1、認識形態作用結構體系認識形態作用結構體系摘要：結構作為建筑實體存在的決定性因素，是建筑設計時的關鍵內容。而本文就將初步的對結構的體系進行認識和了解。對于結構體系的分類，是從建筑結構的功能出發，通過對其本質性的力的改向與傳遞的分析與研究，制定了一定標準，從而得到了不同的結構體系分類。結構體系一般分為：形態作用結構體系、向量作用結構體系、截面作用結構體系、面作用結構體系、高度作用結構體系以及共同作用的結構體系（混合結構體系）。論文將淺析結構體系中的形態作用結構體系，其中拱結構和受拉體系中的懸索結構將作為本文的重點進行探討，其他受拉結構體系也將有簡要的認識。關鍵字：形態作用 結構體系 拱 懸索一、結

2、構與形態作用結構體系建筑結構的穩定與持久，依賴于研究其最初最基本的受力狀態。力對于結構的作用，影響著建筑設計、實施以及后續維護的各個方面。而對于形態的定義，它是指物質實體在三維空間中的特殊分布狀態，更明確到建筑方面，則是指該實體以明確方式在運作并履行特定功能。一般來說，形態的保持與功能的實現都是由結構決定的。而一些特定的形態也正是結構的重要部分，它的形態作用本身使得建筑能夠維持并且實現其功能。而形態作用結構體系的定義則是：由可撓曲、非剛性物質構成的體系，體系內的力的改向系通過特定的形態設計與特有的形態穩定來實現。在參考教材中，形態作用體系悲憤為受拉結構體系和拱結構體系；在老師上課的課件中，將形

3、態作用結構體系分為下面幾種結構：懸索結構（cable structures）、帳篷結構（tent structures）、氣囊結構（pneumatic structures）、拱結構（arch structures）。通過查找相關文獻和論文資料，以下文段將對受拉結構體系中的懸索結構以及拱結構的進行較多討論，著重懸索結構和拱結構。2、 懸索結構特點及形態2.1結構體系概述懸索結構，是指以一系列受拉的索作為主要承重構件，這些索按照一定規律組成各種不同形式的體系，并懸掛在相應的支承結構體系邊緣構件上的結構。索一般采用有高強鋼絲組成的高強鋼絲束、鋼絞線或鋼絲繩，也可采用圓鋼筋、帶鋼或薄鋼板以及其他受拉

4、性能良好的材料。正是由于索主要承受軸向拉力的特點，使得我們可以最充分的利用鋼材的強度，如果再采用高強度材料時，更可以大大減輕結構的自重。因此，懸索結構可以較為經濟的跨越很大的跨度，主要用于橋梁、體育館、博物館等大跨度公共建筑和某些大跨度工業廠房的建設，是目前大跨建筑的主要結構形式之一。2.2懸索結構的特色懸索結構是一種受力合理的建筑結構。索的受力特點是其只承受拉力，這種結構能夠充分利用剛才的強度。通過索的軸向拉伸抵抗外荷載，結構中不出現彎矩和剪力效應。由于懸索在自重下形成自然下垂，由此使得索中拉力與支承水平力間的距離構成的內力臂始終在索截面范圍以外，增加垂度也就加大了力臂，從而也有效減少索中拉

5、力和索截面積。根據國外懸索屋蓋所做的統計，當結構跨度不超過160m時，每平方米屋蓋的鋼索用量一般在10kg以下。正因為此，懸索結構能夠跨越很大的跨度，且不需要中間支承。由于懸索結構充分利用了個材料性能，特別是當采用高強鋼材時，更可以大大減輕材料的用量，從而減輕結構自重，使得某些大跨度工程的材料使用費用降低。懸索的結構形式多種多樣，平面布置也比較靈活，可以滿足不僅是結構承載上的建筑要求，同時還可以增加建筑的藝術感和特殊的造型設計，創造出新穎且獨特的建筑造型。除以上特點之外，因為懸索的自重較小，屋面也可采用輕質材料制造構件，不需要龐大的起重設備和搭設大量腳手架，節省模板，降低了施工費用。然而，懸索

