——从京北车站雨棚看结构功能实现以及建筑方案与结构方案的结合 6fan
我所调研的建筑是位于西直门的京北车站站台钢结构大跨度雨棚。该雨棚最大宽度115.5米，在该宽度上仅布两排钢柱，根据目测估计最大跨度应在70米左右。雨棚整体为钢结构，内部为立体桁架，整体感觉十分轻盈、宏伟。 下面说说该方案的结构。根据资料记载，该大跨度雨棚的结构学名为预应力张弦结构体系。张弦结构是一种将上弦刚性受压构件通过撑杆与下弦悬索结合在一起形成自平衡的受力体系。我们虽然没有学过张弦结构，但是我认为它就是这学期最后一次课上讲得悬索-桁架组合结构。只是悬索-桁架组合结构常用在双曲面的大跨度屋面施工中。这个车站雨棚的张弦结构则是悬索-桁架中的一榀。可以清楚的看到上弦桁架，撑杆、下弦钢索三者形成了一榀屋架，资料记载这个建筑是有28预应力混凝土管桩榀这样的屋架并列安装形成的一个单曲面拱形结构。
京北车站雨棚的结构体系就是典型的张弦结构。既然是组合结构，那我不妨把上弦的立体桁架和下弦的悬索分别分析一下。
雨棚上弦是拱形立体桁架，采用互成三角形的圆管相互交叉、支撑，用来承载屋顶恒荷载和雨雪等活荷载，是刚性受压构件。这种结构的特点是轻盈，风阻小，刚度大，整体性强，结构稳定，可以适用于较大的跨度。由于较小的风阻和较大的跨度适用，非常适合于车站建筑使用。
在一榀屋架的下弦，采用的是预应力悬索。在大跨度结构中有单独应用悬索的，比如说悬索桥，目前已经实现了近2km的跨度。这种架构的特点是自重轻，并且对高强钢的抗拉强度进行了最充足的利用，所以在相等的用钢量下，这种结构应该可以得到最大的承载力和跨度，非常经济。但是单独应用悬索结构时稳定性差，所以才出现了悬索-桁架的组合结构。
在大跨度立体桁架结构中，上弦桁架的跨度很大，且在跨中铺设屋面板，承受近似均布的雨雪荷载，跨中有较大荷载存在。所以跨度越大，跨中荷载就越大，为了防止压杆失稳，压杆直径就要随之增大，用钢量增加，结构自重增大，这样对结构的经济性不利。下弦的钢索就是为了解决这个问题而来的。由于预应力钢索有很大的抗拉强度，可以承受很大的荷载，将上弦的立体桁架的受力作用点用撑杆支撑在下弦的悬索上，下弦张紧后，就可以
帮助上弦承载，此时上弦的跨度实际上就被分割了，每两根撑杆之间为一跨，跨度大大降低，可以缩小钢管直径，减小结构规模，减轻结构自重。悬索两端连接在上弦桁架上，所受拉力与上弦压力相平衡成为内力，抵消了拱形式的侧推力，整体达到平衡稳定的效果。
在每榀桁架之间，有十余组平面网架相连接，一方面是为了安装屋顶方便，另外一方面也是为了保证每榀桁架相对位置不改变。平行的各榀张弦屋架和与之垂直的平面网架交织在一起，使屋顶成为一个平面，拥有很高的整体性和刚性。整个屋顶落在两排钢筋混凝土柱子上。
柱子的支撑也体现了平衡的特点。我曾经在城铁西直门站观察柱子顶端的支撑，发现柱子顶端开叉成六到八跟细的柱子，相互交叉，像树杈一样，略显复杂，但是仔细观察，发现这些细柱一定是两两对应的，这样可以抵消推力。北站雨棚也是一样。立体桁架和平面网架有主次之分，主要的部分采用钢管直径较大，并且终端落在柱子上。在柱子顶端由几只分叉的支撑杆支撑网架。在水平和垂直方向上，细柱都是两两对应的，而且全是刚性连接，我认为这是为了确保整个屋面的整体性，保证每榀桁架不发生相对错动。否则会破坏屋面。在细柱的下端有一个托盘，托盘和柱身的连接是活动的铰支。可见，在有地震等发生时，柱子和屋面整体可以发生相对转动，对抗震有利。
