網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，在大型展館、體育場(chǎng)館、會(huì)議室、高鐵站、機(jī)場(chǎng)等工業(yè)商業(yè)建筑上有廣泛的應(yīng)用[1]，本文結(jié)合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)和力學(xué)特點(diǎn)，分析了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路和措施，供同行研究參考。

[關(guān)鍵詞]網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 構(gòu)件受力

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是若干桿件組成的網(wǎng)架基本單元（包括三角錐、正方體、截頭四角錐等）通過鉸接形成的空間多次超靜定結(jié)構(gòu)。連接網(wǎng)架基本單元的結(jié)構(gòu)叫做網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)，根據(jù)其方式不同，通常分為焊接球節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)以及鋼板節(jié)點(diǎn)等。我國(guó)自1964年建成第一個(gè)平板網(wǎng)架建筑—上海師范大學(xué)球類房以來，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類建筑[2]。

一、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

（一）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的功能性特點(diǎn)

本文所謂的功能性特點(diǎn)，指的是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在使用功能、經(jīng)濟(jì)性能、美觀功能和社會(huì)效益等方面區(qū)別于其他建筑結(jié)構(gòu)形式的明顯特征。這些特征主要包括經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保、大方美觀、結(jié)構(gòu)靈活等。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于其都是模塊化組裝，施工周期較短、耗材相對(duì)較少，在人工、材料等方面相比框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式具有明顯的經(jīng)濟(jì)合理性；另一方面，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建筑由于易拆易建，適應(yīng)于臨時(shí)性場(chǎng)館、展館建筑，加之其減少了混凝土、砌塊、砂石等材料的使用，使用材料和施工方式對(duì)環(huán)境污染較少，更有利于節(jié)能減排；再者網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于是模塊化組裝，結(jié)構(gòu)靈活、外形大方美觀，在最近幾年的高鐵站建設(shè)上就有著明顯的體現(xiàn)。

（二）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)

如前文所述，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，其受力特點(diǎn)自然符合高次超靜定結(jié)構(gòu)的力學(xué)規(guī)律。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)主要包括如下幾個(gè)方面：

1.整體剛度大，不易變形，抗震性能好

由于高次超靜定結(jié)構(gòu)對(duì)于形變的約束往往由兩個(gè)以上的作用力，因此增大了其整體剛度，從而增加了抗震性能[3]。

2.結(jié)構(gòu)對(duì)單個(gè)桿件的依賴力較弱

如果是靜定結(jié)構(gòu)，一個(gè)桿件的破壞可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生形變和破壞，而超靜定結(jié)構(gòu)則不然，一個(gè)桿的破壞只會(huì)改變受力傳導(dǎo)方式，而由別的桿件受力從而保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的這個(gè)力學(xué)特征是保證其穩(wěn)定性的重要因素。

3.受力方式復(fù)雜

一是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力體系復(fù)雜，一個(gè)桿件有可能在不同的時(shí)間段或者不同的荷載作用下承擔(dān)不同方向的受力，即起到受壓和受拉的雙重作用。二是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可變荷載的存在，導(dǎo)致了其受力的復(fù)雜性，如網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建筑，在風(fēng)荷載、雪荷載等可變荷載的作用下，內(nèi)部桿件的受力方式會(huì)發(fā)生改變，這種改變往往是動(dòng)態(tài)的、偶然的，不易預(yù)測(cè)的。

二、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路與措施

傳統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法一般是根據(jù)網(wǎng)架的布置形式、桿件接點(diǎn)的材料與規(guī)格、荷載分布情況等進(jìn)行建立力學(xué)模型驗(yàn)算其承載力，得出可行或不可行的結(jié)論?；诰W(wǎng)架結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn)，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，用嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念，對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

（一）多維度極限設(shè)計(jì)思想進(jìn)行構(gòu)件選型

多維度極限設(shè)計(jì)，指的是在設(shè)計(jì)過程中，假設(shè)多種不利因素均達(dá)到極限狀態(tài)[4]，如：風(fēng)荷載、雪荷載、構(gòu)件的疲勞老化等。然后在這種極限狀態(tài)的作用下，倒推計(jì)算網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，并依此作為構(gòu)件選擇的依據(jù)。在這種思想下，構(gòu)件的承載力是極限狀態(tài)下各種作用力的函數(shù)；同時(shí)構(gòu)建的構(gòu)件（如桿件）的規(guī)格、材質(zhì)等又是構(gòu)件極限狀態(tài)承載力的函數(shù)；通過兩次數(shù)學(xué)計(jì)算，即完成了對(duì)構(gòu)件的選型。

