—ISN10—00-0054
CN
清华大学学报(自然科学版)2008年第48卷第9期
JTsinghuaUniv(Sci&Tech),2008,V01.48,No.9
6/38
1399—1403
11—2223/N
高层网筒结构体系的基本概念
张崇厚,赵丰
(清华大学土木工程系,北京100084)
摘要:为了拓展简体结构在高层建筑中的应用,根据结构同时承受竖向力和侧向力的受力特点,提出了一种高层简体结构新体系——高层网筒结构,该结构体系是各种形式的竖向网格结构囤合而成的空间网格状筒体结构。该文构思了该结构体系的基本组成和网格形式,给出了可以在实际工程中应用的几种空闻几何形式,造型多样、美观,可适应复杂的建筑造型。并通过实例计算,简要分析了网筒结构的受力特点,初步揭示了网简结构的优势:空问工作,传力筒捷I重量轻,整体刚度大。
关键词:高层筒体结构,网筒结构・网格形式}整体刚度中囝分类号;TU
312
文献标识码:A
文章编号:1000—0054(2008)09—1399—05
Gridtubestructuresintallbuildings
ZHANGChonghou,ZHAOFeng
(Department
ofCivil
Engineering,TsinghuaUniversity.
Beijing100084-China)
Abtran:Inorder
tO
extendtheapplicationoftube
structures,a
new
tubestructure,i.e..agridtube
structure.was
developed
as
theexterior
structure
fortall
buildingssubjected
tO
simultaneous
verticaland
lateralloads.The
structure
isa
reticulated
structure
assembled驺asurrounding
mesh.Thestructural
framing
is
composedofthemainandsubordinatecomponents,suchas
diagridcolumnsandringbeams.Various
geometric
tubeshapes
can
be
USed
tO
formunusualconfigurations.Analysisof
a
design
exampleshows
how
tO
calculatethelargeroverallstiffnessofthegridtube
structure
andtheadvantagesofthegridtube
structure.
Keywords
I
tube
structure
fortall
buildings,gridtube
structuret
meshshapeIholisticstiffness
在丰富的空间结构形式中,由多根杆件按照一定规律通过节点连接起来的网格状空间结构,称为空间网格结构,最常见的是网架、网壳、索网等,普遍用于体育馆、展览馆、飞机库等大跨屋盖结构[1。23以及电视塔、输电塔等高耸塔式结构口],也可用作围护墙体等竖向结构H。5]。人们一直努力把空间网格结构用于高层建筑b呻J,实际上,框筒就是由密排柱和窗
为了拓展简体结构在高层建筑中的应用,本文高层网筒结构体系由基本构件和附属构件构成基本构件:斜柱
附属构件:环梁
围1高层网筒结构体系构成
E—mail:chzhang@tsinghua.org.cn
裙深梁组成的正交正放网格结构;桁架筒有一个大尺度的外部支撑结构,相当于将高层建筑封闭在巨大的空间网格之中。这2类常见的结构形式比较适用于平面和竖向较规则的高层建筑。由于建筑功能及造型新颖的需要,平面布置复杂、内部空间多变、沿竖向又不均匀的复杂体型高层建筑结构屡屡出现,传统结构形式受到挑战,需要整体刚度大、适应性强的空间结构新形式。
探讨一种高层建筑结构新体系——高层网格简体结构,简称网筒结构。高层网筒结构体系是将各种形式的竖向网格结构用作高层建筑外围护墙体的骨架,并围合成空间网格状筒体结构,将竖向承重与抗侧
力结构合二为一,是充分发掘结构空间作用潜力的一种高效结构体系。同时,网筒结构的网格形式有很强的几何规律,可以获得特殊的建筑视觉效果。本文把高层网筒结构作为一种结构体系提出,探讨该体系的组成、形式,并初步分析该结构体系的受力特点。
