对建筑工程结构体系的思考

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【摘要】随着经济的发展，人类社会的进步，现代建筑工程结构体系呈现出多样化的发展趋势，本文以当前所处环境为背景，对近来应用较为广泛的钢―混凝土结构，索张拉结构，索穹顶结构等几种新型建筑结构体系进行了分析。

【关键词】钢―混凝土混合结构；索张拉结构；索穹顶结构；高效预应力结构

0、引言

在原始社会，人们已经有了居所的概念，他们利用山洞、树林等自然屏障物遮风挡雨，随着生产力的发展，土、木、石和人工烧制的砖瓦相继出现并成为搭建房屋的材料，人们的生活才进一步丰富起来，而这一过程，延续了数千年之久。真正意义上的现代建筑结构体系是在19世纪的欧洲出现的，当时的钢铁工业和水泥工业发展迅速，人们利用热轧型板、钢板和铆接技术形成了建筑排架、网架等结构体系，利用混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能，发展了钢筋混凝土技术，并形成了钢筋混土框架等结构，这种技术，现在依然被广泛使用。进入20世纪后，世界的发展进入新的纪元，人们对建筑物的造型、设计和跨度等要求越来越高，对建筑结构的要求也自然随之提高，一些新的建筑结构体系油然而生。本文以当前应用最多的几种新型建筑结构体系为例，分别予以介绍说明。

1、钢―混凝土混合结构

钢―混凝土结构最早应用于美国芝加哥市的一所高楼，而我国由于一些现实原因，直到20世纪80年代才将钢结构用于高层建筑。目前，在全国范围内已建成或正在建设中的高层建筑物约有一半是采用钢―混凝土结构，我国建设部和国家冶金工业局曾颁布《建筑用钢技术政策》，把钢―混凝土结构列为可以大力推广的建筑新技术。从材料来看，钢结构和混凝土结构各有所长，前者重量轻、强度高、延性好、施工速度快、建筑物内部净空气面积大，而后者则具有刚度大、耗钢量少、省材料费、防火性能好等优点，二者互补，为高层建筑的发展开辟了一条新的途径。有统计分析表明，若高层建筑采用钢―混凝土结构，与使用全钢结构相比，速度相当，而用钢量则只有后者的70%，可以预见，混合结构的这一优势，使它在高层办公楼、学校、住宅、医院等建筑中将有更为广泛的应用。一个最为典型的例子就是我国上海的金茂大厦和香港长江中心，均是采用这种结构。

2、索张拉结构

索张拉结构的基本受力构件有三类，分别是受压构件、受弯构件和受拉构件。对于受压构件而言，当构件的形体为细长状而且较大时，一般容易发生整体失衡的问题，在这种情况下，构件的作用无法充分发挥；对于受弯构件，如果构件截面应力不均匀，那构件材料就不能充分发挥其作用，因为截面边缘的最大应力往往用来控制构件的设计，牵一发而动全身。相比而言，只有受拉构件，截面的应力均匀，一般不会有整体失衡问题的发生，如利用高强索做成受拉构件，并结合少数刚性受拉结构，那可构成受力合理的高效张拉结构体系，不仅承载力高，强度大，而且能使各种材料的强度都能得到很好的发挥，提高结构的经济性。上海世纪公园三号钢结构大门就采用了索张拉结构，该大门的设计关键和难点是抗风设计，使用索张拉结构可以使建筑物的拉力增强，能有效解决这一难题。

3、索穹顶结构

索穹顶结构实际上是一种特殊的索―膜结构，是一种近年来才发展起来的一种结构效率极高的张力集成体系。从外形上看，它类似于穹顶，从材料上看，它以钢索为主要构件，因其以始终处于张力状态的索段构成穹顶，用膜材料作为屋面，因而被命名为索顶。这种结构中，除少数几根压杆外，其他都处于张力状态，所以能充分发挥钢索的强度，从原理上讲，只要能避免柔性结构可能发生的结构松弛外，索穹顶结构一般无弹性失隐之忧。所以，这种结构重量轻，安装方便，造型新颖，价位恰当的建筑结构体系，被成功应用于一些大跨度和超大跨度的结构。

