大跨度建築

大跨度建築是跨越30m以上屋蓋空間的建築。

在一些建築中，由於功能的要求，必須是大空間而且中間不容許立柱，如體育館、影劇院、展覽館、大會堂、候機、候車、候船大廳等公共建築和工業建築的廠房、飛機庫和其他大型倉庫等。

大跨度建築的屋蓋結構主要有：門式剛架、薄腹梁、折板、桁架、拱、殼體、網架、懸索和薄膜結構等形式。 ^[1] 

大跨度建築在古代羅馬已經出現，如公元120~124年建成的羅馬萬神廟，呈圓形平面，穹頂直徑達43．3m，用天然混凝土澆築而成，是羅馬穹頂技術的光輝典範。在萬神廟之前，羅馬最大的穹頂是公元1世紀阿維奴斯地方的一所浴場的穹頂，直徑大約38m。然而大跨度建築真正得到迅速發展還是在19世紀後半葉以後，特別是第二次世界大戰後的幾十年中。例如1889年為巴黎世界博覽會建造的機械館，跨度達到115m，採用三鉸拱鋼結構；又如1912-1913年在波蘭佈雷斯勞建成的百年大廳直徑為65m，採用鋼筋混凝土肋穹頂結構。目前世界上跨度最大的建築是美國底特律的韋恩縣體育館，圓形平面，直徑達266m，為鋼網殼結構。我國大跨度建築是在解放後才迅速發展起來的，20世紀70年代建成的上海體育館，圓形平面，直徑110m，鋼平板網架結構。我國目前以鋼索及膜材做成的結構最大跨度已達到320m。

大跨度建築迅速發展的原因一方面是由於社會發展使建築功能愈來愈複雜，需要建造高大的建築空間來滿足羣眾集會、舉行大型的文藝體育表演、舉辦盛大的各種博覽會等；另一方面則是新材料、新結構、新技術的出現，促進了大跨度建築的進步。一是需要，二是可能，兩者相輔相成，相互促進，缺一不可。例如在古希臘古羅馬時代就出現了規模宏大的容納幾萬人的大劇場和大角鬥場，但當時的材料和結構技術條件卻無法建造能覆蓋上百米跨度的屋頂結構，結果只能建成露天的大劇場和露天的大角鬥場。19世紀後半期以來，鋼結構和鋼筋混凝土結構在建築上的廣泛應用，使大跨度建築有了很快的發展，特別是近幾十年來新品種的鋼材和水泥在強度方面有了很大的提高，各種輕質高強材料、新型化學材料、高效能防水材料、高效能絕熱材料的出現，為建造各種新型的大跨度結構和各種造型新穎的大跨度建築創造了更有利的物質技術條件。

大跨度建築發展的歷史比起傳統建築畢竟是短暫的，它們大多為公共建築，人流集中，佔地面積大，結構跨度大，從總體規劃、個體設計到構造技術都提出了許多新的研究課題，需要建築工作者去探究。

從迄今還保存着的古希臘宏大的露天劇場遺蹟來看，人類大約在兩千多年前，就有擴大室內空間的要求。古代建築室內空間的擴大是和拱結構的演變發展緊密聯繫着的，從建築歷史發展的觀點來看，一切拱結構-包括各種形式的券、筒形拱、交叉拱、穹隆-的變化和發展，都可以説是人類為了謀求更大室內空間的產物。券拱技術是羅馬建築最大的特色及成就，它對歐洲建築做出了巨大的貢獻，影響之大無與倫比。羅馬建築典型的佈局方法、空間組合、藝術形式和風格以及某些建築的功能和規模等等都是同券拱結構有密切聯繫。

拱形結構在承受荷重後除產生重力外還要產生橫向的推力，為保持穩定，這種結構必須要有堅實、寬厚的支座。例如以筒形拱來形成空間，反映在平面上必須有兩條互相平行的厚實的側牆，拱的跨度越大，支承它的牆則越厚。很明顯，這必然會影響空間組合的靈活性。為了克服這種侷限，在長期的實踐中人們又在單向筒形拱的基礎上，創造出一種雙向交叉的筒形拱。而之後為了建築的發展熱門又創造出了穹隆結構穹隆結構也是一種古老的大跨度結構形式，早在公元前14世 紀建造的阿託雷斯寶庫所運用的就是一個直徑為14.5米的疊澀穹隆。到了羅馬時代，半球形的穹隆結構已被廣泛地運用於各種類型的建築，其中最著名的要算潘泰翁神廟。神殿的直徑為43.3米，其上部覆蓋的是一個由混凝土做成的穹隆結構。