1高层网筒结构体系的组成和网格形式
(见图1)。基本构件是必需设置的,至少两个方向
收稿日期:2007—07—10
作者简介:张崇厚(1967一),男(汉).河南.副教授。
1400
清华大学学报(自然科学版)
(经、纬向)的构件相交,不同方向的基本构件可以一高处,当用于无明确楼层的构筑物时,可不受此限。
个方向为主受力构件、其他方向为次受力构件,也可尽管受力特征和使用功能不同,高层网筒结构所有方向均为主受力构件;附属构件起辅助作用,的网格形式仍可借鉴大跨空间网格结构。考虑网筒如楼盖平面四周的水平环梁,用于高层建筑时设于结构竖向承重与抗侧力的双重性,一般斜交斜放网每个楼层,用于电视塔等高耸构筑物时视受力需要格为宜。图2a所示为普通的两向斜交斜放网格;用在适当位置设置。
于高层建筑时常结合各层楼盖边梁布置水平环梁大跨空间网格结构一般为钢结构,杆件截面尺(见图2b)l用于构筑物时,由于没有楼层的限制,寸、节点间距均较小,网格较密。由于不同的受力特也没有遮挡室内人员视线的顾虑,可采用斜向环梁征和使用功能,高层网筒结构有其特殊性。高层网筒(见图2c),各斜向环梁可以相互独立,也可以沿竖结构的基本构件内力较大,需要大截面杆件,纯钢构向设置为连续的螺旋式斜向环梁。参照蜂窝形三角件不满足受力需要时,往往采用钢筋混凝土L7J、钢管锥网架,其网格形式呈有规律排列的三角形和六边混凝土[9]、钢骨混凝土,当然施工工艺的复杂性有所形(见图2d、2e),非常适合高层网筒结构,其中大面加大。为避免影响建筑物的视觉流畅,高层网筒结构积的六边形可开窗采光、小面积的三角形可作为窗应采用稀疏网格,节点间距较大,一般不宜小于层间墙,不同的几何图形相间、虚实相间,可形成独特高、有时可达数倍层高;网格节点一般位于楼面标
的建筑立面效果。
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(a)两向斜交斜放
(b)两向斜交斜放+水平环梁
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(d)单层蜂窝形网格
(e)双层蜂窝形网格
(D曲线网格
Z一斜柱间距#IIl一层高;雄≥1整数围2高层网筒结构的网格形式
高层网筒结构一般为单层网格,当结构受力或建筑造型及功能需要时,也可全部或局部采用双层2高层网筒结构体系的空间几何形式
网格(如图2e所示),当然不排除多层网格,但实际高层网筒结构可以被看作“竖起来”的网壳,常
见的网壳形式可以“移植”过来产生如柱面网筒、抛
施工繁琐而并不具有太多优势。上述网格形式中,网物面网筒等形式。这种结构既适合规则、对称的建格节点之间均为直线构件,考虑到网筒结构的受力筑,又能较好适应不规则、非对称的建筑,不同形式的网筒可以形成新颖的建筑造型,为建筑师提供更可为曲线构件,以适应特殊的建筑立面。
加丰富的选择。
工程中,单、双层网格一般可满足要求,多层网格因特点,也可采用曲线网格(如图2f所示),节点之间
张崇厚,等:高层网筒结构体系的基本概念
2.1平面外形为光滑曲线
结构平面沿竖向大小、形状及相对位置无变化,最常见的是如图3a所示各种类型的柱面网筒;结构平面沿竖向大小发生变化、形状和相对位置无变
化,如圆台形网筒、双曲抛物面网筒、椭圆抛物面网筒等(见图3b);结构平面沿竖向相对位置发生变化、形状和大小无变化(见图3c);结构平面沿竖向大小和相对位置发生变化、形状无变化(见图3d)。
(b)(c)
图3高层曲面网筒结构的空间形式
2.2平面为多边形
结构平面沿竖向大小、形状及相对位置无变化,竖向棱线为铅垂线(见图4a);结构平面沿竖向大小发生变化、形状和相对位置无变化,竖向棱线为偏离
铅垂方向的直线或平面曲线(见图4b);结构平面沿竖向相对位置发生变化、形状和大小无变化,竖向棱线为空间曲线(见图4c);结构平面沿竖向大小和相对位置发生变化、形状无变化,竖向棱线为空间曲线(见图4d)。
(b)(c)
图4多边形平面高层网筒结构的空间形式
以上几何构成规则,基本概括了大部分的高层网筒空间形式。当然,也有结构平面沿竖向大小、形状及相对位置均变化的情形,不过比较复杂,本文暂不涉及。此外,根据实际工程情况,还可以通过不同的网格组合,灵活变化,如不同部位(不同立面或同一立面的不同位置)分别采用不同的网格形式或曲面,构成形式更加多样的网筒结构。
