一种编织环状建筑结构 |
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| 申请号 | CN202210285603.5 | 申请日 | 2022-03-22 | 公开(公告)号 | CN114575462B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 东南大学建筑设计研究院有限公司; | 发明人 | 孙逊; 张翀; 方立新; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 土木工程 中的结构工程技术领域，具体涉及一种编织环状建筑结构，该结构包括上层屋盖结构、下层楼面结构、内外环形立面结构、支承体四部分。上层屋盖结构由径向布置的屋盖 钢 梁和屋盖钢梁之间的面内编织状 支撑 组成；下层楼面结构由楼面钢梁和楼面钢梁上的现浇组合楼板组成；内外环立面结构为环桁架，连接上层屋盖结构和下层楼面结构形成一个整体；支承体设置于下层楼面结构下方。本发明实现环向和径向的双向大跨越，解决了传统大跨环形结构外环的外倾问题，对异形屋面有很好的适应性，同时创造了环状体内完整的无柱空间，使建筑内部获得灵活完整的展示空间。在大跨度圆环形房屋、环带形人行天桥等建筑中具有良好的应用前景和推广价值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种编织环状建筑结构，其特征在于：包括内外环形立面结构、上层屋盖结构、下层楼面结构以及若干支承体（11），其中： |
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| 说明书全文 | 一种编织环状建筑结构技术领域背景技术[0002] 目前，环形建筑在当前的建筑设计领域中得到了越来越多的应用，其建筑的圆环形平面由外侧大圆和内部小圆形成，若两个圆为同心圆，其环带宽度为大圆半径减去小圆半径，若两个圆不同心，则其环带宽度不是定值。最初的环形建筑在人行天桥类结构中有所采用，大多仅有一层桥面结构，且人行天桥结构宽度较小，多采用连续钢箱梁、或网架结构。在房屋建筑中应用的大跨环向建筑多只是环向或径向中某一个方向跨度较大，采用传统的环向或径向桁架结构均可实现。 [0003] 随着此类建筑的发展，其体量和尺度越来越大，外圆直径经常超过了120m，环带宽度在10 30m之间，所述下层楼面结构下方的支承体环向最大间距接近70m，且此类建筑的使~用功能多为文化展示及公共交流，圆环体内部需要完整的无柱空间，具有环向和径向双向大跨的特征，再加上建筑屋面造型具有一定的复杂性。现有技术无法有效的解决此类建筑带来的结构问题，形成的结构体系仅在单向具有一定的结构刚度，或无法形成内部完整的无柱空间，且对复杂屋面没有很好的适应性。 发明内容[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种编织环状建筑结构，包括内外环形立面结构、上层屋盖结构、下层楼面结构以及若干支承体，其中： [0006] 所述内外环形立面结构包括内环桁架和外环桁架，所述内环桁架与所述外环桁架均竖向平行布置，形成不同心的环带，所述环带包括最小宽度部和最大宽度部，所述环带最小宽度部径向距离为10m，所述环带最大宽度部径向距离为30m； [0007] 所述内环桁架包括a屋盖上弦杆和a楼面下弦杆，所述a屋盖上弦杆通过内环桁架腹杆与所述a楼面下弦杆连接，所述外环桁架包括b屋盖上弦杆和b楼面下弦杆，所述b屋盖上弦杆通过外环桁架腹杆与所述b楼面下弦杆连接； [0008] 