4、膜结构

膜结构是张力结构体系的一种，它用具有优良性能的柔软织物为膜材料，由膜内的空气压力来支撑膜面，或者利用钢索向膜内施加张力，从而形成具有一定刚度且覆盖面广的结构体系。膜结构所选用的薄膜材料，大多采用涂层织物薄膜，可分为内、外两个部分。内部一般是基材织物，主要用来决定膜材的力学性质，提供材料的抗拉强度和抗撕裂强度；外部为涂层，主要解决膜材的物理性质，可以提供材料的耐火、耐久性。总体而言，常用的膜材一般是聚酯织物涂敷氯乙烯涂层膜材、玻璃纤维织物涂敷聚四氟乙烯涂层或有机硅树酯涂层膜材。膜材并接结构多采用热焊，非结构接缝则以缝合技术居多。与其他建筑结构体系相比，膜结构优点很突出，它造型优美活泼，富有时代感；自身重量轻，能充分利用自然光，减少能源消耗，适合大跨度的建筑物；价格相对低廉，能背普遍使用；结构抗震性能好。但是其缺点也是显而易见的，充气膜结构主要有单层、双层和气助式三种，需要长期不间断的能源供应才能维持，而单层膜结构又是当前采用较多的一种膜结构，在低拱度大跨度建筑中的单层膜结构必须是一个完全封闭的空间，这样才能保持一定的气压差。在气候恶劣的地方，空气膜结构的维护有一定的难度，曾有不少建筑因为意外的漏气状况而下瘪。

5、高效预应力结构

高效预应力结构是指使用高强度的建筑材料，现代化的设计方法和先进的施工工艺建筑而成的预应力结构，这也是当今技术最为先进、用途最广泛且最有发展前途的一种建筑结构形式。[ 张心芳. 谈对建筑工程结构体系的分析[J]. 建筑与工程，2007（8）：87]就世界范围来看，几乎所有高大精尖的土木建筑结构都采用了高效预应力结构，如大型公共建筑、电视塔、核电站安全壳等。

与传统的预应力结构相比较而言，高效预应力结构主要有以下几个特点：（1）广泛采用高强度材料：从目前国内的情况看，预应力混凝土结构中常用的混凝土等级已从c40―c80，上升到c100以上，预应力钢钢绞线的极限抗拉强度可达1860Mpa，提高很明显；（2）按照现论设计，如抗震设计理论、延性设计理论等，通过合理确定结构预应力度和截面配筋指数，进一步改善了高效预应力结构的抗震性；（3）适用范围广：高效预应力结构较为适用于大跨度和超大跨度以及使用性能高的结构，现已扩展到高层结构的转换层、钢结构、路基、路面等结构领域。

近年来，我国经济发展迅速，各方面都有了显著的提高，这种高效预应力技术也已有了专门的结构体系，其典型的施工案例就是首都国际机场新站区扩建工程，这个工程是是国家“九五”重点工程，其投资金额、建设规模、配套工程等均为我国民航建设史之最：建筑总面积约为35万平方米，平均每层约8.8万平方米。本工程全面采用了高效预应力技术，仅无粘结预应力斤量就达4000余吨。这个工程的基础是在整体预应力平板筏的基础上，在建筑物上部结构采用了预应力框架、剪力墙体系和预应力板柱、剪力墙体系，其他部分屋面则采用了预应力空间焊接钢管屋架。首都国际机场新站区工程是顺利完工，也表明了这种建筑结构体系应用的顺利实现，可以预见的是，将来我国会有更多工程采用这种先进的结构体系。

社会处在不断进步之中，建筑结构方面也是如此，随着高性能预应力材料的推广以及结构设计理论和设计方法的不断发展，这种新型的高效预应力结构体系将会被更广泛的使用并发挥越来越大的作用

【参考文献】

[1] 李荣晖. 试论建筑工程结构的体系[J].中国集体经济研发，2007（4）：148.

[2] 张心芳. 谈对建筑工程结构体系的分析[J]. 建筑与工程，2007（8）：87.

[3] 李喜民，苑晓薪. 浅析对建筑结构工程体系的分析[J].工程建筑，2007（6）：131.

[4] 李国强. 当代建筑工程的新结构体系[J].建筑学报，2002（7）：22―24.

[5] 李国强，陆烨. 浦东中央公园三号钢结构大门的设计与施工[J].建筑结构，2000（4）：29―30.