上述几何形式中,建筑物的所有立面均为网格状,平面为围合的连续网筒结构。实际上建筑方案干变万化,可采用网格和其他结构类型的组合式立面。
网筒结构具有很强的可设计性,布置方式上有很大的选择余地。例如,可以根据建筑物的形状和受力特点,在受力较大或较小的部位增减构件的数量或截面尺寸;既可以单独应用,也可以与其他结构体系结合形成杂交结构,达到预期的效果。
3高层网筒结构的实例分析
某高层建筑实例,地上共29层,原结构方案为筒中筒结构。如图5a所示,钢外框筒平面为近似33Ill×33In.的正方形,柱距平均为3.3m,内混凝土核
清华大学学报(自然科学版)
2008,48(9)
心筒为15mXl5rn的正方形。标准层层高3.6m,外筒柱子为600mm×600mm箱型截面,壁厚随楼层高度逐渐变小:首层到第16层40mm,第17层到第24层36mm,第25层到顶层32mm;各层窗裙梁采用截面500×300×12×24I型钢。
为了观察高层网筒结构的受力性能,保持原结构方案的其他部分不变(由于外围柱的位置变化,楼
层梁的位置作了相应调整),仅将外筒由原来的框筒改成网筒(见图5b)。采用如图2b所示的两向斜交斜放加水平环梁的网格形式,斜柱与水平面夹角约为58。,从首层到顶层斜柱截面采用3种尺寸的圆钢管:首层到第13层550×18,第14层到第21层400×18,第22层到顶层299×12;各层环梁采用截面300×150×10X14I型钢。
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(b)网筒结构方案图5某高层建筑实佣
上述2种结构方案的分析计算均采用结构分析设计程序ETABS9.0。根据《建筑结构荷载规范》GB50009—2001及《高层建筑钢结构设计规程》JGJ99—98计算竖向荷载与水平地震作用的组合效应。按照《建筑抗震设计规范>>GB50011—2001规定的8度第1组I类场地,特征周期0.35s,采用振型分解反应谱法计算地震作用。
2种结构方案的前6阶振型对应的周期及振动
模态参见表1。由表1和图6可知,网筒结构与原框筒结构的自振周期、振型以及水平地震作用下各层的层间位移角艿非常接近,而且网筒结构的自振周期、层间位移角均比原框筒结构略小,说明两种结构体系的刚度相近、且网筒结构的刚度略大。另外,原结构方案外框筒梁、柱总用钢量约2.57万t,网筒结构方案外网筒梁、柱总用钢量约1.24万t。
表1结构自振周期及其对应振型
张崇厚,等:高层网筒结构体系的基本概念
横层号
图6竖向荷载与水平地震作用下各楼层的层间位移角
上述结果初步体现了网筒结构的优势:空间工作,在竖向与水平荷载作用下,具有简捷的传力路径;轻质,整体刚度大,在满足同样刚度要求的条件下,结构用钢量比框筒结构大幅度降低。此外,网筒结构整体刚度大,易适应复杂的建筑造型,可望取得良好的建筑效果。
4结语
本文从结构体系的角度提出了高层网筒结构,给出了其基本组成和实现的构想,以及几种典型的网筒形式I还通过实例简要分析了网筒结构的受力和优势。
1)高层网筒结构是一种新型的高层结构体系,一般由基本构件和辅助构件组成,如斜柱和环梁等。它将竖向承重与抗侧力结构合二为一,是充分发掘结构空间作用潜力的一种高效结构体系。
2)网筒结构具有丰富的几何构成形式,结构布置灵活,建筑造型多样、轻巧、美观,可设计性好,便于创作新颖的建筑方案。
3)网筒结构发挥了空间网格结构的优势:空间工作,传力途径简捷;轻质,整体刚度大,抗侧力性能好;杆件和节点便于定型化,商品化,可在工厂中成批生产,有利于提高生产效率。
高层网筒结构是一种适合于复杂建筑造型的简体结构体系。本文仅提出该结构体系的概念和设想,到实际应用还有一定的距离,从分析理论到设计方法以及施工技术都需要有深入的研究和探讨。
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高层网筒结构体系的基本概念
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
张崇厚, 赵丰, ZHANG Chonghou, ZHAO Feng清华大学,土木工程系,北京,100084
