CN101008190B - 采用外悬式结构解决大跨建筑跨度与安全矛盾 - Google Patents

Abstract

目前世界上建造特大型公共建筑，经常遇到的最大难题就是屋盖受跨度太大的限制不能设置，雅典主体育场就是如此。从资料查询中得知，目前世界上尚未出现能容纳10万人以上，且顶盖可全封闭的特大型建筑。本发明就是突破传统观念和思维方法，从能否既减少跨度，又能增加座位容量这一矛盾出发，进行深入研究，终于找到解决这一难题的方法，这就是：使一部分结构外悬于空中。这样就可方便地采用从中间部位支撑顶盖的方法，使跨度大大减少，座位容量大大增加，且不受跨度限制。同时使基础工程也可大大减少。因此便容易地设计出可容纳12万观众带全封闭顶盖，宏伟壮丽、超大型宫殿——国家体育宫和能容纳4万观众像一朵美丽莲花的国家游泳中心。

Description

采用外悬式结构解决大跨建筑跨度与安全矛盾

技术领域

本发明主要适用于大跨度公共建筑。

背景技术

目前世界上建造特大型公共建筑(如运动场等)，经常遇到的最大难题就是屋盖受跨度太大的限制不能设置，最终只好放弃(如雅典主体育场就是如此)。从资料查询中得知，目前世界上尚未出现能容纳10万人以上且顶盖可全封闭的特大型公共建筑。

发明内容

本发明就是突破传统观念和思维方法，从能否既减小跨度又能增加座位容量这一对矛盾出发，进行深入研究，终于发现有一种方法可以解决这一难题。这就是：使一部分结构外悬于空中。这样就可方便地采用从中间部位支撑顶盖的方法，使跨度大大减小，顶盖更安全可靠，座位容量又可大大增加，且不受跨度限制。因而可容易地设计出带全封闭顶盖的超大型公共建筑，同时使地面占地和基础工程也大大减少(悬空部分不需基础了)，使工程投资也大大节省。

将顶盖大梁和看台大梁做成完全一致的对称式结构，并连成一体，就可起到相互斜拉和平衡的作用，使看台和顶盖均稳固可靠。根据需要顶盖还可做成活动和固定两部分。

利用圆柱和看台下建筑支承看台，不仅使看台稳固可靠，还有效地利用了看台下空间，使其产生经济效益。

由于部分结构外悬，就可做成多种多样的结构形式和造型，为大跨建筑带来广阔的发展空间和机遇。

从此，可以毫不夸张地说，今后再大的超大型公共建筑已不再是难事。

附图说明

根据这一全新的设计理念和方法，本人已初步设计出超大型能容纳12万观众的国家体育宫结构图和能容纳4万观众像一朵美丽莲花的国家游泳中心结构图，下面分别予以简要说明。

(一)国家体育宫结构图(见图1)

参照国内外各种大型体育场馆及中国古代建筑，并根据实用、经济、美观、科学等原则，经多种方案比较，发现还是以圆形宫殿式为最佳，它能体现古朴典雅、豪华庄重、宏伟壮丽等气慨。本设计就是在此基础上，使一部分看台外悬于空中，从而大大增加了座位容量，并大大减少了地面的占地和地面工程，不仅能大大减少投资，又能大大增加社会经济效益。例如当座位增加到12.16万个时，看台面积为65650m²，基础工程面积只有27806m²，只占看台面积42％，而58％面积被节省，看台下需建楼层面积约44750m²，仅占常规结构的22％，而78％的面积节省。然而12万门票的收入则可想而知，看台下的建筑又可做大型商场、展览厅、体育锻练馆及办公用房等，其经济效益也是相当可观的。

采用套管式钢筋水泥圆柱从内部支撑顶盖的方法，并把顶盖分成活动和固定两部分。在R＝66m处用10根圆柱支撑起1、2、3等五根大梁，用以支承中央两块活动顶盖A₁和A₂，并使其能在1、2 两根平行大梁上移动，以便打开和关闭。A₁和A₂各为8423m²，与运动场面积相等，用淡绿色有机玻璃或高强塑料制作。活动顶盖最大跨度为156m，最小跨度为132m。这与看台最大宽度336m和常规结构相比就大大减少了跨度。再用34根圆柱在R＝116m处的中间位置支撑固定顶盖B，用于托住B的小梁，从单根来看就是一个杠杆，只要支点外侧重量大于内侧重量，则内侧一端就会有一向上的力，决不会掉下。因此可以说，用于支承B盖的圆柱基本上与跨度无关，甚至可以说，在支点不变的情况下，座位越多，支点外侧面积越大，B盖越稳定。另外用5根钢索经10根圆柱对看台予以斜拉，并将顶盖和看台的大小梁连成一体，又可起到相互斜拉和平衡的作用，使看台和顶盖均稳固可靠。由此不难看出采用以上办法不仅使整个工程更安全可靠，而且使工程难度和造价也大大降低。B盖用薄不锈钢钣制作，并将内部挂上一层泡沫塑料，不仅重量造价大大减少，而且可以起到保温吸音的效果。