所述上层屋盖结构包括若干屋盖钢梁和若干屋盖支撑，若干所述屋盖钢梁径向间隔布置于所述a屋盖上弦杆与所述b屋盖上弦杆之间，使得所述a屋盖上弦杆作为所述上层屋盖结构的内环梁，所述b屋盖上弦杆作为所述上层屋盖结构的外环梁，所述上层屋盖结构的外环梁直径不低于100m； [0009] 所述屋盖支撑设置于所述a屋盖上弦杆与所述b屋盖上弦杆之间； [0010] 所述下层楼面结构包括若干楼面钢梁，若干所述楼面钢梁布置于所述a楼面下弦杆与所述b楼面下弦杆之间，使得所述a楼面下弦杆作为所述下层楼面结构的内环梁，所述b楼面下弦杆作为所述下层楼面结构的外环梁； [0011] 若干所述支承体间隔布置于所述下层楼面结构下方，至少有一个相邻所述支承体之间的间距不低于70m。 [0012] 作为本发明的进一步优选，临近或位于所述环带最大宽度部处的所述屋盖钢梁包括一体连接的水平钢梁和斜向钢梁，所述水平钢梁另一端与所述b屋盖上弦杆连接，所述斜向钢梁另一端与所述a屋盖上弦杆连接。 [0013] 作为本发明的进一步优选，所述屋盖支撑包括屋盖环向支撑和屋盖斜向支撑，所述屋盖环向支撑等间距设置于所述a屋盖上弦杆与所述b屋盖上弦杆之间，所述屋盖环向支撑、所述屋盖钢梁、所述a屋盖上弦杆、所述b屋盖上弦杆形成网格状结构；所述屋盖斜向支撑沿网格状结构对角线设置。 [0014] 作为本发明的进一步优选，所述支承体包括钢筋混凝土框架剪力墙结构和钢框架支撑结构，所述钢筋混凝土框架剪力墙结构用于支撑所述环带最大宽度部正负55°圆心角的范围处的所述下层楼面结构，所述钢框架支撑结构用于支撑除所述环带最大宽度部正负55°圆心角的范围处外的所述下层楼面结构。 [0015] 作为本发明的进一步优选，所述楼面钢梁包括若干混凝土梁和若干径向钢梁，若干所述混凝土梁布置于所述环带最大宽度部正负55°圆心角的范围处的所述a楼面下弦杆与所述b楼面下弦杆之间平面内，若干径向钢梁径向布置于除所述环带最大宽度部正负55°圆心角的范围处之外的所述a楼面下弦杆与所述b楼面下弦杆之间平面内。 [0016] 作为本发明的进一步优选，所述下层楼面结构还包括钢筋桁架组合楼板，所述钢筋桁架组合楼板铺设在若干所述楼面钢梁上方；所述钢筋桁架组合楼板内钢筋为双层双向连续配置，在临近或位于所述环带最大宽度部处，所述钢筋桁架组合楼板内钢筋采用直径至少是12mm的钢筋或增加所述钢筋桁架组合楼板内钢筋数量。 [0017] 作为本发明的进一步优选，所述屋盖斜向支撑设置方向为所述网格状结构等效为膜结构后的主应力的分布方向。 [0018] 作为本发明的进一步优选，包括主入口，所述主入口开设在所述b楼面下弦杆与所述b屋盖上弦杆之间。 [0019] 作为本发明的进一步优选，还包括若干内部支撑结构，所述内部支撑结构由若干钢支撑交叉连接形成，若干内部支撑结构设置于所述内环桁架与所述外环桁架之间，所述内部支撑结构对应所述下层楼面结构下方的支承体所在位置设置。 [0020] 作为本发明的进一步优选，所述内环桁架腹杆呈人字形或V形分布在所述a屋盖上弦杆与所述a楼面下弦杆之间；所述外环桁架腹杆呈人字形或V形分布在所述b屋盖上弦杆与所述b楼面下弦杆之间。 [0021] 通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果： [0022] 1. 本发明通过屋盖支撑的布置、环状体内竖向支撑的设置以及考虑楼面混凝土楼板的刚度贡献，以有限的结构高度实现了环形建筑环向和径向双向大跨越，整个环状体内形成了完整的无柱空间，使建筑内部空间使用更加灵活； [0023] 2. 