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摘要：作为城市的中重要公共设施，文体建筑近年来数量激增。大跨度的空间设计是项目全过程操作的工作重心，结构选型与优化更是项目经济性与适配度的重要衡量标准。本文以文体类型大跨结构的发展趋势为切入点，结合实际案例，探讨其在建筑设计过程中的选型方式与优化方向。
关键词：大跨屋盖；结构设计；结构挠度
伴随城市核心功能的完善与集中，越来越多的无柱大空间得以实现，以满足城市中各类型的展销、文化推广、交流展示等活动需求。大跨度空间在其使用弹性、运营安全、空间品质等方面，都被提出了较高的要求，也成为了评判建筑成功与否的决定性因素。
一、大跨度建筑结构发展历程
从定义上讲，所谓的大跨度目前一般指结构跨度在60m以上的建筑。当下大跨度结构建筑多集中在影剧院、体育场馆、大会堂、航空港、其他大型公共建筑中。伴随着现代建筑的不断发展，建筑结构跨度在不断增加，在形式上也出现了一定的创新。
大跨度建筑结构在20世纪之前就已经出现了，例如在明朝洪武年间修筑的南京无梁殿就是一种大跨度建筑，其平面尺寸为38mx54m，净高为22m；进入二十世纪之后，随着建筑的进一步发展，出现了大量的大跨度建筑结构，例如北京工人体育馆、浙江人民体育馆、成都城北体育馆等，该大跨度建筑结构主要为薄壳结构、网格结构和一般悬索结构；进入到新时代之后，现代空间结构逐渐发展，大跨度建筑已经在城市中随处可见，并且结构形式也更加成熟[1]。
二、大跨度结构在建筑中的应用
就目前而言，大跨度结构在建筑中应用形式，主要包括网架结构、网壳结构、膜结构和悬索结构、张弦桁架结构、空间网格结构等。
网架结构：该结构类别是当下较为主流的大跨度结构选型。该结构的空间受力均匀合理，并且具有自重轻、刚度大、承载力高等特点，在节材方面也具备一定优势。
网壳结构：也是一种常见的大跨度结构。网壳结构主要是由混凝土框架构成，其内部中空，外表上则可配上多种材料，具有极高的整体感与装饰效果。
膜结构：膜结构也是大跨度建筑中最为常见的结构形式，该结构形式多变，可结合建筑物的特点，并与其它的结构进行搭配，进而达到提升建筑物承载力等目的。在具体应用的过程中，膜结构最大的优势就是自重比较轻、跨度相对比较大，可在一定程度上节约建筑工程的施工成本。
悬索结构：该结构主要是利用大尺寸钢索对建筑进行牵引，进而达到提升建筑物稳定性的目的。通常情况下，该大跨度结构常常应用到大型桥梁工程中，且该结构自重比较大、施工难度系数较高、施工成本较高。
张弦桁架结构：这是一种高效能的空间结构。该建筑结构主要是将受压腹杆与刚度相对比较的上弦弯构件、与下弦高强度抗拉构件向链接而形成一种自平衡体系，在这种结构下，不仅平面外的稳定性较高，而且可以跨越更大的跨度，尤其是使用与游乐场、体育馆等结构的设计应用。
空间网格结构：空间网格结构作为一种新型的空间结构，该结构具有受力合理、自重轻，与传统的平面钢屋架结构相比，空间网格结构具有刚度大、整体稳定性好优势。并且空间网格结构的构建尺寸、结构尺寸比较小，并且?大致相同的网格、单元。因此，网格结构杆件、节点可在工厂例成批生产，可最大限度降低工程造价。网格结构最大限度满足了空间结构的超大跨度发展需求，并且该结构下内力传递路径更为简单、明确，受力性能良好，可进一步充分发挥材料的性能，较大幅度节约了建筑中钢材料的用量。因此，在未来超大跨度规模建筑中，网格结构必然成为最为重要的结构形式。
三、大跨度空间网格结构在实际案例中的设计要点分析
深圳国际生物谷文化中心与综合体育中心位于深圳市大鹏新区，是深圳市发改委投资在建的重点文体设施。项目用地三面环水，距岸线仅二十米，被誉为深圳的“海上文体中心”。文体中心造型各异，为实现文体中心内外部空间需求，结构上采用不同种类的空间网格做法。其中，体育中心为异型非对称结构，采用新型斜角网格体系，承担楼板荷载与幕墙自重；文化中心采用马鞍形空间网格，营造超大尺度的城市通廊与视觉效果。
（一）对称型空间网格
文化中心地上采用全钢结构，开放展厅部分采用三角桁架+平面桁架作为屋面主要受力构件；剧院部分采用正交主次平面桁架体系作为屋面主要受力构件；核心部位采用对称的马鞍形空间网格结构作为上部图书馆部分的承重构件，且空间网格下方形成超大尺度的架空空间，最大跨度110米。结构体系构成如图1所示。
图2：马鞍形空间网格结构荷载传力路径
该结构传力体系明确，由于为承担大量荷载的大跨度的空间结构，应进行充分的挠度计算及模拟。空间网格结构在荷载基本组合及竖向位移云图如图2所示。
由位移云图可以发现，各主拱之间的空间网格位移部分超出，主要原因为空间网格以主拱为支座的，而主拱在上部竖向荷载作用下产生了较大的竖向位移，导致空间网格随之产生竖向位移。因此，为避免空间网格产生较大的竖向位移，在施工时应考虑施工次序的影响，即先施工主拱和上部结构，待主拱完成了竖向变形后，再吊装焊接各主拱之间的空间网格。
按上述思路并结合位移云图可知，空间网格的位移扣除相邻支座位移后，最大位移约为6mm，各杆件满足规范位移限值要求，且满足钢标的挠度限值要求。
图5：体育中心空间网架弯矩与剪力验算表
四、结语
综上所述，空间网格及其结构变种是一类高效率、高稳定性、高适配度的空间结构。该结构类型不仅体系明确、自重较轻，且具有良好的受力性能，在复杂形体的大跨度建筑中发挥着至关重要的作用，符合大跨度结构的发展趋势，已经逐渐普及到大量实际项目操作中。据此，在具体使用中，可在此结构体系基础上持续性创新推敲，寻求其适配具体项目的优化体系，以获得更为突出的结构稳定性、可实施性与视觉效果。
参考文献：
[1]曹灵泳.某体育文化中心大跨屋盖结构设计[J].山西建筑，2019，45（06）：28-30.
[2]石路也，卜龙瑰.成都万达城室内娱雪乐园大跨屋盖结构方案研究[J].工程建设与设计，2018（19）：40-42.
[3]郭睿. 大跨度屋盖结构的设计选型及方案研究[D].北京交通大学，2017.
[4]施素芬.宁波市体育运动学校田径馆大跨屋盖结构设计[J].建设科技，2016（14）：59-61.
论文作者:陈凡
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/26
标签：结构论文; 网格论文; 空间论文; 大跨度论文; 位移论文; 建筑论文; 空间结构论文; 《防护工程》2019年第6期论文;