由于采用以上两种办法，加上老祖先教给我们的环形对称式圆柱结构，对来自任何方向的作用力都很容易达到平衡与稳定。可以十分有把握地说：只要打好牢固可靠的基础，并精心施工，这个世界上最大和壮丽的宫殿它就能经受住各种自然条件的考验而长存，并让世人看到中华民族的伟大创造力。

此外，由于这个工程要建在公园里，所以顶部采用葵花形状，以便与环境和谐。

几点提示：

①看台下圆柱取Φ80～100cm，以上取Φ40～50cm。

②外悬部分看台，按悬臂梁设计，钢筋全部焊接，外加5根钢索斜拉，以便对看台和大梁起双重保险作用。

③在圆柱最易变形的中间部位，加一适当长套管，用以增加其强度，防止变形，并用连接钣将每根套管焊接，以增强其整体性和强度。在每根圆柱顶端套上一个钢帽，将托住顶盖的小梁焊接其上。这样在遇强烈地震时，每个钢帽和圆柱就不是刚性连接，而是弹性连接，使整个顶盖的活动量大大减少，从而大大减少地震的破坏力。

④为通风换气窗，高3m，宽5m，，用以通风采光。

⑤为护栏，保护施工者安全，每2m立一高1.2m，ф24～30mm短管，每4m立一高1.6m长管，以便安插各国国旗。均用不锈钢管制作(为增加其强度可内套一普通钢管)。

⑥为通用大门，高2.8m，宽4m。

⑦为车用通道，高4.5m，宽6～8m，以便走各种车辆和机械。

⑧为行走道和进出口。

(二)国家游泳中心结构图(见图2)

游泳、跳水系广大群众喜爱之项目，又是奥运大项，因此，本工程当然也就成了重点工程，能否建成一个让人一看就能称好，并能容纳较多观众的体育馆，乃广大群众和工程人员的共同愿望。经研究和多种方案比较，发现似莲花形结构较理想，它具有结构简单、外形美观、投资少等优点。

从工程学上考虑，研究发现以上下对称结构并连成一体最理想，即顶盖与看台结构完全一致，并成一体。这样就构成相互制约和斜拉的效果。当看台受到向下的作用力时，大梁必使顶盖产生向上的拉力，反之，顶盖受到向下的作用力时，大梁必须使看台产生向上的拉力，从而达到相互制约和平衡。大梁均采用箱型变截面结构。另外，顶盖与看台完全一致，无论从空中和地面看，都是一朵美丽的莲花。为减轻重量，项盖绿色莲蓬用有机玻璃或塑料制作，其余用薄不锈钢钣制作。

考虑北京为缺水城市，而天然降水乃天然蒸馏水，比地面和地下水优越，故在游泳池下面设计四个储水池(储水1-2万m³)，除可供游泳池用水外，还可利用储水调节室内温度。将顶盖边缘高出5-6cm就可使雨水集中，并经管道流入储水池。将顶盖和侧立面用薄不锈钢钣做成双层结构，使其中间保持3-5mm间隙，在夏天高温时就可将池中储水打入顶盖和侧立面，利用阳光加温，将加温后的热水让其流入另一池保温。这样，在室内墙面设置一定面积的传热钣，在夏天打入冷水就可降温，在冬天打入热水就可升温，而不用设置大型空调机，也就大大节省能源。本工程设计座位4万个，大概也是世界最大室内游泳中心了。

图中：1——通风换气窗         7——游泳池

      2——拱形加劲肋         8——储水池

      3——拱形支架           9——保温层

      4——加强钣             10——采光窗

      5——集水管             11——大梁

    6 ——过滤池

具体实施方式

上述二例清楚表明，当一个大型或超大型公共建筑需要你进行设计，而你发现利用过去常规原则和方法不能完成设计任务时，此时你只要利用本专利的全新设计理念和方法，结合具体情况与要求，将部分结构外悬于空中，并想好结构形式与造型，就能创造出独具特色的全新超大型建筑和具全新结构造型的美丽建筑。

Claims (3)

1.一种采用外悬式结构解决大跨建筑跨度与安全矛盾的方法，其特征是，使部分结构外悬于空中，从中间部位支撑顶盖，将顶盖大梁和看台大梁做成完全一致的对称式结构并连成一体，起到相互斜拉和平衡作用，使看台和顶盖均稳固可靠，使跨度大大减小，座位容量大大增加，因而可方便的设计出带全封闭顶盖的超大型公共建筑，同时又可减少基础工程量，使投资大大节省。

2.根据权利要求1所述的采用外悬式结构解决大跨建筑跨度与安全矛盾的方法，其特征是，将顶盖做成活动和固定两部分。

3.根据权利要求1所述的采用外悬式结构解决大跨建筑跨度与安全矛盾的方法，其特征是，利用圆柱和看台下建筑支撑看台，这样，不仅使看台稳固可靠，还有效地利用了看台下空间，使其产生经济效益。

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