本发明对圆环形建筑造型有很好的适应性，可应对不同跨度、尺度、造型的圆环形建筑，是具有一定通用性的结构体系； [0024] 3. 本发明该结构体系结构布置的规律性和规则性使之具有一定参数化生成的潜在优势，通过对建筑外形和结构划分的若干关键参数进行定义，可以实现快速建立结构模型，极大的提高了建模效率； [0025] 4. 本发明竖向构件即为内外环立面结构，可兼做幕墙立面龙骨的生根点，最大程度的做到了结构竖向构件的最优布置和最大程度利用；该结构体系结构布置的规律性和规则性也使建筑外立面便于采用模块化、单元式的幕墙系统，有利于建筑立面工业化和装配式的生产和安装； [0027] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 [0028] 图1是本发明相邻两屋盖钢梁间平面内主应力方向和大小分布图； [0029] 图2是本发明屋盖支撑分布图； [0030] 图3是本发明的整体结构示意图； [0031] 图4是本发明上层屋盖结构示意图； [0032] 图5是本发明内外环桁架结构示意图； [0033] 图6是本发明下层楼面结构及支承体结构示意图； [0034] 图7是本发明剖面图。 [0035] 图中：1、b屋盖上弦杆；2、a屋盖上弦杆；3、屋盖钢梁；4、屋盖支撑；5、外环桁架腹杆；6、内环桁架腹杆；7、内部支撑结构；8、b楼面下弦杆；9、a楼面下弦杆；10、楼面钢梁；11、支承体。 具体实施方式[0036] 现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。 [0037] 本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。 [0038] 如图3至图7所示，一种编织环状建筑结构，包括沿环向布置的上层屋盖结构、沿环向布置的下层楼面结构、设置于所述上层屋盖结构与所述下层楼面结构之间的内外环形立面结构以及沿环向布置的若干支承体，所述内外环形立面连接所述上层屋盖结构和所述下层楼面结构形成一个具有空间抗弯、抗扭刚度的整体结构，其中： [0039] 上述内外环形立面结构包括内环桁架和外环桁架，所述内环桁架与所述外环桁架均竖向平行布置，形成不同心的环带，所述环带包括最小宽度部和最大宽度部，所述环带最小宽度部径向距离为10m，所述环带最大宽度部径向距离最大宽度为30m。 [0040] 上述内环桁架包括a屋盖上弦杆2和a楼面下弦杆9，所述a屋盖上弦杆2通过内环桁架腹杆6与所述a楼面下弦杆9连接；所述外环桁架包括b屋盖上弦杆1和b楼面下弦杆8，所述b屋盖上弦杆1通过外环桁架腹杆5与所述b楼面下弦杆8连接。 [0041] 进一步地，所述a屋盖上弦杆2、所述a楼面下弦杆9、所述b屋盖上弦杆1以及所述b楼面下弦杆8均采用箱型截面。所述a屋盖上弦杆2与所述a楼面下弦杆9之间设置有若干内环桁架腹杆6，若干内环桁架腹杆6呈人字形或V形分布在所述a屋盖上弦杆2与所述a楼面下弦杆9之间；所述b屋盖上弦杆1与所述b楼面下弦杆8之间设置有若干外环桁架腹杆5，若干所述外环桁架腹杆5呈人字形或V形分布在所述b屋盖上弦杆1与所述b楼面下弦杆8之间；优选地，内环桁架腹杆6和外环桁架腹杆5均采用箱型截面。 [0042] 进一步地，上述a屋盖上弦杆2与所述b屋盖上弦杆1之间设置有所述上层屋盖结构。所述上层屋盖结构包括若干屋盖钢梁3和若干屋盖支撑4，若干所述屋盖钢梁3径向间隔布置于所述a屋盖上弦杆2与所述b屋盖上弦杆1之间，使得所述a屋盖上弦杆2作为所述上层屋盖结构的内环梁，所述b屋盖上弦杆1作为所述上层屋盖结构的外环梁，所述上层屋盖结构的外环梁直径不低于100m。 [0043] 优选地，临近或位于所述环带最大宽度部处的所述屋盖钢梁3包括一体连接的水平钢梁和斜向钢梁，所述水平钢梁另一端与所述b屋盖上弦杆1连接，所述斜向钢梁另一端与所述a屋盖上弦杆2连接。 [0044] 进一步地，所述屋盖支撑4包括屋盖环向支撑和屋盖斜向支撑，所述屋盖环向支撑等间距设置于所述a屋盖上弦杆2与所述b屋盖上弦杆1之间，将所述a屋盖上弦杆2与所述b屋盖上弦杆1之间空间划分成网格状结构；所述屋盖斜向支撑沿网格状结构对角线设置。优选地，所述屋盖斜向支撑设置方向为所述网格状结构主应力的分布方向，具体为所述网格状结构等效为膜结构后的主应力的分布方向；且应使三分之二以上的所述屋盖支撑4以受拉为主。优选地，若干所述屋盖钢梁3采用H型截面；若干所述屋盖支撑4采用圆钢管，若干所述屋盖支撑4并通过连接板与所述屋盖钢梁3的腹板焊接。 [0045] 进一步地，若所述上层屋盖的建筑造型不是规则平面，规则平面指屋盖造型为空间曲面或空间折面，则需要对所述上层屋盖结构进行合理的规则化调整，使所述屋盖钢梁3采用直梁或单折梁，避免出现曲线梁或多折线梁，在规则化的上层屋盖结构的基础上，复杂的建筑屋面造型可以通过主体结构上的二次结构（二次结构指在主体结构上附加的用于实现屋面造型的辅助次结构）来实现，这样可以使上层屋盖结构尽量规则，主体结构形成的屋面整体具有较好的平面内刚度，有效的参与整体结构的空间作用，使结构的整体变形满足要求。 [0046] 进一步地，所述a楼面下弦杆9与所述b楼面下弦杆8之间设置有所述下层楼面结构。所述下层楼面结构包括若干楼面钢梁10，若干所述楼面钢梁10布置于所述a楼面下弦杆（9）与所述b楼面下弦杆8之间，使得所述a楼面下弦杆9作为所述下层楼面结构的内环梁，所述b楼面下弦杆8作为所述下层楼面结构的外环梁。 [0047] 优选地，所述楼面钢梁10包括若干混凝土梁和若干径向钢梁，若干所述混凝土梁布置于所述环带最大宽度部正负55°圆心角的范围处的所述a楼面下弦杆9与所述b楼面下弦杆8之间平面内，具体的，所述混凝土梁包括直线型混凝土梁和弧形混凝土梁，其中，直线型混凝土梁径向分布于所述环带最大宽度部正负55°圆心角的范围处，弧形混凝间隔布置于所述b楼面下弦杆8与所述a楼面下弦杆9之间平面内，且均与所述b楼面下弦杆8平行。若干径向钢梁径向布置于除所述环带最大宽度部正负55°圆心角的范围处之外的所述a楼面下弦杆9与所述b楼面下弦杆8之间平面内。 [0048] 所述下层楼面结构还包括钢筋桁架组合楼板，所述钢筋桁架组合楼板铺设在若干所述楼面钢梁10上方；所述钢筋桁架组合楼板内钢筋为双层双向连续配置，在临近或位于所述环带最大宽度部处，所述钢筋桁架组合楼板内钢筋采用直径至少是12mm的钢筋或增加所述钢筋桁架组合楼板内钢筋数量从而缩短所述钢筋桁架组合楼板内相邻钢筋间的间距。 [0049] 若干上述支承体11间隔布置于所述下层楼面结构下方，至少有一个相邻所述支承体11之间的间距不低于70m。所述环带最大宽度部正负55°圆心角的范围处下方的所述支承体11采用钢筋混凝土框架剪力墙结构从而满足刚强度，除所述环带最大宽度部正负55°圆心角的范围处下方的所述支承体11，其他所述支承体11采用钢框架支撑结构。 [0050] 进一步地，所述上层屋盖结构还包括屋面结构，所述屋面结构铺设在所述屋盖钢梁上方，所述屋面结构采用金属或玻璃或GRC板材制成。 [0051] 进一步地，所述编织环状结构体系的受力模式为360°变截面箱型环梁，具体如下： [0052] 所述上层屋盖结构为箱形环梁上翼缘，通过相邻两所述屋盖钢梁3间平面内若干所述屋盖支撑4提供平面内刚度；所述下层楼面结构为下翼缘，通过若干所述钢筋桁架组合楼板提供平面内刚度。 [0053] 所述编织环状结构体系实现的关键技术措施是使之成为具有空间抗弯、抗扭刚度的整体结构体系，实现这一技术措施需要屋面和楼面均有足够的面内刚度，具体实现如下： [0054] 首先对于上层屋盖结构需要通过在相邻两屋盖钢梁3之间设置屋盖支撑4来提供足够的面内刚度。这些屋盖支撑4的杆件大小、布置方式、倾斜角度需要按如下方法确定： [0055] 步骤1、将所述上层屋盖结构等效为弹性膜，计算所有相邻所述屋盖钢梁3间平面内主应力方向和大小； [0056] 步骤2、根据步骤1计算得到的主应力方向和大小标记在所述编织环状结构体系的三维模型中；如图1所示，图中箭头方向为上层屋盖结构的主应力方向，箭头长短表示主应力大小； [0057] 步骤3、依据步骤2中标记的主应力方向和大小，在实际建筑物相应位置进行若干所述屋盖支撑4的设置，得到具有编织状三角形网格的屋面支撑体系，得到的编织屋面体系受力如图2所示，可见其支撑构件的轴力大小分布与屋盖按弹性膜分析得到的主应力大小分布相近。 [0058] 对于下层楼面结构，需要通过加强下层楼面结构的现浇钢筋桁架组合楼板的厚度及配筋来提供足够的下层楼面结构面内刚度。本编制环状建筑结构在进行电梯或楼梯的安装时，需要在下层楼面结构上开洞时，需要对该洞口的位置进行分析研究，以对关键部位（关键部位指对未开洞的楼板进行应力分析，其拉应力接近混凝土抗拉强度标准值的区域为关键部位）面内刚度削弱最小为原则，即在所述b楼面下弦杆8与所述a楼面下弦杆9之间，位于环带最大宽度部处正负55°范围以外的范围内开洞。当洞口径向宽度超过洞口所在下层楼面结构的宽度的30％时，在开洞周边面内配置钢支撑弥补因开洞造成的楼面削弱。 [0059] 本实施方案还包括便于人员进出入的主入口，所述主入口开设在所述b楼面下弦杆8与所述b屋盖上弦杆1之间。 [0060] 进一步地，本实施方案还包括若干内部支撑结构7，所述内部支撑结构7由若干钢支撑交叉连接形成，且通过横隔板作为若干钢支撑的竖向支撑；若干内部支撑结构7设置于所述上层屋盖结构、所述下层楼面结构以及所述内外环形立面结构围成的整体结构的内部，且若干所述内部支撑结构7对应所述下层楼面结构下方的支承体11所在位置设置。 [0061] 上层屋盖结构、下层楼面结构以及内外环形立面结构组合起来，再加上内部设置的内部支撑结构7，就形成了一个内设加劲肋的箱型环梁受力体系，该体系在径向和环向具有较大的抗弯刚度，同时沿环向具有较大的抗扭刚度，实现双向大跨越的同时，约束了外环的外倾变形。 [0062] 实施例1 [0063] 本实施例提供一种优选实施方案，所述上层屋盖结构的外环梁直径为120m、所述上层屋盖结构的内环梁直径80m、内外环梁不共圆心。根据建筑布置共设置4个支承体11，支承体11根据需要分别采用钢框架支撑结构和钢筋混凝土框架剪力墙结构，可提供足够的竖向和抗侧刚度。采用钢框架支撑结构的支承体，钢柱截面形式为焊接箱型截面，主要截面规格为600(高)×600(宽)×30×30mm及600(高)×600(宽)×40×40mm；柱间钢支撑布置形式为十字交叉形或人字形，其截面形式为H型，主要截面规格为H550(高)×550(宽)×30×30mm；钢柱下基础形式为桩基础，采用直径800mm的钻孔灌注桩。 [0064] 如图4所示的上层屋盖结构，包括b屋盖上弦杆1、a屋盖上弦杆2、屋盖钢梁3和屋盖支撑4；其中屋盖钢梁3沿径向布置，截面形式为H型，主要截面规格为HN700(高)×300(宽)×13×24mm及H800(高)×300(宽)×16×30mm，根据建筑造型采用斜直梁、单折梁或双折梁，其两端支承于b屋盖上弦杆1与a屋盖上弦杆2之间，连接形式均为设置连接板的高强螺栓连接，便于现场快速安装。