Y=f（x1，x2，x3……） （1）

X=f（Y，z1，z2，z3……） （2）

上式中：

代表極限狀態(tài)下的構(gòu)件承載力；xi代表各種極限狀態(tài)下的作用力；X和zi代表?xiàng)U件的相關(guān)參數(shù)；在公式（2）中，Y就成了常量，公式（2）就是通過構(gòu)件的既定參數(shù)確定未知參數(shù)的過程。

上述優(yōu)化過程是多層次的，要根據(jù)受力傳導(dǎo)體系進(jìn)行分層、分單元計(jì)算，通過計(jì)算機(jī)建模、軟件開發(fā)等手段實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)算；雪荷載、風(fēng)荷載、地震荷載的確定要查閱當(dāng)?shù)貧v史資料，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和實(shí)際需求采用合理的歷史最大值數(shù)據(jù)（如50年一遇、100年一遇等）。

（二）將單位自重承載力系數(shù)作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化指標(biāo)

本文所指的單位自重承載能力，指的是一個(gè)重量單位自重的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所承載的最大的作用力。引入這個(gè)系數(shù)，并將此作為衡量網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果的重要參數(shù)。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在承擔(dān)外部荷載作用的同時(shí)，自重也增加著構(gòu)件的負(fù)載量。如何運(yùn)用最小的自重承載最大的荷載，這需要設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選型等方面進(jìn)行分析探討。

（三）推薦使用新技術(shù)、新材料、新工藝

新技術(shù)、新材料、新工藝的使用往往會(huì)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中起到立桿見影的作用，運(yùn)用自重輕、剛度和強(qiáng)度使用要求的新型材料可以有效降低自重荷載，運(yùn)用新的構(gòu)建連接技術(shù)工藝，增加節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，從而改變傳統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置格局。

新材料的選型要注重兩個(gè)方面，一是要確保其力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料，二要確保新材料的耐老化、耐腐蝕、耐疲勞等指標(biāo)不得低于傳統(tǒng)材料，既要注重其現(xiàn)實(shí)性能也要注重潛在性能；否則，就會(huì)顧此失彼，影響了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全。

（四）運(yùn)用合理的外形和措施降低或轉(zhuǎn)移偶然自然荷載

偶然自然荷載，指的是雪荷載、風(fēng)荷載、地震等，可以通過網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)達(dá)到轉(zhuǎn)移和減少這些荷載作用的效果。如可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力風(fēng)向，設(shè)計(jì)有利于避風(fēng)、疏風(fēng)的外形結(jié)構(gòu)。通過陡峭、錯(cuò)落的頂面設(shè)計(jì)，降低積雪積壓，可以運(yùn)用太陽(yáng)能等新能源裝置設(shè)計(jì)融雪清雪系統(tǒng)，及時(shí)轉(zhuǎn)移和消除需荷載。在地震多發(fā)地帶，設(shè)計(jì)整體性剛度大、但與地基柔性接觸的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建筑，通過柔性接觸面釋放地震荷載，保持主體建筑的穩(wěn)定性和整體性，起到“以柔克剛”的效果。

（五）靈活模塊化設(shè)計(jì)思想

設(shè)計(jì)者應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)掘和創(chuàng)新網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建筑模塊化和靈活性的特征，在易老化、易腐蝕、易損壞的部位，運(yùn)用結(jié)構(gòu)體積不大、多維度約束力共存、易于替換的模塊，便于局部維修和更換。

三、結(jié)論

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是超靜定空間受力結(jié)構(gòu)，在各種展館、體育館、機(jī)場(chǎng)、車站等建筑中有廣泛的應(yīng)用，與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)形式相比，具備經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保、拆建靈活、大方美觀等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備整體性強(qiáng)、剛度大、抗震性能好、空間受力形式復(fù)雜、多單個(gè)桿件的依賴性弱等特點(diǎn)?；谄湫阅軆?yōu)點(diǎn)和力學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者要不斷創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，運(yùn)用創(chuàng)新、先進(jìn)、合理的設(shè)計(jì)理念，對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)力學(xué)體系進(jìn)行深入分析研究，從細(xì)節(jié)上入手，不斷完善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力形式。通過多維度極限設(shè)計(jì)思想，充分保障構(gòu)件選型的可靠性和安全性，引入網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單位承載力系數(shù)等指標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行評(píng)價(jià)評(píng)估，推薦使用新技術(shù)、新工藝、新材料，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建筑的創(chuàng)新和性能完善，運(yùn)用一定的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)措施轉(zhuǎn)移或減少偶然自然荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響和破壞，進(jìn)一步探索其靈活性的開發(fā)潛力，以設(shè)計(jì)建造安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、時(shí)尚先進(jìn)、美觀大方的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建筑。