钢架结构及其建筑造型

2023年5月2日发(作者：搬家入住第一晚忌讳)

.

论文

论文题目：钢架结构及其建筑造型实例分析

姓 名 韩江伟、胡琛、于善政

学 号 2、2、2

学 院 建筑城规学院

班 级 建筑131

专 业 建筑学

2015年 12 月 01 日

..

.

钢架结构及其建筑造型实例分析

1.1 钢架结构的特点.............................................................................. 1

1.1.1钢架结构的组成 ..................................................................... 1

1.1.2 钢架结构的特点 .................................................................. 1

2.1钢架结构的发展应用 ....................................................................... 2

2.1.1 国外刚架应用与发展 .......................................................... 2

2.1.2 国内门式刚架的发展 .......................................................... 3

3.1钢架结构的适用范围 ....................................................................... 3

4.1 钢架结构造型实例分析 .................................................................. 4

5.1 本章小结 ....................................................................................... 7

..

.

钢架结构及其建筑造型实例分析

1.1 钢架结构的特点

1.1.1钢架结构的组成

刚架组成不外乎梁和柱，两者组成刚架，但由于是钢结构房屋，维护构

件即墙面屋面采用压型钢板，这样与檩条，支撑结构等构成门式刚架房屋。 门

式刚架中有主刚架柱，它是结构中主要受力体系，其组成部分分为钢架梁和柱，

两者主要采用焊接工字钢或热轧H型钢。

根据结构的受力特点，刚架的梁和柱一大多采用变截面的梁，这样可以充分

发挥材料的的性能和达到经济效益降低造价。在刚架所使用的钢材中热轧H型钢

涉及的还是比较少。原因主要是由于热轧H型钢一般为等截面而不是变截面。热

轧H型钢一次成型，质量可以保证，自身的材料残余应力比较小，这些特点使得

它在今后随着设计和技术的的发展而其适用范围也会不断扩大。 在那些有吊车

的房屋结构中，刚柱一般采用等截面形式或等截面阶形形式柱，梁仍然采用与应

力图接近的变截面梁。 一座房屋的主要受荷部位就是梁柱即主结构，所有与主

结构连接的构件所受的荷载都要传递到主结构上。如与植物相比，一棵树，那么

主钢结构就像一个树干，树不倒靠树干，可靠的钢结构起着决定性的作用，它的

用钢量占整个量也是相当大的比例。 门式刚架的结构体系的组成部分：主要结

构：横向刚架、楼面梁、托梁、支撑体系等；次要结构：屋面檩条和墙面檩条等；

辅助结构：楼梯、平台、扶栏等； 围护结构：屋面板和墙板；基础。

图片1钢架组成

1.1.2 钢架结构的特点

等截面或者变截面梁柱的组合是门刚采用较多的形式，材料主要选用 H 型

钢，两者组成了门式刚架的主要承重体系。冷弯 Z 型和 C 型钢作为檩条的材料

能够起到良好效果，使用较为广泛。压型钢板应用于屋面和墙面，极大地减小了

房屋的荷载。保温材料一般选用聚苯乙烯泡沫塑料。门式刚架因其材料和组成，

有着诸多的特点，所以备受亲睐。

特点之一就是施工时间短，可以实现工业化。门式刚架的工业化生产，可以

保证质量。节点采用螺栓连接，可以使施工安装变得方便快捷，质量也可以很好

..

.

