浅析大跨度建筑结构形式与设计
摘 要：大跨度建筑体系中所存在的核心，便是空间结构技术，该技术的发展，几乎代表着一个国家建筑科学体系的水平。而大跨度结构本身所呈现出的结构形式是多元化的，主要涉及到五大空间结构以及各种不同类型的组合空间。本篇文章主要针对大跨度建筑结构形式以及设计进行了全面详细的探讨。
关键词：大跨度建筑；网架结构；网壳结构；膜结构；悬索结构；薄壳结构
前言
在我国当前科技技术持续发展的状况下，建筑本身的形式开始持续性的创新，这对于满足各种不同类型的建筑工程来说，起到了至关重要的作用。大空间结构已经逐渐成为了建筑结构体系的热门，但是大空间所需要考虑的承重、荷载因素更多，因此也更为复杂。大跨度建筑本身实际上还包括了网壳结构、膜结构、薄壳结构、网架结构、悬索结构等几种主要的空间结构形式。并且多种不同的结构形式还可以互相的演变、发展，这也是现今大跨度结构如此丰富的原因。下文主要针对大跨度建筑结构形式以及设计进行了全面详细的探讨。
一、网架结构的形式与特点
通过多跟不同的杆件，来严格的依据相关规律、几何图形等措施，利用节点连接的方式，使得空间结构能够转变成为网格结构形式，在这其中，所使用的多层平板网格、双层平板网格等方卖弄的结构，也就被称之为是网架。这方面的结构一般都是通过高强度的钢材、钢管等材料制造而成的。
1.1网架结构的形式
1.1.1平面桁架系组成的网架结构。主要有：两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式。
1.1.2四角锥体组成的网架结构。主要有：正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式。
1.2网架结构的主要特点
空间工作，传力途径简捷；重量轻、刚度大、抗震性能好；施工安装简便；网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率；网架的平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备；网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。
二、网壳结构的形式与特点
曲面形网格结构称为网壳结构，有单层网壳和双层网壳之分。网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。
2.1网壳结构的形式
主要有球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。
2.2网壳结构主要特点
通常情况下，通过高强度、轻质量材料所制造而成的结构，本身如果说依照强度来进行计算，那么在这其中所存在的剖面尺寸也就可以大幅度降低，但是如果说这类结构受到荷载影响，就有可能由于变形现象的出现，而引发失稳或者是破坏现象。但是壳体结构，则是极为合理的外形，其本身不仅能够对于内部的应力加以分配，并且还可以保证稳定性，因此，即便是壳体结构厚度不高的情况下，依然可以对于较大的空间面积进行覆盖。
壳体结构的刚度，取决于它的合理形状，而不像其他结构形式需要加大结构断面，所以材料消耗量低；其静载也不像其他结构形式那样随跨度增大而加大，所以其厚度可以做得很薄；该结构的承重和无盖合而为一，使其更加经济有效，且在建筑空间利用上越加充分。
三、膜结构的形式与特点
薄膜结构本身也由于自身的材料特性，被称之为织物结构，该材料是上世纪中期所发展出来的一种大跨度空间结构。其主要是采取材质柔软、优良的软织物来作为材料使用，并且其膜内所存在的空气压力起到了支撑性的效果，或者说直接采取柔性钢索、刚性支撑结构的形式，来表现出相应的预张力，进而构成一个具有刚度的、覆盖面积大的空间结构。
3.1膜结构按其支承方式的不同，一般包括：
在跨度较大的情况下，可以采取气承式结构，也就是直接在建筑物的内部空间中，注入相应的空气，一般情况下，屋面所表现出的拱度都较低，这是为了能够使得气压减少。而在大跨度的情况下，白呢可以直接在建筑的对角位置上，布置上相应的交叉钢索，如此一来，便能够起到良好的膜面加劲效果。但是对于气胀式的空间膜结构来说，则是直接制造成周围完全密封形式的圆形双层结构，在充气之后，能够形成相应的飞碟状；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。
3.1.2悬挂膜结构-一般采用独立的桅杆或拱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其绷紧，这样就形成了具有一定刚度的屋盖。
3.1.3骨架支撑膜结构-这是以钢骨架代替了空气膜结构中的空气作为膜的支撑结构，骨架可按建筑要求选用拱、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。
3.2膜结构主要特点
自重轻、跨度大；建筑造型自由丰富；施工方便；具有良好的经济性和较高的安全性；透光性和自结性好；耐久性较差。
四、悬索结构的形式与特点
4.1悬索结构形式
悬索结构按索的布置方向和层数分为：单向单层悬索结构；辐射式单层悬索结构；双向单层悬索结构；单向双层预应力悬索结构；辐射式预应力悬索结构；双向双层预应力悬索结构；预应力索网结构等。
4.2悬索结构的特点
悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯距和剪力效应，可充分利用钢材的强度；悬索结构形式多样，布置灵活，并能适应多种建筑平面；由于钢索的自重很小，屋盖结构较轻，安装不需要大型起重设备，但悬索结构的分析设计理论与常规结构相比，比较复杂，限制了它的广泛应用。
五、薄壳结构的形式与特点
建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构（学术上把满足t/R≤1/20的壳体定义为薄壳）。
5.1薄壳结构的形式
薄壳结构按曲面形成可分为旋转壳与移动壳；按建造材料分为钢筋混凝土薄壳、砖薄壳、钢薄壳和复合材料薄壳等。
5.2薄壳结构的特点
壳体结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载。壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，以材料直接受压来代替弯曲内力，从而充分发挥材料的潜力。因此壳体结构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的结构形式。
除以上几种空间结构外，尚有组合网架结构、预应力网格结构、管桁结构、张弦梁结构、点连接玻璃幕墙支承结构、索穹顶结构等几种常用空间结构，都有自身的特点和实用范围。结构设计的前提便是充分的了解各种结构的选型特点，正确的选型，才能跟好的进行正确的设计。
六、结语
综上所述，在现代社会飞速发展的过程中，建筑行业已经能够为人们提供更加理想的空间结构以及大跨度结构形式，空间结构的发展，实际上从某种角度反映出了人类建筑历史的变化。在针对空间结构进行设计的过程中，应当要采取科学合理的方式、计算理论、程序措施等来执行精确地分析，并且在空间结构形体的设计工作中，也不能够单单对对于美观方面加以重视，还应当要确保结构本身所表现出的合理性、工程成本等多方面因素。■
参考文献
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