瓣形穹顶的建筑特点与结构形体研究

瓣形穹顶的建筑特点与结构形体研究 1 2 3 3 3 卓 新, 冯阿巧, 樊益棠, 陈绍炳, 许常学 (1. 浙江大学建筑 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院, 浙江 杭州 310027; 2. 哈尔滨工业大学建筑设计研究院, 黑龙江 哈尔滨 150090; )3. 浙江环宇建设集团有限公司, 浙江 绍兴 312000 摘 要: 在 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了传统的穹顶结构特点的基础上, 提出并用 技术建构了一种新型的空间网格穹顶结构—— 瓣 CA D 形穹顶Λ 同样是圆形平面, 瓣形穹顶却可变化出各种造型极为丰富的空间形态Λ 文章对瓣形穹顶的几何特征、建筑 形态与构成、结构的受力特点和结构布置方案作了系统的研Λ究 这种穹顶结构既可以用于中小跨度结构, 也可应用 于大跨度的空间穹顶结构Λ 关键词: 瓣形穹顶; 空间形体; 建筑与结构设计 () 文章编号: 100626578 20050220046204 TU 35 中图分类号: 文献标识码: A Re search on arch itec tura l charac ter ist ic an d struc tura l f orm f or pe ta l dom e 1 2 3 3 3, 2, 2, 2, 2ZHU O X in F EN G A q iao FA N Y itan gCH EN Sh ao b in gXU C h an gx u e (1. , , 310027, ;C ol leg e of C iv il E ng inee r ing and A rch itec tu reZ h ej iang U n iv e rs ity H ang z h ou C h ina 2. , , 150090, ;A rch itec tu ra l D es ig n & R esea rch I ns t itu teH a rbin U n iv e rs ity of T ech nology H a rbin C h ina )3. . , 312000, Z h ej iang H u any u C ons t ru c t ion G roup COL T D S h aox ing C h ina A bstra c t: A n ew fo rm sp ace g r id st ru c tu re s, p e ta l dom e, is p u t fo rw a rd an d de sign ed b y CA D tech n iqu e. Fo rm o f p e ta l dom e is m o re b eau t ifu l th an th e fo rm o f t rad it io n sp h e r ica l dom e in de sp ite o f th e sam e c irc le . . , p lan eT h is dom e can b e u sed in la rge sp an sp ace st ru c tu re sT h e a rch itec tu ra l ch a rac te r ist icgeom e t r ica l .an d st ru c tu ra l fo rm fo r p e ta l dom e w e re stu d ied in th is p ap e r : ; ; Key word sp e ta l dom est ru c tu ra l fo rm a rch itec tu ra l an d st ru c tu ra l de sign 2 2 2 2 球面上任何一个节点均满足方程: + + = Ζ x y z r 这些经典的球面穹顶网格结构形式经过了国内外近 引 言 1 百年数以万计大大小小的工程实践, 证明这些结构 肋环形球面网壳、施威德勒型球面网壳、联方型 形式是可靠的、合理的Λ 然而, 无论是哪一种类型的 球面网壳、凯威特型球面网壳、短程线球面网壳等是 球面网壳, 从建筑外部形态上看, 它们都无法摆脱圆 1 目前大跨度空间穹顶网格结构的常用结构形式, 球面特征Λ 如图1 所示Λ这些球壳的结构拓扑不同, 