在大跨度結構中，結構的支點越分散，對於平面佈局和空間組合的約束性就越強；反之，結構的支承點越集中，其靈活性就越大。從羅馬時代的筒形拱衍變成高直式的尖拱拱肋結構；從半球形的穹隆結構發展成帶有帆拱的穹隆結構，都表明由於支承點的相對集中而給空間組合帶來極大的靈活性。

桁架也是一種大跨度結構。在古代，雖然也有用木材做成各種形式的構架作為屋頂結構的，但是符合力學原理的新型桁架的出現卻是現代的事。桁架結構雖然可以跨越較大的空間，但是由於它自身具有一定的高度，而且上弦一般又呈兩坡後曲線的形式，所以只適合擔當作屋頂結構。

網架結構也是一種新型大跨度空間結構。它具有剛度大、變形小、應力分佈均勻、能大幅度地減輕結構自重和節省材料等優點。網架結構可以用木材、鋼筋混凝土或鋼材來做，並且具有多種多樣的形式，使用靈活方便，可適應於多種形式的建築平面的要求。國內外許多大跨度公共建築或工業建築均普遍地採用這種新型的大跨度空間結構來覆蓋巨大的空間。

網架結構可分為單層平面網架、單層曲面網架、單層平板網架和雙層穹隆網架等多種形式。單層平面網架多由兩組互相正交的正方形網格組成，可以正方，也可以斜放。這種網架比較適合於正方形或接近於正方形的巨型平面建築。如果把單層平面網架改變為曲面-拱或穹隆網架，或可以進一步提高結構的剛度並減小構件所承受的彎曲力。從而增大結構的跨度。

網架結構像框架結構一樣，承重系統與非承重系統有明確的分工，即支承建築空間的骨架是承重系統，而分割室內外空間的圍護結構和輕質隔斷，是不承受荷載的。在網架結構體系下，室內空間常依照功能要求進行分隔，可以使封閉的，也可以是半封閉或開敞的。

當今，空間平板網架結構在我國已有較大發展，而由於網架結構多采用金屬管材製造，能承受較大的縱向彎曲力，與一般鋼結構相比，可節約大量鋼材和降低施工費用（根據有關資料統計，節約鋼材約35%，降低施工費用約25%，甚至在某些情況下，耗鋼量接近於普通鋼筋混凝土梁中的鋼筋數量）。因此，空間網架的結構形式，用於大跨度建築具有很大的經濟意義。另外，由於空間平板網架具有很大的剛度，所以結構高度不大，這對於大跨度空間造型的創作，具有無比的優越性。

一般而言，用輕質高強材料做成的結構，若按強度計算，其剖面尺寸可以大大地減小，但是這種結構在荷載的作用下，卻容易因變形而失去穩定並最後導致破壞。而殼體結構正是由於合理的外形，不僅內部應力分配既合理又均勻，同時又可以保持極好的穩定性，所以殼體結構儘管厚度極小卻可以覆蓋很大的空間。

殼體結構的剛度，取決於它的合理形狀，而不像其他結構形式需要加大結構斷面，所以材料消耗量低；其靜載也不像其他結構形式那樣隨跨度增大而加大，所以其厚度可以做得很薄；該結構的承重和無蓋合二為一，使其更加經濟有效，且在建築空間利用上越加充分。

殼體結構按其受力情況不同可以分為折板、單曲面殼和雙曲面殼等多種類型。在實際應用中，殼體結構的形式更是豐富多彩的。例如悉尼歌劇院，其外觀為三組巨大的殼片，聳立在一南北長186米、東西最寬處為 97米的現澆鋼筋混凝土結構的基座上。而殼體結構既可以單獨使用又可以組合起來使用；既可以用來覆蓋大面積空間，又可以用來覆蓋中等面積的空間；既適合方形、矩形平面要求，又可以適應圓形平面、三角形平面，及至其他特殊形狀平面的要求。