6、結構也有一定的局限性。由于懸索的結構特點，使得懸索屋蓋結構的穩定性較差。單根的懸索是一種幾何可變結構，其平衡歲荷載分布方式而變，特別是當荷載作用方向與垂度方向相反時，懸索就喪失了承載能力。因此，常常需要附加布置一些索系或結構來提高屋蓋結構的穩定性。同時懸索結構的邊緣構件和下部支承也必須具有一定的剛度和合理的形式。用以承受索端巨大的水平拉力。2.3懸索結構的主要形態懸索結構的形式根據索網、邊緣構件和下部支承結構的不同配置，可以構成不同系列形式各異的懸索結構。包括單層懸索結構、雙層懸索結構、索網結構。（1） 單層懸索結構所有復雜的懸索結構都是有多根單索組成的，因此我們首先需要了解單索的形態結構。單

7、索的索形態主要有懸掛點的位置和索的垂度決定。根據使用的建筑平面不同，又分為單曲面單層懸索結構和雙曲面單層懸索結構。圖示如下：單層懸索結構有一個比較大的缺點上文中已經提及過，即穩定性較差。更進一步講即懸索為一種可變體系，其平衡形式隨荷載分布而變，同時懸索的抗風性能差。（2） 雙層懸索結構雙層懸索體系是由一系列下凹的承重索、上凸的穩定索及兩者之間的連系桿（拉桿或壓桿）組成。雙層索系的空間形態取決于下層索的形態。對于交疊布置的雙索系，其內部空間頂面形態豐富。中間連系桿的布置方式也會影響到結構形態的視覺效果。（3） 索網結構索網結構通常是由兩組相互正交、曲率相反的鋼索直接交叉組成的。這種索網形成有正、

8、負高斯曲率構成的雙曲拋物面，所以也被稱為鞍形索網。兩組鋼索中，下凹的為承重索（主索），上凸的為穩定索（副索），兩組鋼索在交點處相互連接。索網周邊構件受力較大，即使做成曲線形狀，也會產生相當大的彎矩，因而需要有較大的截面。對索網結構必須施加預應力，使其體系的穩定性和剛度提升。由于存在曲率相反的兩組拉索，因此對任意一組或同事兩組進行張拉，即可實現預應力。一個由索網構成的承重面是由一維的受拉構件組成的，而一個帳篷結構則形成一個真正的索網面。3、 拱結構特點及形態3.1拱結構體系概述拱結構是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線或折線形結構。與彎剪體系相比，拱結構具有跨度大、承載力高、截面薄、

9、變形小的優點，與懸索結構一樣，拱結構為實際的建筑工程節省了材料。拱的內力主要為壓力，這一突破性發展使得構件能夠擺脫彎曲變形。拱結構通過磚、石砌體等脆性材料的抗壓性能，實現某些結構體系不能或者較難實現的大跨度工程。同時，拱結構也有一定的缺陷存在，其拱腳處會產生水平推力，跨度大時推理增加，在解決這一推力時需要耗費較多材料。在當代大跨建筑中，拱結構作為建筑屋蓋的主要支承結構，與其他結構形式組合，也創造了獨特且新穎的建筑設計形式。3.2拱結構的形態拱結構根據其軸線的幾何形態可劃分為圓形、橢圓形、拋物線、懸鏈線等幾種基本形式。除此之外，還有多種如變曲率曲線、三角形、梯形、多角形等其他擴展形式。如果根據拱