清华大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY(SCIENCE AND TECHNOLOGY)2008,48(9)1次
参考文献(9条)
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1. 黄超. 韩小雷. 王传峰. 季静. 李卫勇 斜交网格结构体系的参数分析及简化计算方法研究[期刊论文]-建筑结构学报 2010(1)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_qhdxxb200809007.aspx
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fortall
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tO
simultaneous
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lateralloads.The
structure
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mesh.Thestructural
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diagridcolumnsandringbeams.Various
geometric
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tO
formunusualconfigurations.Analysisof
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andtheadvantagesofthegridtube
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Keywords
I
tube
structure
fortall
buildings,gridtube
structuret
meshshapeIholisticstiffness
在丰富的空间结构形式中,由多根杆件按照一定规律通过节点连接起来的网格状空间结构,称为空间网格结构,最常见的是网架、网壳、索网等,普遍用于体育馆、展览馆、飞机库等大跨屋盖结构[1。23以及电视塔、输电塔等高耸塔式结构口],也可用作围护墙体等竖向结构H。5]。人们一直努力把空间网格结构用于高层建筑b呻J,实际上,框筒就是由密排柱和窗
为了拓展简体结构在高层建筑中的应用,本文高层网筒结构体系由基本构件和附属构件构成基本构件:斜柱
附属构件:环梁
围1高层网筒结构体系构成
E—mail:chzhang@tsinghua.org.cn
裙深梁组成的正交正放网格结构;桁架筒有一个大尺度的外部支撑结构,相当于将高层建筑封闭在巨大的空间网格之中。这2类常见的结构形式比较适用于平面和竖向较规则的高层建筑。由于建筑功能及造型新颖的需要,平面布置复杂、内部空间多变、沿竖向又不均匀的复杂体型高层建筑结构屡屡出现,传统结构形式受到挑战,需要整体刚度大、适应性强的空间结构新形式。
探讨一种高层建筑结构新体系——高层网格简体结构,简称网筒结构。高层网筒结构体系是将各种形式的竖向网格结构用作高层建筑外围护墙体的骨架,并围合成空间网格状筒体结构,将竖向承重与抗侧
力结构合二为一,是充分发掘结构空间作用潜力的一种高效结构体系。同时,网筒结构的网格形式有很强的几何规律,可以获得特殊的建筑视觉效果。本文把高层网筒结构作为一种结构体系提出,探讨该体系的组成、形式,并初步分析该结构体系的受力特点。
1高层网筒结构体系的组成和网格形式
(见图1)。基本构件是必需设置的,至少两个方向
收稿日期:2007—07—10
作者简介:张崇厚(1967一),男(汉).河南.副教授。
1400
清华大学学报(自然科学版)
(经、纬向)的构件相交,不同方向的基本构件可以一高处,当用于无明确楼层的构筑物时,可不受此限。