屋盖钢梁3间编织状钢支撑沿环向布置，在需要较大面内刚度的区域在四边形网格内设置斜支撑、形成三角形网格，斜支撑的布置方向沿屋盖主应力方向，主要截面形式为直径245mm、壁厚8mm的圆钢管，受力较大处采用直径299mm、壁厚12mm的圆钢管，屋盖支撑4与屋盖钢梁3采用设置连接板的现场焊接方式。 [0065] 如图5所示的内外环桁架结构，包括b屋盖上弦杆1、外环桁架腹杆5、b楼面下弦杆8、a屋盖上弦杆2、内环桁架腹杆6、a楼面下弦杆9以及内部支撑结构7。其中，a屋盖上弦杆2、b屋盖上弦杆1即为上层屋盖结构中内外环梁，其截面形式为焊接箱型截面，主要截面规格为600(高)×600(宽)×30×30mm及600(高)×600(宽)×40×40mm。其中，a楼面下弦杆9、b楼面下弦杆8即为下层楼面结构中内外环梁，其截面形式为焊接箱型截面，主要截面规格为 600(高)×600(宽)×40×40mm及800(高)×800(宽)×50×50mm。其中，内环桁架腹杆6和外环桁架腹杆5的布置方式可根据建筑造型和结构受力要求综合确定，在建筑主入口处，可抽调部分斜腹杆以形成更大的入口空间，内环桁架腹杆6和外环桁架腹杆5的布置方式为连续的V形布置，其截面形式为焊接箱型截面，主要截面规格为550(高)×550(宽)×30×30mm及 700(高)×550(宽)×40×50mm，内环桁架腹杆6、外环桁架腹杆5、a屋盖上弦杆2、b屋盖上弦杆1、a楼面下弦杆9、b楼面下弦杆8均采用全熔透坡口对接焊缝焊接。 [0066] 如图6所示的下层楼面结构，包括b楼面下弦杆8、a楼面下弦杆9、楼面钢梁10以及楼面钢梁10上的现浇钢筋桁架组合楼板。其中楼面钢梁10沿径向布置，截面形式为H型，主要截面规格为H800(高)×300(宽)×16×30mm及H900(高)×300(宽)×18×30mm，其两端支承于b楼面下弦杆8与a楼面下弦杆9之间，连接形式均为设置连接板的高强螺栓连接，便于现场快速安装。楼面钢梁10间钢支撑沿环向布置，采用T型或H型截面，其腹板与钢梁腹板通过角焊缝焊接，钢梁上现浇钢筋桁架组合楼板、厚度为120mm，与钢梁翼缘通过栓钉连接，现浇钢筋混凝土强度为C30，楼板钢筋采用双层双向连续配置、为直径10mm的三级钢间距150mm，在面内应力较大处钢筋直径加大为12mm、间距加密为100mm。下层楼面结构下部设置了4个支承体11，分别采用了钢框架支撑结构和钢筋混凝土框架剪力墙结构，四个支承体内布置了建筑的设备用房和其它辅助设施，其中钢框架支撑结构可以直接与内外环桁架的下弦杆采用焊接连接，钢筋混凝土框架剪力墙结构需要在柱内设置型钢，通过型钢与内外环桁架的下弦杆采用焊接连接。 [0067] 如图7所示的结构典型剖面，可见在内外环桁架、上层屋盖结构和下层楼面结构之间形成了较大的无柱空间，便于建筑进行灵活的布置和使用。 [0068] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。 [0069] 本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。 [0070] 本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。 |
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