建筑理论与设计 基于性能的大跨度钢结构设计研究 于凯 上海市杨浦区同济大学建筑设计研究院 上海 ２Ｏ００９２ 摘要：随着人们生产、生活对建筑空间的要求越来越高，大跨度建筑技术不断创新、发展。作为目前发展最快的结构类型的大跨 度钢空问结构，其从体系到构件再到节点的破坏形态可归为大变形失稳。承载力和变形能力作为大跨度钢结构的安全控制指标的 两方面，就国内形势而言，现行钢结构模式和相关的设计研究中对大跨度钢结构体系和节点性能安全控制质变缺乏一定的系统规 范。根据大跨度钢结构实际情况再结合试验研究理论设计研究，提出基于性能的大跨度钢设计的要旨，为大跨度钢结构设计研究提 供参考资料。 关键词：大跨度钢结构；安全控制指标；设计方案参考 引言 标。 纵观全球大跨度空间结构发展趋势而言，大跨度钢结构的需求量随着社 （一）铜构件承载能力研究 会经济的快速发展而不断地增大。和其他钢结构的设计形式一样，大跨度钢 在工程设计过程中，采用几何非线性分析的体系稳定承载力应该在设计 结构在设计过程中主要考虑的也是结构体系、构件以及节点等设计问题。但 ４倍以上。采用的双非线性分析的体系稳定承载能力应该在 是大跨度钢结构在设计研究过程中，依然存在着许多的技术问题，如大跨度 承载标准值的４．５倍以上。同时，对比研究分析体系屈服荷载系数、 钢结构的跨度并没有一个统一的尺度标准，这就要求设计技术人员规范设 工程设计荷载标准值的２．计，提出明确的大跨度钢结构计算分析理论和研究设计方案，以便筹划建设 破坏荷载系数的大变形值对应的荷载系数，体系稳定承载力系数则取三者中 采取结构体系破坏荷载和设计荷 更大、更高、更长、更为复杂的结构模式的结构物，用来满足人们在空间生活 的小值。大跨度钢结构体系弹性小形能力，追求上的变化需求。 一五、钢结构体系性能设计要点 载标准之间的比日。 （二）变形能力研究 、大跨度钢结构的广泛应用 大跨度钢与空间钢结构在公共设施包括大会堂、影视剧院、展览馆、音乐 厅、体育馆、航空港等众多地方都有着广泛的运用。同时，大跨度钢结构在工 业建筑上也有一定的应用，像飞机制造厂的总装配车间，造船厂的船体结构 车间等。大跨度钢结构是在自重荷载基础上工作，减轻结构自重，大跨度房顶 盖一般都是尽可能的采用如压型铝合金板等轻质屋面材料或是轻质屋面结 构，减少结构自重。将现代预应力技术运用到大跨度空间结构设计中，使其结 构体形更丰富、先进、科学合理、经济实用，使得新的预应力大跨度空间钢结 构在更多不同的建筑中得到更为广泛的应用。 针对在工程设计过程中，大跨度钢结构构件和体系变形能力设计所遇到 的技术问题，结合大量的工程设计实践研究分析，对于刚度小的大跨度钢结 构体系，在满足构件强度要求的基础上，可以通过结构预起拱等措施达到结 构弹性小变形性能指标要求的规定。对于除大悬挑结构体系外的大跨度钢结 构体系，通过采用预应力提高大跨度钢结构体系的稳定承载能力，提高大跨 度钢结构体系弹性和弹塑性变形能力，同时也可以大幅度的减少大跨度钢结 构体系的弹性大变形值。 （三）节点研究设计承受力 在全程的计算分析曲线中，节点在区域材料应变达到屈服应变之前，也 就表明非线性增长，在钢管构建应力较弱时，节点部分局部地区进入塑性重 二、现行钢结构及相关设计规范（程）对体系、构建、连接 分布情况。节点局部出现塑性到塑性区域不断扩张，荷载增长幅度高达１倍以 节点设计的现状 上。节点的屈服荷载可以作为节点设计承载力，但是很难准确确定屈服点及 其相应的屈服承载数。这就要求大跨度钢结构节点承载力不能采用材料的屈 基于手算和平面简化计算方式的现钢结构及相关设计规范（程）对大跨 服应力作为其安全控制指标，以节点破坏承载为基础，保留适当的安全系数 度钢结构的适应能力不强，在连接节点设计上缺乏明确的计算理念和方案， ３１。 同时，也使得先进计算技术不能得到很好的推广和运用。在性能控制指标上， 确定节点的设计承载力［现钢结构及相关设计规范（程）在设计过程中考虑的主要是物资材料非线性 和几何材料非线性相互耦合的双重非线性，并用有限元方法对结构进行位移 弹塑性的整个过程的分析，以便明确在极限荷载基础上的工作情况。