摘要：伴随着我国经济社会的不断发展，我国的城市化建设快速推进，众多高层建筑拔地而起，建筑工程行业发展迅猛，涌现出一大批世界闻名的标志性建筑，这表明我国的建筑工程技术取得了巨大的成果，接近或达到了世界先进水平。大跨度空间结构是大型建筑工程都会使用的一种建筑结构，对它的利用程度反映了一个国家的建筑科技水平，是建筑领域备受关注和具有极高研究探讨价值的结构体系。本文主要针对大跨度建筑中的几种建筑结构体系进行分析探讨。
关键词：大跨度建筑结构；桁架结构与网架结构；悬索结构；壳体结构；膜结构
1 前言
为了满足实际生产建设的需要和人们的审美观念需求，各色各样的建筑类型不断出现，其结构类型也多种多样。随着科学技术的不断发展，一些新技术应用的到建筑结构上，改造者传统的大跨度建筑结构，使大跨度的建筑结构越来越具有良好的抗压、抗震、稳定性的实用性能。在实际建筑工程中，桁架结构与网架结构、拱圈结构及穹窿结构、悬索结构、壳体结构和膜结构等是比较常用的大跨度建筑结构。
2 建筑工程中大跨度建筑结构体系分析
2.1 桁架结构与网架结构
在古代，古人用结实的木材搭建屋顶，支撑房顶砖瓦的覆盖就是桁架结构的最初表现形式，这是古人总结生活经验而搭设的大跨度空间结构。到了近现代，随着物理学的发展，尤其是结构力学和高等数学的发展，人们利用工程知识构建了桁架结构的力学模型，是桁架结构体系不断完善。桁架结构具有很好的大跨度的优良性能，但它不可避免的缺点就是支撑桁架的承重梁不适宜过高的高度，否则会造成整个体系的不稳定，所以桁架结构一般用于屋顶的建设这种高度不高的建筑中。
网架结构也是一种被广泛使用的大跨度建筑结构。网架结构又分为一下几种网状类型的结构：单层曲面网架，单层平板网架，单层平面网架以及双层穹窿网架等类型。网架结构突出的特点是具有较大的刚度，变形较小，能平衡分散所受的的承受力，同时结构自身比较轻，制造材料较少，成本低廉等突出特性。网架结构使用灵活，制作形式和利用形式多样，具有很优秀的工程使用性，是我国很多建筑都广泛使用的一种结构。另外网架结构可以通过进一步改造来提高性能，适应多种建筑构型[1]。比如将单层平面网架弯曲改造成单层曲面网架或双层穹窿网架，以提高结构的刚度和跨度。
2.2 拱圈结构与穹窿结构
拱圈结构的利用也具有悠久的历史，大约在两千多年之前就已经被广泛使用来实现建筑工程的跨度问题。如闻名世界的古希腊露天剧场，散发着艺术美的罗马建筑等都是采用拱圈结构的建筑方式。由此可见，拱圈结构和人类历史的发展具有密切的关系，拱圈结构也是人类为了追求获得更大的建筑空间而不断探索的智慧结晶。
拱形结构在建筑工程中既要受到竖直向下的重力作用，还要受到水平或斜向下的外拉力作用，因此支撑底座的牢固性和稳定性对拱形结构的影响很大。拱形结构必须靠两侧坚实的厚墙作为受力支撑，且跨度越大对支承墙的要求也就越厚，而拱形结构是依赖于自身的拱起形成较大的空间的，所以，这种结构的特点不能保证建筑空间组合的灵活性。为了克服拱形结构这种弊端，人们改变以往单向拱的形式，又引入一条拱形结构，两者形成双向交叉的穹窿结构。
在大跨度的建筑工程中，支点的分散程度决定着空间组合和平面布局的灵活程度，支点越集中，则灵活性越大，从筒形发展到尖拱肋结构，从半球形穹窿结构发展到有帆拱的穹窿，都是通过集中支撑点，以增大空间组合灵活性的实践。
2.3 悬索机构
悬索结构是利用了钢材料强度高的特点，用来悬吊屋顶结构。单层悬索的抗风性能和稳定性能不是很好，因此现在广泛使用双层悬索或双向悬索。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆双层悬索结构是由上层起稳定作用的稳定索和下层承受有效载荷的承重索组成，呈平面圆形的结构。两种锁交织连接形成索网，在预拉张力的作用下形成紧密的整体，抗风性能和稳定性能都较单层悬索结构有了很大的提升。悬索结构不仅具有重量轻，节约材料用料，能够实现大的跨度等优点，其使用的范围和灵活性也非常优秀。
