悬索结构和建筑造型-建筑构造

1.悬索结构的概念

悬索结构用于大跨度建筑是受悬索桥梁的启示。我国在5世纪就已建造了悬索桥梁，跨度达104m的大渡河泸定桥就是著名的铁索桥实例。20世纪50年代以后，由于高强钢丝的出现，国外开始用悬索结构来建造大跨度建筑的屋顶。1998年，里斯本世博会葡萄牙馆的大跨度屋顶采用的就是悬索结构，如图11-26所示。

悬索结构、膜结构

悬索结构由索网、边缘构件和下部承重结构三部分组成，如图11-26（b）所示。因索网非常柔软，只承受轴向拉力，既无弯矩也无剪力。索网的边缘构件是索网的支座，索网通过锚固件固定在边缘构件上。根据不同的建筑形式要求，边缘构件可以采用梁、桁架、拱等结构形式，它们必须具有足够的刚度，以承受索网的拉力。悬索的下部承重结构一般是受压构件，常采用柱结构。

悬索结构的主要优点如下。

（1）可充分发挥材料的力学性能，利用钢索来受拉，利用钢筋混凝土边缘构件来受压、受弯，因而能节省大量材料，减轻结构自重，比普通钢结构建筑节省钢材约50%。

（2）由于主要构件承受拉力，其外形与一般传统建筑迥异，因而其建筑造型给人以新鲜感，且形式多样，适合于方形、矩形、椭圆形等不同的平面形式。

（3）由于受力合理，自重轻，其能跨越巨大的空间而不需要在中间加支点，为建筑功能的灵活安排提供了非常有利的条件。

（4）悬索结构的施工比起其他大跨度建筑更方便、更快速，因钢索自重轻，不需要大型施工设备便可进行安装。

悬索结构的主要缺点是在强风吸引力的作用下容易丧失稳定而破坏，故在设计中应加以周密考虑。

但从总体来看，悬索结构的优点是主要的，因而在大跨度建筑中应用较广，特别是跨度为60～150m时，与其他结构比较具有明显的优越性。它主要用来覆盖体育馆、大会堂、展览馆等建筑的屋顶。

2.悬索结构的形式

悬索结构按其外形和索网的布置方式不同分为单曲面悬索和双曲面悬索、单层悬索和双层悬索。

（1）单层单曲面悬索结构。

单层单曲面悬索由许多相互平行的拉索组成，像一组平行悬吊的缆索，屋面外表呈下凹的圆筒形曲面，如图11-26（c）所示。拉索两端的支点可以等高，也可以不等高，边缘构件可以是梁、桁架、框架，下部支承结构为柱。单层单曲面悬索结构构造简单，但抗振动和抗风性能差，在强风吸引力的作用下，悬索会发生振动，为了弥补这一缺陷，提高屋顶的稳定性，可在悬索上铺钢筋混凝土屋面板，并对屋面板施加预应力，形成下凹的混凝土壳体，借以增强屋面刚度，提高抗风、抗震能力。不过，这样处理的结果是会削弱悬索结构轻巧的形象。

悬索的垂度直接影响索中的拉力，垂度越小，拉力越大。垂度一般控制在跨度的1/50～1/20。(www.xing528.com)

（2）双层单曲面悬索结构。

双层单曲面悬索结构也是由许多相互平行的拉索组成的，但与单层单曲面悬索结构不同的是，双层单曲面悬索结构的每一拉索均由曲率相反的承重索和稳定索构成，如图11-26（d）所示。承重索与稳定索之间用拉索拉紧，也就是对上下索施加预应力，增强屋顶的刚度，因而不必采用厚重的钢筋混凝土屋面板，而改用轻质材料覆盖屋面，使屋面自重减轻、造价降低，比单层单曲面悬索的抗风、抗振动性能好。

上索的垂度可取跨度的1/20～1/15，下索的拱度可取跨度的1/25～1/20。

以上两种悬索结构形式适用于矩形平面，而且多布置成单跨。

（3）双曲面轮辐式悬索结构。

双曲面轮辐式悬索结构平面为圆形，设有上下两层放射状布置的索网，下层索网承受屋面荷载，称为承重索，上层索网起稳定作用，称为稳定索，两层索网均固定在内外环上，酷似一个自行车轮平搁于建筑物的顶部，所以叫轮辐式悬索结构，如图11-26（e）所示。这种结构的外环受压力，内环受拉力。

将上述轮辐式悬索变换一下上下索的位置和内外环的形式，可以构成外形完全不同的轮辐式悬索结构，如图11-26（f）、（g）所示，它们有两道受压外环，上下索之间均用拉索拉紧。

轮辐式悬索结构相比于单层单曲面悬索结构，增加了稳定索，屋面刚度变大，抗风、抗振动性好，屋面轻巧，施工方便。轮辐式悬索结构在圆形平面建筑中较常用。

（4）双曲抛物面悬索结构。

双曲抛物面悬索结构由两组曲率相反的拉索交叉组成索网，形成双曲抛物面，外形像马鞍，又称为鞍形悬索结构，如图11-26（h）～（k）所示。向下弯曲的索为承重索，向上弯曲的索为稳定索，施工时对稳定索施加预应力，将承重索张紧，以增强结构刚度。

为了支承索网，马鞍形悬索结构的边缘构件可以根据建筑平面形状和建筑造型需要，采用双曲环梁、斜向边梁、斜向拱等结构形式。

3.悬索结构的建筑造型

悬索结构的造型与薄壳结构一样是以几何曲面图形为特征，但也有其自身的特点。主要表现在两个方面：一是悬索只能受拉不能受压，外形大多呈凹曲面，而薄壳结构是用钢筋混凝土建造而成的，外形以拱曲面、抛物线曲面和球形曲面居多；二是悬索结构是由两种不同材料的构件组成的，即钢索网和钢筋混凝土边缘构件，索网的曲面形式多样，边缘构件的形式各异，只要变动其中一种，就能创造出与基本形式截然不同的造型，并且还可运用“交叉”“并联”等手法改变基本形式的造型，所以悬索结构的建筑造型丰富多彩，如图11-27、图11-28所示。

图11-26　悬索结构的组成与结构形式

（a）里斯本世博会葡萄牙馆；（b）悬索结构组成；（c）单层单曲面悬索；（d）双层单曲面悬索；（e）轮辐式悬索1；（f）轮辐式悬索2；（g）轮辐式悬索3；（h）双曲抛物面悬索1；（i）双曲抛物面悬索2；（j）双曲抛物面悬索3；（k）双曲抛物面悬索4