故结构的受本文所讨论的是一种新型的穹顶网格结构——力特点也不相同Λ 而它们在形态上的共同特征是圆 () 瓣形穹顶 , 其平面虽为圆形但整个结 P e ta l D om e 球面, 曲面上任何一点的曲率相等且为正高斯曲率, 构曲面形式却呈花瓣状, 具有明显的仿生建筑特征Λ 图 1 球面穹顶网格结构的分类与构成 形穹顶结构具有三种曲面形式: ( ) 0, 1谷线为正曲率、脊线为负曲率, 即 k 1 >k 2瓣形穹顶的几何特征 2 < 0, 故为负高斯曲面Ζ 如图 2所示Ζa ( ) 曲面的两个主曲率之积称为曲面在该点的高斯 2谷线为正曲率、脊线为零曲率, 即 k 1 >0, 2 k = 0, 故为零高斯曲面Ζ 如图 2所示Ζ曲率, 以 K 表示:b ( ) 3谷线为正曲率、脊线为正曲率, 即 k 1 >0, K = k 1 ?k 2k 2 > 0, 故为正高斯曲面, 但k 1 ?k 2 Ζ 如图 2c 所示Ζ 当k 1 曲面上任意点的高斯曲率可分为正、负、零, 为 = 时即为球形曲面Ζ 方便计, 取向下的曲率为正, 向上的曲率为负Ζ 高斯 k 2 曲率的大小和符号是空间几何曲面的重要特征Ζ 瓣 图 2 瓣形穹顶的几何特征与形态渲染图 这三种形态曲面的几何方程不同, 但其结构的 拓扑是完全相同的Λ所以, 当瓣形穹顶成形设计技术 瓣形穹顶的建筑形态与功能特点 3 电脑程序化后, 在进行结构形体设计时, 只要调整少 图 3 为一负高斯曲面瓣形穹顶网格结构的平 数几个参数就可以改变结构的形态, 这给优化设计 从建筑物的排水 雪 方式上看, 瓣形穹顶三种形 斯曲面穹顶和正高斯曲面穹顶Λ由于结构形态的特殊 态的水流走向略有不同, 但无论是哪一种形式, 水 , 瓣形穹顶不需要象球面穹顶那样通过撤掉一些杆 性( ) 雪最后都可以汇到谷线并排走Λ比较图3 与图1可 f 件来形成建筑物的门洞, 它周边的扇面就是门洞Λ 由 以明显看出, 在同样平面尺寸和同样矢高的条件下, 于瓣形穹顶网格结构的组成单元是三角形平面单元, 瓣形穹顶的建筑容积大于球面穹顶建筑容积, 其中以 因此可根据建筑功能的需要任意选择刚性的或柔性 负高斯曲面瓣形穹顶的容积为最大, 其后依次是零高 的屋面覆盖材料, 如铝板、玻璃、膜材等Λ 图 3 瓣形穹顶的建筑构成图 4 瓣形穹顶的结构特性 在平面尺寸、矢高及杆件数量相同的情况下, 正 高斯曲率瓣形穹顶空间网格结构的承载能力最佳, 其后依次是零高斯曲面瓣形穹顶和负高斯曲面瓣形 穹顶Λ 如果结构采用如图 3 所示的 6 点支承方案, 由 于支承条件数量上的限制, 瓣形穹顶的承载能力将 受到一定的削弱, 故这种支承方式一般只适用于中 小跨度的结构Λ在结构设计时, 可对受力较大区域的 杆件进行加强, 把谷线的三个交叉拱和周边六个拱 设计成桁架形式, 如图 4所示; 或者整个结构采用 a 立体桁架结构形式, 如图 4所示Λ 这样可以大大提b 高结构的承载力和结构的刚度Λ 对于大跨度的瓣形穹顶结构, 则必须增加支承 点的数量, 可采用周边支承的布置方案Λ为了不影响 建筑物的美观, 可把支承点内收, 如图 5所示, 这样 a 同样可以达到多点支承以均匀分散结构内力的目 的, 同时也仍然能达到建筑物形态轻盈飘逸的目的Λ 另一种方法是把结构设计成双层网格结构型式, 如 图 5所示, 这样能增加结构的刚度, 使结构受力更b 图 4 瓣形穹顶桁架结构方案 图 6 瓣形穹顶的其它设计方案 图 5 大跨度瓣形穹顶的结构方案 致, 这种新型的空间穹顶网格结构形式将有广阔的 应用前景Λ () 讨 论 5 5在国际上瓣形建筑已经应用于工程, 如: 西 班 牙建筑与结构大师 设计的墨西哥 F e lix C an de la 水上餐厅是一瓣形钢筋混凝土薄 L o s M an an t ia le s ( ) 1瓣形穹顶改变了以往穹顶球形曲面的单调 壳结构, 见图 7; 意大利建筑与结构大师 P ie r L u ig i 形态, 丰富了建筑的外观, 给人以美的艺术享受Λ 瓣 设 计 的 教 堂 也 是 一 瓣 形 钢 筋 混 凝 土 薄 壳 结 N e rv i 形穹顶有三种基本形态, 分别是正高斯曲面、零高斯 构, 见图 8, 等等Λ 曲面和负高斯曲面, 每一种基本形态又有无数种曲 率可供选择Λ在工程设计时, 应根据建筑物所在的地 理位置、荷载情况、结构跨度、建筑功能、美观要求以 及与周围环境的协调等因素, 通过综合比较和优化 