纵观国 内外技术发展现状而言，ＡＮＳＹＳ这类通用有限元计算机软件为技术设计人员 （一）防震缝设置研究 六、大跨度钢结构工程设计研究 设计防震缝对于大跨度空间结构来说是之分有必要的。规范所规定的最 提供科学实用的计算分析方案，解决基于结构集合与物资材料双非线性的全 小防震缝宽度有可能存在着不足的现象，这就要求在工程设计过程中，严格 根据下部支撑结构为抗震墙构架结构或构架的最小缝隙宽度综合考虑确定 过程计算分析 】。 设置防震缝，同时按照防震程度下两侧结构在交接点上的相对位移的最 三、大跨度钢结构设计过程中遇到的问题 在工程设计过程中，现行钢结构及相关设计规范（程）对弹塑性变形性能 的设计并没有明确地规定，对钢构件变形性能的设计仅仅在弹性小变形 大值来检验复核。 （二）计算分析方面 在计算分析数据时，要注意上、下部结构的协同式工作。在抗震范围、 计算模型、计算方法、计算参数等的详细分析。在实际的工程设计过程中， 范围。建造结构正常使用性能在建筑屋面荷载、装修荷载、使用活荷载的绝对 确定正确的计算模型，采用时程分析法、随机振动分析法等多种更为精细 变形值中起控制作用，通过预起拱减小构件相对初始几何形态的变形值解决 的计算方法综合考虑计算分析。计算模式要从屋盖的上部结构到下部结 正常使用性需求上并不存在任何的科学根据等，都是大跨度钢在工程设计过 构的协同式计算分析，综合考虑刚度和质量等数据，提供科学合理的数据 程中需要解决的问题。 理论［４１。 四、基于延性性能的设计研究 延性是指大跨度钢结构、构件和构件某个截面所能达到的极限荷载或者 是在达到极限荷载以后荷载还没有下降这一期间的变形能力。廷陛设计主要 七、结论 具有覆盖面积范围广等特点的大跨度空间结构，应用范围广泛，在国家 是计算屈服荷载、破坏荷载、屈服变形（ＤＮ）和破坏变形（ＤＵ）延性性能参数， 的各种设备建设中都采用了大跨度钢结构作为屋面结构。根据以往在大跨度 并加以分析研究，确定科学合理的屈服荷载值和虚浮变形值指标，保障正常 钢结构工程设计的实践经验结合理论基础，采用计算机软件对工程设计进行 利用 设计荷载作用下的结构能正常使用。分析承载力比例系数，确保在超正常设 模拟数据计算分析，提供切实可行的工程设计方案。不断完善设计理论， 计荷载作用基础上，结构在破坏前有储备承载力，提出安全设计性能控制指 新的结构模式，对大跨度钢结构模式进行科学分析，使其更加（下转第８ｏ页）‘７５。 日日囫 圈 建筑理论与设计 乐的共通性。从古希腊人的黄金比例柱式到柯布西耶的模数关系，无不显示 着人类对美学基调的探究，这些不再赘述。 和谐与均衡，变化与统一，节奏与韵律，这些都是构图法则，不只是用在 人观者眼帘的必然是它的外观，一个与周遭环境协调又充满独特个性的外立 面才会引人人胜，正所谓酒好也怕巷子深，到底好不好，先得给顾客感官享 受。在深入研究过影响立面的建筑主体之外，需回到美学本身来探讨如何塑 造立面，不外乎把握住以下几点关系： 建筑上。从古至今的建筑风格也在与时俱进，无论是古典主义、现代主义还是 Ｉ整体与细节 后现代风格都遵循着这些美学原理。 建筑立面是通过秩序感的建立来塑造整体形象，在拥有自己独特风格的 ３技术与施工 基础上延续城市的文脉与肌理，很大程度上，超高层建筑也会成为所建区域 据称国外有种模式是建筑师要接管施工配合来控制质量，减小施工误差 的地标。虽然体量庞大，远观只能是整体印象，但建筑的气质，仍然需通过细 带来的与设计之间的差距的，在国内设计与监理是分开的，带来一定诟病。的 节来展示，从幕墙的划格到玻璃的选择，从各个节点的设计到各种材质的运 确，施工质量的控制在整个设计建造过程中很重要。 用，无不考验着设计者的经验与眼光。可以说，缺失了细节设计的立面，无论 造型多独特，都只能是一具没有灵魂的躯壳；而一栋建筑的细节展示，则会为 八、结语 建筑加分不少。 对于一幢超高层建筑的立面设计来说，需要解决和探讨的问题远不止于 ２美学与风格 此，在此，只能是窥一斑见全豹。探索的意义在于希望在塑造更完美建筑的道 我们经常用“建筑是凝固的音乐”来形容建筑之美，这也阐述着建筑与音 路上，走得更远，更高。 （上接第７３页）老街老巷一片片昔日的空间里，而且它们不像是博物馆里的 特色ｆＭ１．武汉科技学院学报，２００４． 