大跨建筑中拱结构的应用及表现

【摘要】在现代大跨建筑中，拱结构是建筑屋顶的主要支撑结构，其利用各种组合手法能够创造出不同的结构形态，成为建筑设计中重要的创作手段。本文主要从拱结构的应用特点入手，分析了拱结构在大跨建筑中的应用方式及表现。

【关键词】大跨建筑；拱结构；应用；表现

拱结构具有非常悠久的历史，在建筑史上发挥着跨越距离、释放建筑内部空间的重要作用。拱结构的受力形式非常合理，在建筑应用中呈现出跨度大、截面薄、承载力高的优良性能，为建筑施工节省了材料，因此，拱结构在建筑空间与结构的创建发展中承载着重要作用[1]。

一、拱结构的应用特点

由于拱结构在形式上的进化与拓展，使其不仅被用作独立的承重结构还被综合运用在各种空间结构体系中，作为辅助承重构件或是以边缘构件的形式和其它结构体系进行组合，在建筑中具有重要作用。现代拱的应用特点主要体现在三个方面：

（一）形态的多样化

首先是现代建筑材料的多样化创造出了许多不同的拱结构形象；另外，拱结构自身具有多种形式的变化，例如倾斜、扭转、序列及旋转等方式的组合，丰富了建筑物的形态。拱结构从古代单一的形式，不断演化，逐渐形成多种形式并被广泛应用于建筑与桥梁。

（二）跨度不断增大

随着科学技术的不断进步，大跨建筑也得到了更为广泛的发展。新型建筑材料的应用、结构力学的发展、生产工艺的完善以及施工水平的提高都是增大拱结构跨度的重要因素。拱结构代替了原先的砌体结构，它的应用将建筑的跨度增大了几十倍。

（三）结构的综合应用

当前，拱结构的应用方式大多是与其它结构进行组合应用到建筑中，例如，膜结构、壳体结构及悬索结构等，不同的结构组合在一起，不仅能充分发挥各自的优势，还能取长补短，从而加强了整体建筑的综合性能。

二、大跨建筑中拱结构的应用方式

拱结构在大跨建筑中的应用方式主要有两种，一种是在建筑屋顶作主要的支撑，可独自应用也可以和其它结构组合，承受建筑荷载；另外，拱结构可以和悬索、网壳及张拉膜等结构相互组合，构成边缘构件，利用不同的方式创造建筑形态。

（一）拱在张拉体系的组合应用

在张拉结构中，将拱与索相结合，可以有效取代屋盖周围的支柱与边梁，将屋盖四周解放出来，形成一个开放的空间。在建筑造型方面，拱与索的结合能够能够创造出独特的建筑形态，充满震撼效果，加强建筑张杨、奇特的视觉效果[2]；在大跨建筑中，拱结构与膜结构、索结构及空间网架等组合，作为骨架支撑，具有加大建筑跨度、创建建筑形态及提供承载力的重要作用。

四川省体育馆的构造中就应用了索拱组合，主要以两道竖拱并列相连的形式出现。不仅增加了索拱面的断面面积，还提高了整个拱结构体系的稳定性，为了解决相关力学方面的问题，还进行了梯形采光窗的创造，使得体育馆内景以及馆外外形都十分美观[2]。

（二）拱与弯剪体系的组合应用

在弯剪结构体系中，拱结构与悬臂结构组合能够被有效应用于屋盖结构，这在大跨体育建筑中比较常见；拱结构利用悬挂的吊杆或吊索，对其他形式的屋顶进行悬吊，从而独立承载大跨建筑，这种应用形式在大跨建筑中也比较广泛。

新疆体育中心屋顶结构即为拱与悬臂的组合应用，拱与悬臂结构的组合体系主要主要的承重结构，两边并列拉开的刚拱通过连接进行采光面的创造。另外，利用拱把悬臂托举起来，使得钢结构屋顶跨度增加，是亚洲目前最大的钢结构屋顶[3]。

（三）拱与推力体系的组合应用

在推力结构体系中，单拱利用交叉组合与并列组合的方式能够创立无限延伸的建筑空间，使建筑空间与建筑形态得到更多的变化，进而形成独特新颖的建筑造型。拱在壳体结构中是以边缘构件或肋的方式存在的，两者组合在一起，能够增强结构的承载力，并使结构的表现力得以丰富。

