大跨度建筑结构选型中关键因素研究

摘要：
大跨度结构是近年来在全世界越来越风行的新型结构，它发展迅速，应用广泛。本文在介绍了大跨度的基本信息后，主要研究的是大跨度建筑结构选型的两方面关键要素——基本要素和深入研究要素。从这两方面仔细分析结构选型的重要切入点与选择理由。
基本要素主要是各种大跨度的表面比较浅显的特点与它所对应的建筑功能因素，是结构选型的基础。深入因素是进一步完善选型的更近一步研究，只有两者都深入了解了，才能真正理解大跨度建筑结构选型的要点，做到建筑与结构的和谐统一。
关键词：大跨度 结构选型 影响因素 美观 经济 合理

引言
大跨空间结构近年来在全球发展迅速，结构形式丰富多样，技术水平也在不断提高。我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，近年来也取得了比较迅猛的发展，并且国内也开展了大跨度空间结构的一系列具有较高学术价值的研究工作。
大跨度结构属于空间结构，所谓空间结构，其形状呈空间状，并同时具有三维受力特性，所以大跨度结构通常是比较复杂而多样的。但是，空间结构往往比平面结构更美观、经济和高效，更能满足人类不断追求改善与扩充其生活空间的要求。于是空间结构建造及其所采用的技术往往反映了一个国家建筑技术的水平，一些规模宏大、形式新颖、技术先进的大型空间结构也成为一个国家经济实力与建筑技术水平的重要标志。
凡此种种都决定了大跨度结构选型工作是很重要并且与国家发展息息相关的。而大跨度结构选型的不仅仅是要了解各种结构的分类及特点，仔细把握相关结构选型的关键因素，并且能使各因素协调统一，达成最佳方案才是最重要的。
大跨度结构
在建筑结构上来说，大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑。民用建筑中主要用于影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑，而工业建筑中则主要用于飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房。
大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩，通常将空间结构按形式分为五大类，它们特点应用各有特点，我以表格的方式对它们进行了总结与对比：