地保证。 质量较轻，之所以质量轻是因为采用了冷弯钢材，玻璃棉，压型钢板

等轻型材料。通常的用钢量大约在 10-30kg/m，与钢筋混凝土结构相比，重量在

相同跨度和负荷条件下仅约为其二十分之一到三十分之一。由于质量的减少，地

基处理的成本有效的降低。房屋较高或者风荷载较大时，成为控制门式刚架荷载

的因素。 常见的钢筋混凝土结构因屋顶和墙板的限制，大多 6 米柱间距，使用

12 米柱距时，传统形式设置需要墙架柱和托梁。但是，门式刚架结构的围护体

系采用压型钢板，所以柱间距要求无需模数列的网格布局限制，并根据钢量的大

小来确定最经济要求，并能提供大的空间结构满足业主的要求。

2.1钢架结构的发展应用

2.1.1 国外刚架应用与发展

门式刚架的发源地是美国，起初是用在私人车库。上个世纪60年代以来，

随着新型建筑材料的出现，加工设备不断的完善改进，轻型门式刚架结构体系逐

渐普及到大型工业厂房，商业建筑，交通设施等建设中，并且实现了设计，分析，

出图的程序化，构件加工，安装施工，经营管理一体化流程。轻钢结构之所以在

国外发展迅速，愿意之一是购买方可以向生产商定做某种钢结构房屋形式，而且

生产商可以在短期内生产产品达成购买方的要求，并交付使用，这种高效的方式

很受一些业主欢迎，因此轻钢结构得以快速发展。到现在为止，轻型钢结构在欧

美等国家的规模相当的大，其中非居住单层轻钢结构约占53%以上。 在房屋的

建筑用钢材的第一个国家可以追溯到十八世纪后期英国，一百年以后建造的著名

的法国工程师艾菲尔铁塔，人们开始尝试建立单一家庭住宅的钢结构，因为以前

的钢结构的建筑风格，建筑设计理念和方法也都得到该变。早期的钢组件中的一

部分，由铸铁制成配件，到19世纪80年代，结构钢的出现，加快钢铁建筑在

20世纪60年代的发展，使钢结构建筑，实现了发展与创新第二次飞跃的理论和

实践中，德国包豪斯理论是它的发祥地。

门式刚架在美国的规模最大，因为其是该结构的发源地。此外，欧洲日本也

较早的大规模采用该结构。由于轻钢门式刚架结构具有不同于其他结构的特点，

而且有显著的经济效益，所以这种形式的结构在国外通过引进广泛应用于国内外

轻钢结构的发展较早，由于汽车产业的发展，最初是为众多优势私人车库等简易

房屋的建设。第二次世界大战期间，由于需要战争，一些军营和仓库采用了轻型

钢结构建筑。彩色压型钢板出现了自1960年以来，国外建筑用钢的发展得

到了很大的突破，色彩鲜艳，耐用，以及H型钢及冷弯型钢的出现，促进了轻型

门式刚架结构的发展，使之成为一种商品循环模式。加工设备和设计形式都随着

新型建材的出现而不断的得到完善和多样化，轻型门式刚架结构体系逐渐蔓延到

大型工业厂房，商业楼宇，交通设施等建筑，实现了设计，分析，图的程序，组

件加工，安装，运行和管理的一体化进程。业主没有委托加工的图，但订购某种

轻钢房屋承建商，根据业主和交付的要求，在很短的时间里就可以完成任务。这

种迅速快捷的生产形式让业主感到满意，轻钢门式刚架的发展得到促进。目前，

国外企业大多轻钢门式刚架都有自己的轻钢系列，且每家公司的轻钢系列大同小

异。据统计，美国和欧洲的轻钢结构建造的单非住宅建筑占50％以上。许多国

家，如英国，美国，日本，澳大利亚等国家的经济和高效的建筑结构体系，在商

品销售的形式上多种多样。

其中，美国的轻型门式刚架结构体系所占比重中，主要设计的结构建筑如下：

..

.

商业：大型仓库，商店，政府机关，银行，车库，占42％;

工业：工厂，仓库占34％;

文化娱乐产业：学校，教堂，娱乐，福利设施，占9％;