因為殼體結構屬於高效能空間薄壁結構範疇，可以適應於力學要求的各種曲線形狀，所以其承受彎曲及扭轉的能力遠比平面結構系統大。另外，因結構受力均勻，因而可充分發揮材料的材耗，所以殼體結構體系非常適用於大跨度的各類建築。

由於鋼的強度很高，很小的截面就能夠承受很大的拉力，因而在本世紀初就開始用鋼索來懸吊屋頂結構。懸索在均勻荷載作用下必然下垂而呈懸鏈曲線的形式，索的兩端不僅會產生垂直向下的壓力，而且還會產生向內的水平拉力。單向懸索結構為了支承懸索並保持平衡，必須在索的兩端設置立柱和斜向拉索，以分別承受懸索所給予的垂直壓力和水平拉力。單向懸索的穩定性很差，特別是在風力的作用下，容易產生振動和失穩。

為了提高結構的穩定性和抗風能力，還可以採用雙層懸索或雙向懸索。雙層懸索結構平面呈圓形，索分上下兩層，下層索承受屋頂全部荷載，為承重索；上層索起穩定作用，為穩定索，上下兩層索均張拉於內外兩個圓環上而形成整體。這種形式的懸索結構承重索與穩定索具有相反的彎曲方向，這兩種索交織成索網，經過預張拉後形成整體，具有良好的穩定性和抗風能力。

懸索結構除跨度大、自重輕、用料省外還具有平面形式多樣（除可覆蓋一般矩形平面外還可以覆蓋圓形、橢圓、正方形、菱形乃至其他不規則平面的空間），使用的靈活性大、範圍廣；由多變的曲面所形成的內部空間既寬大宏偉又富有運動感；主剖面呈下凹的曲面形式，曲率平緩，如處理得當既能順應功能要求又可以大大節省空間和空調費用；形式變化多樣，可以為建築形體和立面處理提供新的可能性。

在大跨度結構建築選型時，懸索結構由於沒有繁瑣支撐體系的屋蓋結構選型，所以該種結構是較為理想的形式。在荷載作用下，懸索結構體系能承受巨大的拉力，因此要求設置能承受較大壓力的構件與之相平衡。

膜結構是空間結構中最新發展起來的一種類型，它以性能優良的織物為材料，或是向膜內充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性骨架將膜面繃緊，從而形成具有一定剛度並能覆蓋大跨度結構體系。膜結構既能承重又能起圍護作用，與傳統結構相比，其重量卻大大減輕，僅為一般屋蓋重量的1/10-1/30。

（1）空氣膜結構-跨度大時可用氣承式，就是在建築物內部空間注以空氣，屋面的拱度一般都較低，以減小氣壓，大跨度時往往在建築物的對角線方向佈置交叉的鋼索，對膜面起加勁作用。而氣脹式空氣膜結構則是將膜材做成周圍密封的圓形雙層，充氣後形成飛碟狀；或將膜材作成半圓形圓筒，充氣後如同半個輪胎，以此為單元組合成各種屋蓋。該膜結構主要用在跨度較小的臨時性建築上。

（2）懸掛膜結構-一般採用獨立的桅杆或拱作為支承結構將鋼索與膜材懸掛起來，然後利用鋼索向膜面施加張力將其繃緊，這樣就形成了具有一定剛度的屋蓋。

（3）骨架支撐膜結構-這是以鋼骨架代替了空氣膜結構中的空氣作為膜的支撐結構，骨架可按建築要求選用拱、網殼之類的結構，然後在骨架上敷設膜材並繃緊，適用於平面為方形、圓形或矩形的建築物。

（4）複合膜結構-這是膜結構中新的結構體系，由鋼索、膜材及少量受壓的杆件組成，由於主要用於圓形平面，稱“索穹頂”。這個體系包括連續的拉索和單獨的壓桿，在荷載作用下，力從中心受拉環或桁架通過放射狀的徑向脊索、谷索、環向拉索、斜拉索傳向周圍的受壓環梁。扇形的膜面從中心環向外環方向展開。通過對鋼索施加拉力而繃緊，固定在壓桿與接合處的節點上。該結構適用於大跨度的圓形或橢圓形建築。