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浅谈钢结构在营造大跨度屋顶方面的作用

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    开心
    2021-10-17 15:41
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    [LV.4]偶尔看看III

    发表于 2021-10-13 18:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
      建筑学现代主义有一种美学观点,即希望空间与结构相统一。钢结构的发展为建筑师塑造大跨度、纯几何形态创造了可能性。本文结合钢结构的材料特点与建筑史中大跨度结构的形式,阐述了钢结构在营造大跨度空间,尤其是大跨度屋顶方面的作用及其在实际设计中的应用。
      
        大跨度空间结构发展史
      
        若要讨论钢结构如何营造大跨度屋顶,就要首先了解建筑的大跨度屋顶是如何演变的。随着社会的发展和对空间需求的复杂化,人类很早就开始寻求在结构上营造大跨度空间的方法并仿造洞穴的架构方式建造了砖石拱与穹顶。
      
        公元前14年,建筑史上最早的跨度最大的穹顶建筑——古罗马万神殿(Pantheon,见图1)建成,直径43.5m,净高43.3m,厚跨比为1/11,营造了无与伦比的震撼的空间效果,由此大跨度的、纯粹的空间结构更加激发了建筑师、结构工程师的热忱。
      
      

    图1古罗马万神庙空间效果及结构示意图

      
        公元537年圣索菲亚教堂(见图2)在东罗马帝国建成,主要是用砖砌成的,中央大厅直径41.91m的大穹顶支承在4个18.29m见方的巨大柱墩上,厚跨比为1/15.3。圣索菲亚教堂大跨度空间结构的突破性在于其将一个穹顶的受力传递到更小的穹顶之上,结构上更加合理、稳定。
      

    图2圣索菲亚教堂内部

      
        1851年,首届国际博览会展览馆水晶宫(Crystel Palace,见图3)落成于英国伦敦海德公园,是第一座完全用铁材与玻璃建造而成的建筑。中央大厅采用了空心铸铁柱支撑筒型拱顶的结构,设计师约瑟夫·帕克斯顿创造性地将花房式框架玻璃结构运用到建筑设计之中,水晶宫超越了第一届世博会的所有展品,成为建筑史、结构史上的一座丰碑。
      

    图3水晶宫内部

      
        1863年,德国人施威德勒(Schwedle,J.W.)在柏林设计、建造了第一个直径30m的钢穹顶,用作煤气罐的顶盖。其形式是以若干圆弧形拱汇交到一个顶环之上,形成辐射形体系,再加上若干道中间水平环以及同一方向的斜杆,形成了著名的被后世广泛应用的“施威德勒穹顶”(见图4)。
      

    图4施威德勒穹顶示意图

      
        1924年,非结构工程师的鲍尔斯费尔德(Bauersfeld)教授提出了一个结构方案,用铁杆组成15m直径的半球形网壳(见图5)。他用数学方式精确计算出每根杆件的位置和长度,建成了德国耶拿市蔡斯(Zeiss)工厂的天文馆。这是第一个半球形钢网壳,被认为是第一个用于屋盖的真正意义上的空间结构。该结构实际上为网壳与薄壳的组合体。其表面用细钢丝网覆盖后喷浆制作而成,钢网壳在施工中充当了模架,水泥硬结后钢杆件成为球壳的配筋。
      

    图5半球形钢网壳示意图

      
        钢结构在营造大跨度屋顶方面的作用
      
        钢材在应用于建筑结构之初就展现出了卓越的性能:杆件截面小、施工方便、不燃(相对于传统木材)。1787年英国出现机轧熟铁条,1831年英国机轧出角铁,1845年法国人碾压出熟铁工字梁……随着生产的普及以及建筑构件的不断改进,钢材逐步具备了搭建大跨度屋顶的条件。笔者认为钢结构之所以适合营造大跨度屋顶主要有以下几方面原因:
      
        钢结构将受力体系从平面延伸到空间
      
        若要塑造球形、三角形甚至空间曲面形状的空间结构,势必要摆脱传统的平面式墙以及柱板式水平受力体系。钢结构构件强度高、截面小、长细比大,多为杆件受力体系,其中,梁、柱、拉杆、压杆等构件之间的连接方式多为铆接或焊接,可以根据受力情况而自由布置,同时就围护层的面积而言,结构所占的比重很小,因此为塑造空间效果创造了更多余地。
      