10、截面的平面內外的剛度差異，拱又可分為實心拱和格構拱。實心拱實現了彎矩向軸力的轉化，截面形式主要有工字形、圓管、T形、矩形、平板（筒拱或拱殼）以及組合形式；格構拱的截面形式多樣，常見的有箱型或圓鋼焊接成的三角形格構拱、梯形格構拱，矩形格構拱和正方形格構拱等等。格構拱本身具有較好的空間剛度，一般適用于較大跨度的拱形屋架。除此之外，根據拱平面與水平面夾角的不同，拱還可以分為直拱和斜拱兩種類型。直拱指拱平面和水平面之間夾角為 90°的拱，斜拱指拱平面和水平面之間夾角小于90°的拱。 在滿足建筑效果的基礎上，應該盡量增大拱平面和水平面之間的夾角。適當增加斜拱出平面方向的約束，可減小斜

11、拱出平面方向的彎矩和扭矩。 根據拱的靜力圖式，拱還可分為無鉸拱、兩鉸拱、三鉸拱。無鉸拱為三次超靜定結構，其特點為：在荷載的作用下，拱的內力分布較均勻，結構的整體剛度較大，且構造簡單、施工方便，因此被廣泛應用于砌體以及鋼筋混凝土拱結構中。兩鉸拱結構整體剛度優于三鉸拱，支座沉降等產生的附加內力小于無鉸拱。兩鉸拱因其構造簡單、制作方便等優勢，一般應用于中小跨度的建筑中。大跨建筑中，因拱弧太長，吊裝剛度不足，通常則采用三鉸拱。3.3拱結構的局限性 拱結構在建筑應用中，仍然存在著一定的局限性，主要表現為： 1、相對于張拉結構，拱的變化形式受其自身的力學機制影響，變化的局限性較大，可調節的余地較小。 2、

12、空間形態方面，拱結構組合所形成的空間多為規則幾何空間，其空間形態相對不是很豐富。 3、結構處理上，側推力的問題仍需重點解決。解決側推力，對建筑形體及周邊功能的排布影響較大。 4、對于格構拱，輕質高強的新型材料的應用促使拱結構在結構受力需求方面，截面變小，由此導致了兩方面的問題：1） 形象需求與結構需求的尺寸不統一；2） 桿件過細導致出平面屈曲問題變得嚴重。 4、 其他形態作用結構體系淺析懸索結構和拱結構通過詳細查找資料進行歸納匯總，上文進行了較為詳細的梳理。除此以外，形態作用結構體系還有帳篷結構、氣囊結構等。帳篷結構最簡單的構成就是將一塊布四角拉緊固定起來得到的。這一結構是人類最早使用的結構之

13、一，其傳統的構造方式可以分為支架式和張拉式兩種。帳篷結構體系的結構原理為：帳篷是純受拉的結構形式，對于任何一個和帳篷面的方向不一致的外力，都會讓帳篷面隨之產生形變。在荷載作用下會產生較大的形變，尤其在風力作用下，會額外產生擺動甚至發出噪聲。帳篷的造型不是通過幾何方法，而是通過預張力的平衡來確定的。該結構的優點在于帳篷結構的自重輕、造型豐富。氣囊結構又被成為空氣承重結構，其原理顧名思義是由空氣支承外部（上部）結構，通過改變空氣的壓力，使得被包圍的空氣處于正壓或負壓的狀態，用以此形成的壓力差平衡外部荷載。一個均勻的彈性膜所包圍的空間內部沖氣加壓時，這個圍護的膜結構總是趨于一個球面（最小表面及原理），所以氣囊結構的基本幾何形式為球形。當氣囊內部的空氣壓力增大時，薄膜內部的張力增大，球體的體積會隨之膨脹，求的半徑增大，而球的曲率減小。氣囊結構體系的結構原理為：空氣壓力是用于支撐和穩定室內超壓氣囊結構的。當空氣處于超壓狀態時，就會像各個方向施加均衡的壓力，這個力用于支撐薄膜。然而，這種室內超壓氣囊結構是建立在室內超壓環境之下的，它最大的問題在于氣密性以及用于防止空氣泄露所帶來的維護