名称从上述表格中我们能看到各种结构不同的优势与劣势，只有将它们合理的运用起来，才能达到技术与艺术都最合适的结构选择，甚至创造出完美的建筑。
大跨度选型基本因素
大跨度建筑迅速发展的原因一方面是由于社会发展使建筑功能愈来愈复杂，需要建造高大的建筑空间来满足群众集会、举行大型的文艺体育表演、举办盛大的各种博览会等；另一方面则是新材料、新结构、新技术的出现，促进了大跨度建筑的进步。所以大跨度结构得发展是在结构受力合理，造型美观等诸多因素的限制下发展起来的。
而大跨空间结构选型是在建筑方案有关特征参数（如地点、位置、规模、高度、跨度、平立面形状、功能空间的大小分布等）初步确定以后或确定过程中， 在建筑结构施工图设计之前与建筑方案扩出阶段交叉进行的一项决策工作。
经过课程学习和一系列的文献的阅读，在综合了以上大跨度结构的介绍及分析，最根本的选型基础更肯定是上述表格，建筑物的功能要求才是是建筑物设计中应考虑的首要因素，功能要求包括使用空间要求、使用要求以及美观要求，考虑结构选型时应满足这些功能要求。其中使用空间要求和使用要求即为上图中的物质功能，而美观要求即为精神功能。
所选择的结构形式的剖面形式应与建筑物使用空间的要求相适应，尽可能减小结构体系本身所占的空间高度，建筑的声学条件与结构的合理几何形体相结合，采光照明与结构的合理几何图形相结合，排水与结构的合理几何图形相结合。不同的使用功能要求不同的建筑空间，处理好建筑功能和建筑空间的关系，并选择合理的结构体系，自然形成建筑的外形。
综述，根据专家及工程经验最终总结出了大跨度建筑结构的基本因素中主要包括了平面空间形体、采光及通风、保温及隔热、与环境协调等。
大跨度选型深入研究因素
在满足了基本的建筑功能后，我们仍然会面临着很多的结构选择，这是因为经过单纯建筑功能的选型是不够精准的，是仍然有很大的进步空间的。
我认为在这之后的选型才是现代建筑结构选型的关键之处，它可以将结构更完美化理想化。我将大跨度结构选型的其余的关键性因素主要分为了五点：造型美观，实用耐久，结构轻巧，受力合理，安装简便。下面我们一一研究。
1.造型美观
作为一名建筑学的学生，我把造型美观排在了第一位，因为这往往是我们在结构选型中最关心的问题。现在的大跨度建筑结构在造型上呈现出一种多远的状态，直面，曲面，不规则面应有尽有，让不了解的人眼花缭乱。虽然复杂缭绕，但是大跨度建筑的造型审美还是有依据可循的。
首先，将大尺度的结构部分在造型上感性的感性的呈现出来。
在旧时代，也有一些大跨度的建筑，例如古罗马的万神庙的大穹顶，但是在那个时代，大跨度建筑结构往往都在立面上被弱化了，没有发挥出真正的造型价值。但是现在人们早就意识到，在大跨度建筑中，其大跨部分的外部造型不应只是简单地视为内部结构和空间的自然结果。由于人类对大尺度的事物有着本能的敬畏，在大跨度建筑的巨大体量面前，人感受到自己的渺小，同时感动于人类力量的伟大。大跨度建筑具有摄人心魄的力量，它带有崇高感的审美价值，要求其主体部分应以感性的方式充分地呈现出来。悉尼歌剧院是一个充分展现了大跨度结构的造型魅力而获得成功的实例。
其次，简洁是种美。
虽然结构体系和结构构件的设计都是建立在严格的受力计算基础之上的，但是着并不意味着建筑造型也要严格复杂而拘谨，美观的大跨度建筑设计作品也应在充分体现了结构形态的理性美的简洁大方。例如我们的水立方，身为极其复杂的膜结构大跨度建筑的代表，虽然力学计算复杂，建造也耗尽心思，但是它整体上有一种简洁的美，整体感强烈。
最后，新旧结合，创新常在，尝试仿生学。
建筑审美，在一定程度上是先验的，并不依赖于个体的主观感受而存在。然而审美价值还有依赖于人类经验的一面，它反映审美的社会属性与个体经验的差异。大跨度建筑的审美意象经常表达的语义内容有两类，一是，表达从自然界获得启示，用仿生方式进行演绎；二是，用再现并创新的审美“原型”的方式传承地域文化。建筑师也认同：自然形态的美是合规律性与合目的性统一的典范。自然界也有许许多多令人惊叹的空间结构，如蛋壳、海螺等是薄壳结构；蜂窝是空间网格结构；肥皂泡是充气膜结构：蜘蛛网是索网结构；棕榈树叶是折板结构等等。因此，从某种意义上来说，空间结构是一种仿生结构，它们比平面结构更美观、经济和高效。
所以，我们的目标是把结构的型式与建筑的空间艺术形象融合起来，即结构本身富有美学表现力。自然界才是是创作的源泉。大跨度建筑在结构形式上的探索是多方面的，然而其基本原则是从结构的力学特征出发，从几何学、仿生学和自然界中寻找启示。鸟巢就是自然形态美与钢结构的完美结合。
2.实用耐久
结构的使用耐久是一项既基本又有着很高要求的因素。本文认为实用耐久可主要分为一下二个方面：
一．与建筑造型结合紧密有序合理，没有不必要的花俏结构。
所选择的结构形式的剖面形式应与建筑物使用空间的要求相适应，尽可能减小结构体系本身所占的空间高度，建筑的声学条件与结构的合理几何形体相结合，采光照明与结构的合理几何图形相结合，排水与结构的合理几何图形相结合。不同的使用功能要求不同的建筑空间，处理好建筑功能和建筑空间的关系。做到结构的真正实用，好用。
二．对自然因素要有良好的抵御能力，例如台风，地震，火灾等。这点要求了结构的稳定性与各种抗性。我国曾经发生过很多建筑不合格的悲剧，楼歪歪楼倒倒之流尚且不算，作为大跨度建筑的桥梁也是频频出现问题。钢结构的刚度强度都很好，但是防火是个比较严重的问题，所以为了追求大跨度建筑的耐久，要从结构和材料两方面入手。
3.结构轻巧
这一点主要是由大跨度结构本身的特性及建筑材料所决定的。新型技术和新型材料的运用都有效地使得结构越来越轻巧实用。
从外观上来分析，膜结构最为轻巧，很多膜结构的建筑都有一种轻薄飞翔的动态感。悬索结构多用在桥梁上，也看起来比较飘逸而有韵律。但是相比之下，网壳薄壳相网架结构则略显古老而呆板而厚实。
从材料上来研究，它们几乎都是钢结构，用钢量小的就是更为轻巧的。但是这一点不可一概而论,因为每一种结构的用钢量都是根据不同方案而具体设置的，所以，某种程度上来说，轻巧在表面上只是给人的一种视觉感官，在结构上是一种经济合理。
4.受力合理
大跨结构形式很多，如拱、悬索、薄壳等等。组成结构的材料有钢、木、砖、石、混凝土以及钢筋混凝土等。结构的合理性首先表现在组成这个结构的材料的强度能不能充分发挥作用。随着工程力学理论和建筑材料的发展，结构形式也不断的发展，用最少的材料获得最大的效果是人们一直追求的。应该选择能充分发挥材料性能的结构形式，合理的选用结构材料。
结构形式必须做到受力合理、传力明确，并不是复杂的结构就一定是最优的结构形式，应力求用简单的结构形式实现复杂的建筑外形。而现在对大跨度空间结构体系的公认的看法是，梁式结构体系是受力最差的体系。张拉整体体系—— “连续拉、间断压”和索一膜体系是目前最先进、最经济的体系。
但是更为具体的受力分析显然不是我们建筑学学生所能阐述的清楚的，我们所能做到的就是掌握上表的结构的定义而特点，通过理解来得知结构最基本的受力传力途径，使之合理而有效。
5.安装简便
安装简便是保证大跨度建筑建造速度快，可以尽早投入使用的首要条件。
首先.先进施工技术是实现先进结构型式的前提，如果没有先进的施工技术，想要完成各种先进的结构形式是不可能的。例如：薄壳结构是一种薄壁空间结构，主要承受面内的薄膜内力作用，所以材料强度能得到充分的利用，同时由于它的空间作用，多以具有很高的轻度和很大的刚度。因此可以采用很薄的结构厚度来建造大跨度结构，自重轻、材料省。但在施工方面，如采用现浇的施工方法来实现薄壳结构有很大的局限性，最大的困难在于曲面模板耗费的工料多，施工速度慢。为了解决此问题，曾一度使用工具式移动模板来进行现浇薄壳施工，但此种施工方法只适用结构形式及断面尺寸不变的筒壳结构，有很大局限性。而装配式薄壳结构发展扫平了道路。