建筑形态与建筑结构功能相协调的问题我认为就是建筑结构选型的问题。因为在建筑设计阶段就已经确定了建筑的平面和立面形式，那么一定有一种结构方案是最适合这个平面的，京北车站雨棚的例子就很典型。车站站台用于停放列车，因此往往呈现细长的平面形式，净高度也较高，需要获得良好的通风和视觉效果。平板结构一般不适用于这种结构，因为本来这种建筑形式就比较单调，平板结构更易显得单调，使建筑变得无趣，且不易实现大跨度。薄壁结构虽然可以做出单曲面的壳体，但是较双曲面和网壳结构，自重大太多，而且受风荷载的作用效应大，不宜使用在露天的结构中。资料显示京北车站雨棚平面长541.2米，宽115.5米。115耐高温防爆玻璃米的宽度要求能实现较大的跨度的结构形式，我们学过的有网架、悬索、组合结构几种。平面的网架，在大跨度的跨中会产生较大的弯矩，杆的轴力很大，需要增加杆件的规格，不是很经济。所以我认为在这种要求下，曲面是最经济的解决方案。于是可以选择的方案就只剩下网壳和悬索两种。这样一来，其实就和我分析的现方案很接近
hg(scn)2了。拱式结构由于是单曲面的几何形式，自身就可以降低跨中弯矩，具有几何优势，并且可以充分挖掘刚才强度，达到材料节省，自重减轻的目的，非常有利于大跨度建筑空间的需要。另外，拱式结构还有很强的造型能力，可以打破该建筑的单调。所以我认为这个雨棚必须利用拱式结构。拱式结构在大跨度中的应用需要解决两个问题，一是自重，二是侧推力。解决自重问题在于材料，由于钢材具有很高强度，所以应用钢网架是既保证刚度又保证了较轻的自重，所以我认为单曲面的钢网架是做这个大跨的不二选择。立体网架可以把推力通过刚性水平结构集中传递给端部拉杆，解决了侧推力的问题。但是由于跨度很大，为防止失稳，跨中杆件较粗，整体就都要做的很粗，结构自重很大。最终张弦结构提出了解决跨中杆件轴力过大的问题，靠一条预应力钢缆和撑杆抵消了上弦跨中的压力，最终上弦结构轻盈，下弦也不影响视觉效果。波浪形的雨棚不仅顺应站台的走势，感染力也很强。风荷载对这种空间网架结构的影响也微乎其微。
最后谈谈这学期学习建筑结构课的感受。当我们在前三个学期了解了弯矩，了解了轴力，了解了拱，了解了抗拉压强度等等之后，就进入了结构三这个新的阶段的学习。这个阶段的研究从微观转向了宏观，也解答了在大二我们一直纳闷儿的“学力学有什么用？”的问题。其实就是在为我们了解各种结构形式打基础。这个学期学的结构类型非常实用，都已
经能够具体到案例进行分析。对这些内容进行学习之后我们已经可以解决方案设计时遇到的一些疑惑，比如会议室里不想做柱子，但又不敢做这个20米的跨度。显然，如果是上个学期，我可能会考虑用预应力混凝土梁，那样也至少需要2米的梁高，层高就要6米，怎么也觉得很牵强。但是现在可以用网架结构，做再大的跨度也不存在问题了。另外可以对生活中的建筑进行分析了，肯定会悟出一些效果，比如奥运会时候去工人体育馆，对它的屋顶只是好奇，现在了解它是悬索结构，则可以对它平面、柱网等的布置有所了解，在未来自己设计的时候进行适时的使用。在未来的设计中，设计就不局限于建筑本身了，有些结构形式一样可以为建筑增光添彩，并且综合的从结构的经济、美观、实用的角度来衡量一个建筑，这才是学结构选型的意义。
参考文献：
1. 北京北站无柱雨棚预应力钢结构施工技术,北京建筑工程研究院，沈斌， 2008.12
2. 高速铁路车站站房中的钢结构体系，铁道第一勘察设计院,张凯远心扫描透镜,2008.02
汽车中央扶手
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议