陈列品那样孤立、确凿、冰冷，在这里一切都是有血有肉，生动真实的，而且用 ［２】胡戎睿，胡绍学 关于武汉近代建筑遗产保护与再利用问题的思考 ｖｑ．建 于也甭想弄清它的底细，如果这些老街老巷老楼老屋拆了，活生生的历史也 筑学报，２００７． 就散失、飘落，无迹可寻了。”当然，随着历史保护意识的不断强化，随意拆除 ［３】胡榴明夕阳无语——武汉老公馆【Ｍ１＿天津：百花文艺出版社。２００７ 或损毁历史建筑的现象已经很少出现了，对涉及建筑外观体量、形式等方面 ［４】沈实现，李春梅，徐华．地域景观・城市记忆——杭州名人故居的景观特质 的改动也比较慎重，而武汉市的各级也采取了多种措施保护这些建筑。 与保护开发『Ｍ１．城市规划，２００５ 种种迹象是我们有理由相信，这些包含名人故居在内的历史建筑的未来 是一片光明的。 作者简介： 参考文献： 王菲（１９９ｏ一），女，汉族，湖北武汉市人，学生，研究生在读，武汉纺织大学艺 …傅欣武汉历史人居环境的保护与重构——再现“汉味”城市建筑风貌与 术设计专业。研究方向：环境艺术设计。 （上接第７５页）合理、全面，满足更多建筑造型的设计结构形式。 ［２】赵建强．大结构转换桁架预压施工与监测技术的研究和应用Ⅱ］．中国大型 参考文献 建筑钢结构工程设计与施工．２０１１（０９） ［１】葛爱琪；张爱林；杨维国；张；王树；张玲．基于性能的大跨度钢结构设 【３】范重；刘先明；范学伟；胡纯炀；胡天兵；吴学敏；郁银泉．国家体育场大跨度 计研究Ⅱ】．建筑结构学报，２ｏ１１（１２）． 钢结构设计与研究卟建筑结构学报，２０１０（１２） （上接第７６页）４结束语 参考文献： ［１】纳剑峰，黄瑜，罗涛等．浅议建筑设计的本质与新思维田．城市建设， 关于建筑空间组合及尺寸，因建筑设计师单方面追求精神元素创新，却 ２０１０，（３２） 将建筑空间功能、建筑造价及建筑使用效率等因素忽视，这往往造成建筑无 【２］邢凯，孙澄建筑设计创新思维学研究的框架建构Ｕ］．哈尔滨工业大学学报： 效用空间普遍存在，亦或建筑结构上机械地套用某些复杂形式。针对我国建 社会科学版，２０１１，（０５）． 筑设计现状，笔者将就建筑设计新思维相关事项展开讨论，以确保我国建筑 作者简介： 设计行业健康可持续发展。 张嚣晔，１９８２年５月，女，工程师，主要从事于建筑设计工作。 （上接第７７页）的建筑装饰风格并存，利用传统佛教建筑装饰文化的超强同化 位的研究主题，以及所提出的佛教建筑发展建议，在理论方面均存在一定的 优势，不断吸收和融汇其他外来的建筑文化，从而形成新的建筑模式，另一方 借鉴意义，但相关的内容，需要在实践当中予以进一步的补充完善。 面是关注现代信众的审美需求，迎合“个性”、“人性”、“创新”等现代审美观， 让佛教文化与世俗更好的接轨而又不至于扭曲变形。 参考文献 四、结束语 ［１］宋元园．中国佛教建筑及装饰的现代转型探析Ⅱ】．大众文艺：学术版，２０１３， （１０）：９８—９９． 综上所述，在了解佛教建筑国外发展情况、国内历史发展情况和国内发 【２】张娟从白马寺看佛教建筑对佛教文化的影响Ｕ１ｌ剑南文学：经典阅读，２０１３， 展现状的基础上，我们不难看出佛教建筑承上启下和改革创新的重要性，随 （２）：１１７． 着时代的发展，在建筑模式和建筑装饰理念等方面，传统和现代进行一番权 ［３］汪瑞霞．中国＇３－代佛教建筑装饰的文化多样性Ｕ】．兰州大学学报：社会科学 衡较量，期间存在的矛盾成为佛教建筑可持续发展的绊脚石。为此，本文所定 版．２０１１．（４）１６４－１６６ （上接第７８页）参考文献： 作者简介： 【１】张文宇周浩浅析公共建筑设计的结构技术创新Ｕ Ｊｌ知识经济，２０１２（６） 朱晓丽（１９８０－０１）：女，籍贯：河南内乡，学历：本科，学位：学士，职称：工程 ９５－９５ 师。主要研究方向：土木工程 ［２】干幽燕．论现代公共建筑设计及结构技术ｏ］．建材发展导向，２０１ｉ，９（２） 史翔（１９７６．４－）：女，籍贯：河南柘城，学历：硕士研究生，职称：讲师，主要研究 １０４－１０５ 方向：结构工程，毕业学校：长安大学 【３］罗仕姜．浅谈公共建筑设计与结构技术卟中国电子商务，２０１０（５）：１５５—１５５ ・８０・