个方向为主受力构件、其他方向为次受力构件,也可尽管受力特征和使用功能不同,高层网筒结构所有方向均为主受力构件;附属构件起辅助作用,的网格形式仍可借鉴大跨空间网格结构。考虑网筒如楼盖平面四周的水平环梁,用于高层建筑时设于结构竖向承重与抗侧力的双重性,一般斜交斜放网每个楼层,用于电视塔等高耸构筑物时视受力需要格为宜。图2a所示为普通的两向斜交斜放网格;用在适当位置设置。
于高层建筑时常结合各层楼盖边梁布置水平环梁大跨空间网格结构一般为钢结构,杆件截面尺(见图2b)l用于构筑物时,由于没有楼层的限制,寸、节点间距均较小,网格较密。由于不同的受力特也没有遮挡室内人员视线的顾虑,可采用斜向环梁征和使用功能,高层网筒结构有其特殊性。高层网筒(见图2c),各斜向环梁可以相互独立,也可以沿竖结构的基本构件内力较大,需要大截面杆件,纯钢构向设置为连续的螺旋式斜向环梁。参照蜂窝形三角件不满足受力需要时,往往采用钢筋混凝土L7J、钢管锥网架,其网格形式呈有规律排列的三角形和六边混凝土[9]、钢骨混凝土,当然施工工艺的复杂性有所形(见图2d、2e),非常适合高层网筒结构,其中大面加大。为避免影响建筑物的视觉流畅,高层网筒结构积的六边形可开窗采光、小面积的三角形可作为窗应采用稀疏网格,节点间距较大,一般不宜小于层间墙,不同的几何图形相间、虚实相间,可形成独特高、有时可达数倍层高;网格节点一般位于楼面标
的建筑立面效果。
『\/\/\/\/\,
八/\/\/\/^
V\/\/\/\,八/\/\/\/\
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(a)两向斜交斜放
(b)两向斜交斜放+水平环梁
(c
、<×X×)、区XXx!、×X×X、必XXx、<X×X)、KXXX!
××××
L,L,
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一一一
(d)单层蜂窝形网格
(e)双层蜂窝形网格
(D曲线网格
Z一斜柱间距#IIl一层高;雄≥1整数围2高层网筒结构的网格形式
高层网筒结构一般为单层网格,当结构受力或建筑造型及功能需要时,也可全部或局部采用双层2高层网筒结构体系的空间几何形式
网格(如图2e所示),当然不排除多层网格,但实际高层网筒结构可以被看作“竖起来”的网壳,常
见的网壳形式可以“移植”过来产生如柱面网筒、抛
施工繁琐而并不具有太多优势。上述网格形式中,网物面网筒等形式。这种结构既适合规则、对称的建格节点之间均为直线构件,考虑到网筒结构的受力筑,又能较好适应不规则、非对称的建筑,不同形式的网筒可以形成新颖的建筑造型,为建筑师提供更可为曲线构件,以适应特殊的建筑立面。
加丰富的选择。
工程中,单、双层网格一般可满足要求,多层网格因特点,也可采用曲线网格(如图2f所示),节点之间
张崇厚,等:高层网筒结构体系的基本概念
2.1平面外形为光滑曲线
结构平面沿竖向大小、形状及相对位置无变化,最常见的是如图3a所示各种类型的柱面网筒;结构平面沿竖向大小发生变化、形状和相对位置无变
化,如圆台形网筒、双曲抛物面网筒、椭圆抛物面网筒等(见图3b);结构平面沿竖向相对位置发生变化、形状和大小无变化(见图3c);结构平面沿竖向大小和相对位置发生变化、形状无变化(见图3d)。
(b)(c)
图3高层曲面网筒结构的空间形式
2.2平面为多边形
结构平面沿竖向大小、形状及相对位置无变化,竖向棱线为铅垂线(见图4a);结构平面沿竖向大小发生变化、形状和相对位置无变化,竖向棱线为偏离
铅垂方向的直线或平面曲线(见图4b);结构平面沿竖向相对位置发生变化、形状和大小无变化,竖向棱线为空间曲线(见图4c);结构平面沿竖向大小和相对位置发生变化、形状无变化,竖向棱线为空间曲线(见图4d)。
(b)(c)
图4多边形平面高层网筒结构的空间形式
以上几何构成规则,基本概括了大部分的高层网筒空间形式。当然,也有结构平面沿竖向大小、形状及相对位置均变化的情形,不过比较复杂,本文暂不涉及。此外,根据实际工程情况,还可以通过不同的网格组合,灵活变化,如不同部位(不同立面或同一立面的不同位置)分别采用不同的网格形式或曲面,构成形式更加多样的网筒结构。
上述几何形式中,建筑物的所有立面均为网格状,平面为围合的连续网筒结构。实际上建筑方案干变万化,可采用网格和其他结构类型的组合式立面。