设计来选择方案Λ () 2瓣形穹顶的结构材料可采用钢结构, 节点与 杆件的型式与传统的网格结构型式完全相同, 如螺 栓球节点、焊接球节点等Λ构件的工厂化生产加工工 艺并没有增加新的内容Λ因此, 瓣形穹顶结构在我国 ()图 7 水上餐厅 碳野义人提供 的工程应用和推广的条件是完全具备的Λ 需要指出 的是, 尽管构件的数量没有增加, 但由于结构形体的 复杂性, 对构件加工精度的要求以及对生产和施工 管理的要求也将大大提高, 结构施工安装的难度也 将增加Λ () 3瓣形穹顶的形态千姿百态、丰富多彩, 除了 在本文前面设计的 6 瓣块瓣形穹顶以外, 还可以设 计成 12 瓣块、8 瓣块等形状, 如图 6 所示Λ 从而实现 建筑师和结构师的设计构想与设计要求, 达到安全、 实用、美观的目标Λ()图 8 教堂 碳野义人提供 () 4瓣形穹顶可应用于小到住宅屋顶花园、大到()下转第 56 页 4 总 结 张拉整体结构一直是预张力钢结构领域的一个 热点研究课题. 本文介绍了一种张拉整体式广告牌、 展牌支架的模型分析、节点设计和安装过程, 以期探 讨这一先进结构体系在具有实用价值的工程实践中 的应用. 本文所完成的模型新颖独特, 摆放之处成为吸 图 13 模型二节点细部 引人们目光的亮点. 参考文献 1 A m y C E dm o nd so n. A F u lle r E xp lana t io n: T h e [.Syne rge t ic Geom e t ry o f R B uckm in ste r F u lle r M 1986. Bo sto n , B a se l , S tu t tga r t: B irk h u se r, 2 陈志华. 博 张拉整体结构的理论分析与实验研究 [: D 士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 . 天津: 天津大学, 1995. 曹 喜. 张 拉 整 体 索 穹 顶 结 构 的 设 计 理 论 与 实 验 研 究 3 博士学位论文 . 天津: 天津大学, 1997. [D : 4 R B uckm in ste r F u lle r. Syne rge t ic s: E xp lo ra t io n s in th e 图 14 模型二使用照片 [. Geom e t ry o f T h ink ing M M acm illan P ub lish ing . . , 1975.CoInc ()上接第 49 页 以上两个建筑建于20 世纪60 年代左右, 跨度虽 , 工厂预制构件、现场装配结构的 土的方式进行施工 然不是很大, 但由于其独特的建筑形态而闻名于世,施工方法使施工变得简捷高效, 这将使复杂曲面形 态建筑工程的实现和推广成为可能Λ 成为建筑的传世佳作Λ 现代计算理论与计算方法以 及计算机技术的发展给建筑与结构设计带来了极大 参考文献 的便利, 并使复杂形态建筑的设计与推广成为可能Λ 1 尹德钰, 刘善维, 钱若军. 网壳结构设计 [. 北京: 中 M 同时, 现代构件制作与安装技术的发展使施工变得 国建筑工业出版社, 1996, 54- 70. 更加方便, 人们不再需要用现场支模、现浇钢筋混凝 ()上接第 52 页 从模拟计算的结果来看, 张拉施工机具的选择 , 膜片的安装是一个循序渐进的 得到充分考虑Λ此外 (不能仅仅以张拉成型后的计算结果为依据 事实上,过程, 在此期间局部膜面结构的安装对整个索网体 设计者并不能确切了解施工安装者的设想, 因此也 系的影响更为复杂, 需要作更进一步的分析来加以 ) 评估Λ仅能提供找形完成后的结构状况, 中间环节的模拟 计算往往更为重要Λ对设计者而言, 不同的施工方案参考文献 也会对结构构件产生不同的影响, 某些构件在施工 1 张志宏, 董石麟, 王文杰. 索杆张拉结构的设计和施工全 过程中有可能出现超出原设计的内力, 这也是设计 () 空间结构, 2003, 9 2: 20- 24. 过程分析 [. J 必须引起重视的一个方面Λ而在张拉过程中, 整个结 2 傅丰. 张拉整体结构—新型的空间结构体系 [J . 四川建 构的刚度尚未完全建立, 某些构件的超载对结构施 () 筑科学研究, 2004, 9: 3- 5. file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56