所起的作用會(huì)越來越大。

參考文獻(xiàn)：

建筑構(gòu)造（第四版），重慶大學(xué)劉建榮、翁季主編。

圖片來源：

百度圖片。