网筒结构具有很强的可设计性,布置方式上有很大的选择余地。例如,可以根据建筑物的形状和受力特点,在受力较大或较小的部位增减构件的数量或截面尺寸;既可以单独应用,也可以与其他结构体系结合形成杂交结构,达到预期的效果。
3高层网筒结构的实例分析
某高层建筑实例,地上共29层,原结构方案为筒中筒结构。如图5a所示,钢外框筒平面为近似33Ill×33In.的正方形,柱距平均为3.3m,内混凝土核
清华大学学报(自然科学版)
2008,48(9)
心筒为15mXl5rn的正方形。标准层层高3.6m,外筒柱子为600mm×600mm箱型截面,壁厚随楼层高度逐渐变小:首层到第16层40mm,第17层到第24层36mm,第25层到顶层32mm;各层窗裙梁采用截面500×300×12×24I型钢。
为了观察高层网筒结构的受力性能,保持原结构方案的其他部分不变(由于外围柱的位置变化,楼
层梁的位置作了相应调整),仅将外筒由原来的框筒改成网筒(见图5b)。采用如图2b所示的两向斜交斜放加水平环梁的网格形式,斜柱与水平面夹角约为58。,从首层到顶层斜柱截面采用3种尺寸的圆钢管:首层到第13层550×18,第14层到第21层400×18,第22层到顶层299×12;各层环梁采用截面300×150×10X14I型钢。
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上述2种结构方案的分析计算均采用结构分析设计程序ETABS9.0。根据《建筑结构荷载规范》GB50009—2001及《高层建筑钢结构设计规程》JGJ99—98计算竖向荷载与水平地震作用的组合效应。按照《建筑抗震设计规范>>GB50011—2001规定的8度第1组I类场地,特征周期0.35s,采用振型分解反应谱法计算地震作用。
2种结构方案的前6阶振型对应的周期及振动
模态参见表1。由表1和图6可知,网筒结构与原框筒结构的自振周期、振型以及水平地震作用下各层的层间位移角艿非常接近,而且网筒结构的自振周期、层间位移角均比原框筒结构略小,说明两种结构体系的刚度相近、且网筒结构的刚度略大。另外,原结构方案外框筒梁、柱总用钢量约2.57万t,网筒结构方案外网筒梁、柱总用钢量约1.24万t。
表1结构自振周期及其对应振型
张崇厚,等:高层网筒结构体系的基本概念
横层号
图6竖向荷载与水平地震作用下各楼层的层间位移角
上述结果初步体现了网筒结构的优势:空间工作,在竖向与水平荷载作用下,具有简捷的传力路径;轻质,整体刚度大,在满足同样刚度要求的条件下,结构用钢量比框筒结构大幅度降低。此外,网筒结构整体刚度大,易适应复杂的建筑造型,可望取得良好的建筑效果。
4结语
本文从结构体系的角度提出了高层网筒结构,给出了其基本组成和实现的构想,以及几种典型的网筒形式I还通过实例简要分析了网筒结构的受力和优势。
1)高层网筒结构是一种新型的高层结构体系,一般由基本构件和辅助构件组成,如斜柱和环梁等。它将竖向承重与抗侧力结构合二为一,是充分发掘结构空间作用潜力的一种高效结构体系。
2)网筒结构具有丰富的几何构成形式,结构布置灵活,建筑造型多样、轻巧、美观,可设计性好,便于创作新颖的建筑方案。
3)网筒结构发挥了空间网格结构的优势:空间工作,传力途径简捷;轻质,整体刚度大,抗侧力性能好;杆件和节点便于定型化,商品化,可在工厂中成批生产,有利于提高生产效率。
高层网筒结构是一种适合于复杂建筑造型的简体结构体系。本文仅提出该结构体系的概念和设想,到实际应用还有一定的距离,从分析理论到设计方法以及施工技术都需要有深入的研究和探讨。
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高层网筒结构体系的基本概念
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
张崇厚, 赵丰, ZHANG Chonghou, ZHAO Feng清华大学,土木工程系,北京,100084
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JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY(SCIENCE AND TECHNOLOGY)2008,48(9)1次
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