其他：15％。

门式刚架发展过程中产生了两种体系，第一种是日本在门式刚架生产中，实

现了构件的标准化，定型，装配为导向；管理，设计，生产，施工，服务系统化

的模式。第二类是自1989年以来，从美国进口轻型门式刚架体系发展起来的。

2.1.2 国内门式刚架的发展

1990 年以前，工业中的钢结构房屋比较单一，只有排架结构形式的重型厂

房，民用房屋中主要是球形节点网架结构；自 1990 年起，钢结构在多方面的

应用，如厂房，仓库等建筑，说明钢结构建筑在我国已经开始大力发展起来了。

当今钢结构体系的构成材料主要是冷弯薄壁型钢，焊接钢材，还有热轧型钢。而

当今钢结构建筑主要有常规钢结构和轻钢结构两种。但是，这两类结构的具体划

分标准学术界目前尚未定论，因此存在着很多划分标准。比如，结构的跨度标

准，层数标准，吊车吨数标准，用途标准等。虽然这些标准建立在结构系统之外

的因素特征上，但是它们还是有一定的根据的。研究轻钢结构的目的就是为了减

少结构的重量，这就要控制构建的尺寸厚度，因此构件的局部失稳后的极限强度

就必须要考虑。解决这些问题要把结构的工作方式和计算方法作为出发点，来解

决设计中可能出现的一系列问题。

我国门式刚架结构体系发展比较晚，在参考了国外的一些资料，引进了一批设计

理论之后才得以发展。自 1960 年以来，焊接工字形钢门式刚架在我国进行的实

验研究，主要都是针对刚架的塑性设计，随后也在某些试点工程中应用。因为我

们国家从经济角度考虑，采取了限制使用结构钢的策略，所以门式框架结构体系

尚未得到很好的发展，无论是在设计水平，或施工的水平，相比国外还有很大的

差距。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102-2002)的颁布与实施，

标志着我国门式刚架结构设计进入规范化。就目前出现在国内的门式刚架结构房

屋都是根据这一规程设计施工的，取得显著地成效，这样就为门式刚架的广泛应

用垫定了基础。不仅门式刚架得到发展，相应的构件材料的生产也得到了提升，

多大型企业都纷纷加入门式刚架生产体系的那个中，门式刚架称为最受欢迎的结

构之一。方案设计已经取代了手工设计，我国自行设计的设计软件正在逐步取代

国外的一些类似软件。

3.1钢架结构的适用范围

近年来，随着中国彩钢板产量的增加和焊接 H 型钢，门式框架结构中大量

在我国的出现，据相关部门统计，2000 年中国已建成这样的结构工程已达到 800

多万平方米，超过百万平方米每年的速度递增。 1t-3t 的吊车系统可应用于大

型或者中型的单层工业厂房中，也可以设置起重量小于 20t 的中轻级单梁或桥

式吊车。现在的钢结构厂房已经不是原来的那种环境差，卫生条件差的样子，建

成后简洁美观大方，使人在其中工作的心情都很愉悦。

单层门式刚架系统不仅结构简单，而且成型后的结构外形规矩美观，内部的

空间很大，因此得到很多的仓库和码头的仓库大量采用。800 多平方米的变截面

门式刚架厂房只需 4 至 6 天就可安装完毕投入使用，60m 至 72m 大跨度门式

刚架建筑，如北京西郊的飞机机库跨度达 72m，只用了三个多月就完成了建设。

..

.

与球形节点相比，门式刚架不仅有经济优势，也有施工时间优势。 现代商业，

文化娱乐设施和各种商业建筑，如体育场馆超市，商贸中心，农贸市场，以及各

种形式的综合商贸城，要求建筑物跨度大，视野开阔。这些建筑合理的结构形式

可采用大跨度轻型门式刚架，其特点除有普通门式刚架的特点外，最显著的特点

就是净空间大。

4.1 钢架结构造型实例分析

案例1：国家体育场（鸟巢）外形结构

工程概况：设计国家体育场俗称鸟巢，位于北京奥林匹克公园中心区南部，

为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场。工程总占地面积21公顷，建筑

面积258,000㎡。场内观众坐席约为91000个，其中临时坐席约11000个。

国家体育场工程为特级体育建筑，主体结构设计使用年限100年，耐火等级

为一级,抗震设防烈度8度,地下工程防水等级1级。工程主体建筑呈空间马鞍椭

圆形，南北长333米、东西宽294米的，高69米。钢结构总用钢量为4.2万吨，

混凝土看台分为上、中、下三层，。钢结构与混凝土看台上部完全脱开，互不相

连，形式上呈相互围合，基础则坐在一个相连的基础底板上。国家体育场屋顶钢

结构上覆盖了双层膜结构，即固定于钢结构上弦之间的透明的上层ETFE膜和固

定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明的下层PTFE声学吊顶。 国家体育

场，被誉为“第四代体育馆”的伟大建筑，见证的不仅仅是人类21世纪在建筑

与人居环境领域的不懈追求，也见证着中国这个东方文明古国不断走向开放的历

史进程。其设计新颖，配套设施完备，象征意义深远。

..

