安徽省建筑设计研究院有限责任公司 安徽省合肥市 230002
摘要：本文对对大跨空间结构的设计、选型、计算方法和原则作了分析。根据多种结构方案的对比，找出对大跨空间结构选型的主要影响因素，优选出经济合理的结构方案。
关键词：空间结构、大跨度、多种结构形式、经济性
1.工程概况
随着经济的发展和科学技术的进步，大跨空间结构在公共建筑中的运用也越来越广泛；大跨度空间结构的型式多种多样，习惯上分为如下类型:1)预应力结构；2）钢筋混凝土薄壳结构；3)空间网格结构；4)悬索结构；5)膜、索一膜结构；6)混合结构等。
如何选择经济、合理、可行的结构形式，来满足建筑要求，是结构工程师进行大跨度空间结构设计时，需要解决的首要问题。在大跨度空间结构选型的过程中，应考虑的因素众多而且复杂。本文以某工程为例，对结构选型分析、判断、选定作具体的研究分析。
某剧场根据建筑功能要求，舞台上空架尺寸约为50mx50m，以空间结构体系满足剧场舞台上空的大跨功能要求。
2 结构方案对比
舞台上空为大跨空间结构，其下为局部办公、功能用房及舞台组成，主体为现浇钢筋混凝土框架结构体系。舞台上空的大跨结构初步优选为钢网架结构，此处网架因建筑、功能等要求，存在如下限制：1）规划上，整体建筑限高；2）舞台工艺要求网架的底限高；3）舞台基坑正上方，有活动全息幕及其钢架；4）舞台下方净高要求，钢网架高度控制在2.5m内；5）舞台基坑上空，需承受全息幕及其钢架荷载反复荷载，6个吊点，每吊点承受荷载120KN。鸟瞰图见图一，剖面图见图二。
在钢结构计算中，我们采用浙江大学研发的空间网格结构计算机辅助设计系统(MSTCAD)和同济大学研发的空间钢结构系统CAD软件(3D3S)，进行空间网格的计算分析。
根据建筑造型及功能，设计采用三维空间建模，正放四角锥网格布置；钢网格基本平面布置方案见图三。本工程结构分析处理的难点，在于承受全息幕钢架荷载处的吊点处方案的优选，结构对初选如下钢结构方案对比分析：1）局部突出结构方案；2）局部变薄结构方案；3）局部单上弦杆方案；见图四。方案一局部突出屋面影响造型，不满足规划要求的限高；方案二局部变薄结构方案，由于网架高度的限制，局部变薄仍然不满足工艺上全息幕钢架升起的高度要求；方案三可满足规划及工艺要求。方案三，由于上弦杆在跨中直接承受动力荷载，区别于常见的空间网格结构系统，应对承受动力荷载的上弦杆作重点分析研究：1）荷载作用点不在节点，不可按网架分析，对承受动力荷载的杆件及相关构件有限元分析；2）对承受动荷载杆件及网架进行疲劳分析；3）承受动力荷载的杆件相邻三个空间网格内节点，采用铸钢节点。
铸钢节点相比于传统焊接节点具有如下特点:1)在工厂内整体浇铸，在局部高应力区形成圆角和圆滑过渡的截面，可免去相贯线切割及重叠焊缝焊接引起的应力集中，降低应力集中系数，具有美观的流线型外形。2) 节点设计自由度大，可根据建筑外形、受力状况、浇铸工艺等设计出最合理的截面形状，以改善节点的应力分布状况。3) 节点整体浇铸而成，壁厚一般大于相邻构件，节点刚度大且整体性好。4) 疲劳性能、耐腐蚀性能、抗震性能均好。通过以上分析，方案三可满足规划、建筑功能要求，可采用此方案，但工艺相对要求高。
方案四是局部承受动力荷载处采用预应力混凝土框架结构，其余部分仍然采用空间网格钢结构系统。相比其它方案，方案四具有以下特点：1）大面积钢屋面网架采用普通螺栓球节点，技术成熟，施工简便，造价经济。2）局部的屋面采用预应力混凝土框架，结构受力简单、明确，技术成熟，施工简便，造价经济；且本工程其它楼层也有同跨度的预应力混凝土框架。
通过以上四种结构方案对比，方案三、方案四满足建筑大跨空间结构的建筑使用功能、社会需求（高度限制）等；综合考虑结构选型实现因素，如技术性能、经济性能、施工可行性、施工难易程度、结构体系的可靠度、耐久性、围护等因素；并与业主、建筑师、结构师、经济师、设备师等充分沟通协商的基础上，选择结构方案四作为最终的结构方案。
4 结束语
大跨空间结构选型是在建筑方案初步确定以后，在建筑结构施工图设计之前与建筑方案扩初阶段交叉进行的一项决策工作。此时，对大跨空间结构的部分需求已在建筑方案形成过程中被考虑，并已初步转化为建筑方案的有关特征参数，通过这些特征参数影响约束大跨空间结构的选型。还有部分需求需在结构选型时从宏观上直接考虑实现，如技术性能、经济性能、施工可行性等；而结构体系的结构构件的具体技术性能等方面，则需要在具体的结构构件内力分析与设计过程中考虑实现。为了合理、科学的进行结构选型，需与各方主体进行充分沟通、协商，将影响结构方案的因素进行归类分析，确定出影响大跨空间结构选型方案的关键的、最主要影响因素；从而优选出安全适用、技术先进、施工可行、经济有效及美观的大跨空间结构方案。本文结合具体工程实际情况，通过多种结构方案的对比分析，并最终选定结构方案形式，为类似工程的结构选型及结构方案确定提供重要的参考和借鉴。
参考文献
[1] GB50068-2001.《建筑结构可靠度设计统一标准》.
[2] GB50017-2003.《钢结构设计规范》
[3] JGJ7-2010.《空间网格结构技术规程》.
[4] 王金位 乔海军.《大跨空间结构选型与建筑美学的统一》.
论文作者:汪洋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第18期
论文发表时间:2017/10/12
标签：结构论文; 方案论文; 空间结构论文; 荷载论文; 建筑论文; 节点论文; 网格论文; 《基层建设》2017年第18期论文;