单拱并列的组合方式比较容易建立相同跨度的建筑空间，适合应用于较长的矩形平面[3]。例如，新疆红山体育馆的承重结构主要就是单拱并列体系，中间有主要的承重结构，这个并列拉开的刚性拱结构通过落地玻璃进行连接和采光，从近到远呈现出阶梯状进行排列，另外还提高了拱身的平面稳定性。

交叉组合可以是多个相同规模的结构单元进行组合，也可以是不同规模的结构单元进行组合。另外，交叉组合不局限于简单的结构拼接，也能够对单拱结构进行角度的倾斜利用，丰富建筑造型的变化。例如，云南拓东体育馆主要由游泳馆、体操馆、羽毛球馆、训练馆、沙地网球场、篮球场足球训练场等多个项目组成，体育馆主馆的屋盖就是拱、壳组合的结构，在拱、壳的交接处，就运用了结构式交叉组合，交叉拱架承担了网壳的带来的荷载，交叉拱身共同承载，拱和拱脚几乎交于一点，组成了聚合结构，为馆体的创新奠定了基础[4]。

三、大跨建筑中拱结构的表现

（一）拱结构与大跨建筑的基地环境

将建筑创作与地域环境有效结合起来，在相关环境中获取灵感从而创造合理的构思，是建筑设计获得成功的重要手段。在大跨公共建筑设计中，必须重视其大型体量立体造型及其集中式大空间的处理，必须保证与环境相协调。另外，将结构创造与地域环境相结合，主要是通过统一与对比两种方法进行，利用体量的突出和隐藏，造型的相像与差异，材质的统一与对立等与环境进行对话。

（二）拱结构与大跨建筑的整体造型

建筑的形态是否具有美感在很大程度上取决于建筑的结构，建筑的结构作用是建筑物艺术表现力的主要来源。拱结构对大跨建筑形体上的影响主要表现在建筑物的形态以及建筑物的视觉重量与高度，不同材质与不同组合形式的拱结构在大跨建筑中创造出来的视觉感受也是不同的[5]；另外，利用力学逻辑与材料质感、几何形式的呼应能够使建筑的整体造型与局部里面相统一。

（三）拱结构与大跨建筑的内部空间

拱结构的大跨建筑空间模式分为多种，有单一式大空间、复合式大空间及自由形态的大空间，不同的空间模式取决于拱结构的不同利用形式；结构在建筑空间中往往需要占据较大的比重才能实现其支撑与维护建筑空间的功能，然而这在建筑形象及空间使用方面具有不利影响，因此，在建筑设计时需要对建筑空间的利用问题加以重视；大跨建筑中建筑结构不仅能够决定建筑的空间形态，还能有效影响建筑的功能，如采光与通风等。

（四）拱结构的节点表现

大跨建筑的结构中，节点的设计往往具有突出作用，节点不仅能够将大空间的宏伟表现出来，还能充分反映建筑结构的受力形式与材质特点。对于建筑中节点的构造要依据力学性能在工艺条件下的适当链接方式进行，以保障节点不会阻碍力的传递；节点的设计要与现代社会所表达的建筑文化相一致，并根据不同的文化性质表现出不同的建筑等级；另外，节点不仅仅要实现其连接功能，还要具备美学效果，节点在大跨度建筑中的构造也逐渐从隐形变为显露，高质量的节点构造增强了建筑的美感。

结 论

拱结构通过自身及与其他结构的有机结合，在大跨建筑的应用中发挥着关键性作用，不仅能够有效表现出大跨建筑的结构形态，增强其结构表现力，还能提高建筑艺术效果，提高大跨建筑的综合性能。

参考文献：

[1]屈峰.试论大跨建筑结构的适应性与可生长性[J].中外建筑，2011，07：35-40.

[2]董宇，李静.大跨建筑形态与需求层次的同构类比性研究[J].低温建筑技术，2013，04：24-26.

[3]沈世钊.大跨空间结构的发展[J].土木工程学报，2012，03：5-14.

[4]朱亮.大跨屋盖结构技术与艺术表现[J].工业建筑，2014，01：4-7.

[5]张毅刚.建筑索结构的类型及其应用[J].施工技术，2010，08：8-12.

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