.

结构形式：“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架

柱，主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构。看台混

凝土结构为地下1层，地上7层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。

受力特点:钢架结构是指梁柱之间为刚性连接的结构。在竖向荷载作用下，

由于柱对梁的约束作用减小了梁跨中的弯矩和挠度。在水平荷载作用下，由于梁

对柱子的约束作用减少了柱内的弯矩和侧向变为。钢架结构的承载力的刚度很

大。

..

.

案例2

中国蓝田股份有限公司年产20 000 t酱油车间,厂房全长108m,跨度45m,采

用门式刚架结构,单层单跨,刚架间距6m,共19榀刚架,刚架柱顶高13m,屋面坡度

为1∶10。为满足生产过程所需的通风及采光条件,除两端第一柱间外,沿纵向开

设宽度为9m的天窗,总长度为96m。

屋盖结构平面布置

厂房墙面和屋面围护材料采用轻型彩色压型钢板复合板。屋面檩条间距1.

5m,按单跨简支构件设计,采用C型冷弯薄壁型钢C200×70×20×2. 5。檩条跨中

设一道拉条,拉条采用O10圆钢,为使拉条形成一个整体不动体系,在天窗侧边两

檩条间设斜拉条和刚性撑杆。纵墙墙梁采用C型冷弯薄壁型钢C200×70×20×

2. 2,山墙墙梁因跨度为9m,采用高频焊接轻型H型钢H200×150×3. 2×4. 5,均按

..

.

单跨简支构件设计。跨中设一道拉条,在最上层墙梁处设斜拉条以将拉力传至承

重柱。为保证整体结构的空间稳定性,每隔4个开间设置一道柱间支撑,端部支撑

设在厂房两端的第2个开间,在第1开间设刚性系杆。由于厂房高度较大,柱间支

撑分两层设置,采用张紧的十字交叉圆钢O25,用特制的连接件与柱腹板连接。在

设置柱间支撑的开间,同时设置屋盖横向水平支撑,支撑节点间距为3m,采用十字

交叉圆钢O20,与刚架横梁腹板连接。所示为屋盖结构平面布置简图。为保证刚

架的侧向刚度,在刚架横梁受压下翼缘及柱内翼缘两侧布置隅撑(端部仅布置在一

侧),隅撑采用单角钢L56×4,另一端连接在檩条或墙梁上,采用M12普通C级螺栓

连接,隅撑与构件腹板的夹角不小于45°。

钢架立面

刚架的拼接连接采用了直径为M27的10. 9级摩擦型高强度螺栓,扭剪型连

接副,其材质为:螺栓采用20MnTiB,螺母采用15MnVB,垫圈为45号钢。连接接触

面采用喷砂处理,并要求按规范进行摩擦面抗滑移系数试验。梁的拼接采用端板

对接的形式,梁与柱的拼接采用了端板竖放的形式。刚架构件的翼缘和腹板与端

板的连接采用全熔透的坡口焊缝,且焊缝质量不低于二级。

5.1 本章小结

门式刚架投资成本比较低，而且重量较轻，所采用的压型钢板制作和安装方

便。门式刚架结构施工和安装周期较短，从而有效地缩短工期，使该项目投入使

用，并且能很快获得经济效益。

对于大跨度的门式刚架,应根据弯矩的变化采取分段变截面的形式,以减轻

刚架的自重,尤其是横梁的自重,同时方便制作和运输。大跨度门式刚架采用较高

强度的钢材有助于减小截面尺寸和自重,但同时横梁刚度降低,跨中挠度增大,设

计中应加以综合考虑。门式刚架的柱脚设计为刚接,可有效地减小横梁跨中弯矩

及挠度,这对于大跨度的门式刚架来说,是十分有利的。

..