悬索结构形式各色，可以满足各种建筑形体和立面处理的多种需求。工程设计师可以根据建筑需要，通过调整悬索曲面，来调节内部空间的大小和整体建筑构型的艺术感，还可以通过改变主剖面下凹面的曲率，以适应工程建设的需求，同时还能够节约空间，优化空间和布局，甚至节省空调费用。悬索结构是大型大跨度建筑工程的理想选择，它只是通过简单的支撑体系和具有高强度的支撑材料来实现承受巨大的载荷。
2.4 壳体结构
壳体结构根据其受力情况的不同可以分为折板、单曲壳面和双曲壳面等三种结构类型。壳体结构能适用于方形平面、矩形平面，同时也能应用于三角平面、圆形平面及其他几何形状的平面；可以用以覆盖中小型面积的空间结构，同时也能够完全覆盖大型或特大型面积的空间；在实际工程运用中，可以单独适用来满足建设需要，又能和其他形式的建筑结构组合适用，可以看出壳体结构的使用是多样化的，形式是丰富的[2]。
壳体结构的布局非常巧妙，它通过运用合理的外形，使所承受的有效载荷作用在结构体上时能够很好的分散开来，达到使结构各部分受力均匀的效果，因此具有很高的稳定性。从理论上而言，如果一种结构运用了强度极高的轻质材料的话，就能使结构的剖面尺寸大幅度的减小，但却容易在大的载荷下发生形变，稳定性不能满足实际需要，但是若把这种高强度的轻质材料运用于壳体结构中，就不会发生因容易变形而达不到稳定的情况，壳体结构可以把厚度做的很薄，同时也能满足大的空间覆盖面范围。因为壳体结构的静载不随跨度的增大而增大，具有厚度小、空间覆盖面大的优点，合理科学的外形保证了壳体结构的刚度，不需要加大结构断面，能满足各种曲面形状不同而又苛刻的要求，所以材料的用量可以很少，效用比很高，尤其是它的承重和无盖合而为一，充分利用了建筑空间，又具有优秀的艺术感。
2.5 膜结构
膜结构是最新发展起来的一种空间结构类型，它的重量比传统的结构要轻很多，一般仅仅达到传统屋顶重量的1/10——1/30，它是通过向性能优良的织物中充入气体支撑起膜面，或者通过刚性骨架或具有柔性的钢索将膜面绷紧，进而形成具有一定的强度和刚度，并且能够覆盖大面积实现大跨度的结构，起到承重和围护的双重作用。膜结构根据支撑形式的不同，可以分为以下几种形式。
2.5.1 悬挂膜结构
采用独立的拱或桅杆作为支承结构将钢索与膜材悬挂起来，然后利用钢索向膜面施加张力将膜面绷紧，形成了具有一定刚度的屋盖。
2.5.2 空气膜结构
在建筑物的空间内部注入空气，同时降低屋面的拱度，减小气压。为满足大跨度的架构，需要在建筑物的对角线方形设置交叉钢索，加紧膜面的气承式空气膜结构。气胀式空气膜结构则是将膜材做成周围密封的圆形双层，充气后形成飞碟状；或将膜材作成半圆形圆筒，充气后如同半个轮胎，以此为单元组合成各种屋盖。该膜结构主要用在跨度较小的临时性建筑上。
2.5.3 骨架支撑膜结构
通过钢架替代空气膜结构中的空气的支撑结构，按照建筑要求选用拱、网壳之类的结构，然后在骨架上敷设膜材并绷紧，适用于平面为方形、圆形或矩形的建筑物。
2.5.4 复合膜结构
复合膜结构由钢索、膜材及受压的杆件组成，包括连续的拉索和单独的压杆，在荷载作用下，力从中心受拉环或椼架通过放射状的径向脊索、谷索、环向拉索、斜拉索传向周围的受压环梁。扇形的膜面从中心环向外环方向展开。
3 总结
在实际的建筑工程中，结构对建筑具有举足轻重的影响。大跨度的建筑结构形式多种多样，每一种建筑结构形式都有各自的优缺点，在实际工程运用中，需要根据工程建筑的实际需求选择合适合理的建筑结构，既能保证实用性又能突出经济效益。对于大跨度建筑结构体系的科学是一门重要的学问，也是一门建筑工程人员必须具备的技能之一。
参考文献
[1]梁雨峰.建筑工程中大跨度建筑结构体系分析[J].城市建设理论研究（电子版）.2013（18）.
[2]孙舟飞.建筑工程中大跨度建筑结构体系分析[J].科技创新与应用.2012.8：270.
论文作者:高安阳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/6
标签：结构论文; 网架论文; 建筑结构论文; 建筑论文; 壳体论文; 桁架论文; 跨度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第30期论文;