        例如由诺曼·福斯特设计的德国国会大厦玻璃穹顶(见图6),其内为两座交错走向的螺旋式通道,裸露的全钢结构支撑让参观者可以通过它到达50m高的瞭望平台。这个设计充分利用了钢结构塑造空间结构方面的优势,同时大面积的玻璃运用为建筑提供了采光,更重要的是,用钢结构这种现代结构技术去诠释古典的穹顶建筑,既表现了对历史的尊重,又表明了现代主义的理性态度。
      

    图6德国国会大厦穹顶内部

      
        ◆钢结构减少了跨度与高度的限制
      
        钢材与混凝土等其他主要建筑材料相比,其强度和弹性模量较高、自重较轻,制成钢结构的塑性和韧性好,在相同的跨度和荷载条件下,钢屋架的自重只有混凝土屋架的1/3~1/4,钢材的这种特性为建造跨度更大、高度更高的建筑结构提供了可能性。
      
        目前钢结构建筑在高层、超高层建筑上的应用日益成熟,逐渐成为主流的建筑形式,是未来建筑的发展方向。
      
        ◆钢结构能够更好地贯彻结构理性
      
        对于建筑外观,建筑师始终在结构理性与建筑美学之间寻找平衡,以路易斯康为代表的许多建筑师热衷于暴露真实结构,掩饰非承重部分,这种做法也赋予了建筑理性。
      
        从结构理性的角度来讲,钢结构因其独特的体量、材质肌理和外观处理的可能性,成为了表现结构理性的首选,钢结构甚至可以一丝不苟地贴合弯矩图来塑造空间,几乎能做到结构理性的极致。
      
        例如滑铁卢车站的顶棚(见图7),结构上为一侧升起、一侧平缓的非对称三铰拱,其受力特点是在重力作用下在两侧产生上、下两个弯矩,顶棚的结构构件也遵循弯矩的变化而布置,几乎完全地贯彻了结构理性,达到了材料的最优布置。
      
       

    图7滑铁卢车站顶棚结构示意图

      
        钢结构知识在设计中的应用——以纸板穹顶构筑物为例
      
        笔者之所以选择论述钢结构与大跨度空间结构特别是穹顶建筑的关系,很大程度上是出于笔者参与的一个纸板构筑物设计(见图8),这个设计在意大利卢卡双年展中搭建并展出。这个构筑物长约5.5m、宽约8.3m,占地面积21㎡,主要是用于展览时供参展者体验与休息的。其设计灵感就来源于穹顶的空间受力形式以及五边形空间壳体结构的启发。
      

    图8纸板构筑物透视图

      
        这个方案在设计过程中遇到了很多结构层面的问题,最核心的是五边形网壳结构远不如短程线球面网壳的受力均匀,夹角在结构上也不是十分合理,面对近5m的空间跨度,这种不合理的受力方式与构筑材料就十分地捉襟见肘。但是方案的基本形式是最初造型设计时就确定的,因此我们所做的主要工作就是在维持造型与体量的前提下使空间结构合理化。
      
        尽管纸板的受力性能与钢材有许多不同,但是我们在进行结构设计的时候参考了钢结构受力体系的特点,强化了结构单体中类似于钢杆件的部分,同时通过纸板的切割方式强化了节点的边界和过度部分,以求尽量减少受力“杆件”的长度种类,压缩传力路线,以减轻结构的负担,满足大跨度的要求(见图9、图10)。
      

    图9纸板构筑物结构单元强化示意

      
        在该构筑物单元1比1模型搭建完成时虽在结构上还有许多亟待优化的地方,但总体而言借鉴钢结构大跨度空间网壳的结构设计策略是十分正确的(见图11)。
      

    图10纸板构筑物结构设计草图

      

    图11纸板构筑物内部效果图

      
        ●结语
      
        由于钢结构具有独特而优越的材料性能,包括空间受力体系、杆材的特点以及理性化布置的可行性,十分适合制作成薄壳、网壳结构的大跨度屋顶,同时钢结构在营造大跨度屋顶方面的力学性能也能为其他形式的类穹顶空间提供借鉴。


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