三、大跨度结构体系

从迄今还保存着的古希腊宏大的露天剧场遗迹来看，人类大约在两千多年以前，就有扩大室内空间的要求。如果把古代西亚建筑中已经出现的叠涩穹窿也看成是这种要求的种反映，那么时间还可以向前推移大约一千年。

1.形式：

从建筑历史发展的观点来看，一切拱形结构包括各种形式的券、简形拱、交叉拱、穹窿——变化和发展，都可以说是人类为了谋求更大室内空间的产物。

2.发展历程：

（1）梁到三角券(又称倚石券)：

尽管这种券还保留着很多梁的特征，但是它毕竟向拱形结构迈出了第一步。只是当出现了由楔形石块砌成的放射券之后，才正式标志着拱形结构已经发展成为一种独立的结构体系。

拱形结构不需要用整块石料来制作，而且基本上又不承受弯曲力，因而，用小块的石料不仅可以砌成很大的拱形结构，并且还可以跨越相当大的空间。

简形拱：反映在平面上必须有两条互相平行的厚实的侧墙，拱的跨度愈大，支承它的墙则愈厚。

双向交叉的筒形拱：这种拱承受荷载后重力和水平推力集中于拱的四角，与单向筒形拱相比前者的灵活性要大得多，罗马时代许多著名的建筑如卡瑞卡拉浴场就是用这种形式的拱来形成宏大而又富有变化的室内空间的。

（2）穹窿结构：

早期半球形穹窿结构的重力是沿球面四周向下传递的。这种穹窿只适合于圆形平面的建筑。

随着技术的进步和建造经验不断的积累，不仅结构的厚度逐渐减薄，而且形式上也不限于必须是一个半球体，可以允许沿半球四周切去若干部分，而使球面上的荷重先传递给四周弓形的拱上，然而再通过角部的柱墩把重力传递至地面。这种形式的穹窿不仅适合于正方形平面，而且还允许把四周处理成为透空的形式，这就给平面布局和空间组合创造了很大的灵活性。

公元六世纪，穹窿结构又有一一个很大的发展: 在某些拜占庭建筑中出现了一种以穹窿结构覆盖方形平面的空间、而用帆拱(pendentive) 作为过渡的方法，于是结构的跨度又可以进步地增大。

（3）铸铁或钢制成的拱或穹窿结构：

由于金属是种高强度的建筑材料， 用它来做拱或穹窿不仅跨度大且建筑外形轻巧，但却与传统的风格格格不入。它预示着建筑技术必将面临一场新的革命， 并宣告古典建筑形式的终结。

（4）桁架结构：

把整体受弯转化为局部构件的受压或受拉，从而有效地发挥出材料的潜力并增大结构的跨度。

桁架结构虽然可以跨越较大的空间，但是由于它本身具有一定的高度，而且上弦一般又呈两坡或曲线的形式，所以只适合于当作屋顶结构。

（5）刚架结构：

根据弯矩的分布情况而具有与之相应的外形一弯矩大的部位截面大， 弯矩小的部位截面小，这样就充分发挥了材料的潜 力因此刚架可以跨越较大的空间。

（6）拱：

近代的拱所用的材料由钢或钢筋混凝土取代了砖石。在拱形的设计上力求使之具有合理的外形,从而把拱内的弯矩值降到最小限度,或者完全消除弯曲力。

桁架、钢架和拱的区别：

桁架：下弦一般保持水平;

刚架：中部高两边低的两坡形，但坡度较平缓;

拱形：中部高两边低的曲线形。

（7）壳体结构：

按其受力情况不同可以分为折板、单曲面壳和双曲面壳等多种类型。在实际应用中，壳体结构的形式更是丰富多彩的。

（8）悬索结构：

是在第二次世界大战以后逐渐发展起来的一种新型大跨度结构。

单向悬索： 结构为了支承悬索并保持平衡，必须在索的两端设置立柱和斜向拉索，以分别承受悬索所赋予的垂直压力和水平拉力。单向悬索的稳定性很差，特别是在风力的作用下，容易产生振动和失稳。

双层悬索： 结构平面呈圆形，索分上下两层，下层索承受屋顶全部荷重，称承重索；上层索起稳定作用，称稳定索，上下两层索均张拉于内外两个圆环上而形成整体，其形状如自行车车轮，故又称轮辐式悬索结构。这种形式的悬索结构不仅受力状况均衡、对称，而且还具有良好的抗风能力和稳定性。

悬索结构除跨度大、自重轻、用料省外还具有以下一些特点: 

1.平面形式多样，除可覆盖一般矩形平面外，还可以覆盖圆形、椭圆、正方形、菱形乃至其它不规则平面的空间，使用的灵活性大、范围广；

2.由多变的曲面所形成的内部空间既宽大宏伟又富有运动感；

3. 主剖面呈下凹的曲线形式，曲率平缓，如处理得当既能顺应功能要求又可以大大地节省空间和空调费用； 

4. 外形变化多样，可以为建筑体形和立面处理提供新的可能性。在建筑设计中，如果处理好建筑功能与结构的关系，可以创造出优美的建筑空间和体形。

（9）网架结构：

它具有刚性大、变形小、应力分布较均匀、能大幅度地减轻结构自重和节省材料等优点。网架结构可以用木材、钢筋混凝土或钢材来做，并且具有多种多样的形式，使用灵活方便，可适应于多种形式的建筑平面的要求。

网架结构可分为单层平面网架、单层曲面网架、双层平板网架和双层穹窿网架等多种形式。

（10）新型大跨度结构——壳体、 悬索、网架等与古代的拱或穹窿相比具有极大的优越性的四个方面：

一、跨度大

古代建筑因限于结构发展水平，不可能获得巨大的室内空间，从而使得许多公共性活动不能在室内进行。只是到了近代，由于新型大跨度结构的出现，古人的宿愿终于变成了现实。

二、矢高小、曲率平缓、剖面形式多样

古代的拱或穹窿、 剖面般呈弧形 曲线，随着跨度的加大，中央部分空间也急剧地增高，这种空间除使人感到高大宏伟外，并无多大使用价值。新型空间结构有时虽然也要起拱，但矢高都很小，曲率变化相当平缓，用这些结构覆盖空间，如处理得当，则可以大大提高空间的利用率。

三、厚度薄、自重轻

使用天然混凝土和砖肋相结合的罗马时代的拱或穹窿，厚度可达数英尺以上，不仅占据了大量空间，而且自重也大得惊人。用轻质高强材料做成的新型大跨度结构，其厚度仅数厘米，这不仅可以大幅度地节省材料、 减轻结构自重，而且还可以把建筑物的外观处理得更轻巧、通透，生动活泼。

四、平面形式多样

古代的筒形拱、 穹窿仅能适应矩形、正方形和圆形平面的建筑。新型大跨度结构类型多样、形式变化极为丰富，它既适合于矩形、正方形和圆形平面的建筑，又适合于三角形、六角形、扇形、椭圆形;乃至其它不规则的建筑平面，这就为适应复杂多样的功能要求开辟了宽广的可能性。

知识点：建筑设计中空间与结

住宅建筑设计中空间组合探讨