Пространственные стержневые конструкции покрытий

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение  

высшего образования 

«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 

 

 

 

 

М.М. Копытов, А.С. Пляскин 

 

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СТЕРЖНЕВЫЕ  

КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ 

 

Учебное пособие  

 

 

 

 
 
 
 
 
 

Томск 

Издательство ТГАСУ 

2019 

УДК 624.074.014 
ББК 38.54 

 
Копытов, М.М. Пространственные стержневые кон-

струкции покрытий : учебное пособие / М.М. Копытов, 
А.С. Пляскин. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. 
ун-та, 2019. – 104 с.  – Текст : непосредственный. 

ISBN 978-5-93057-895-9 
 
В настоящем учебном пособии рассмотрены основные вопросы 

проектирования металлических пространственных стержневых конструкций 
покрытий. Изложены принципы изготовления, конструирования 
и расчёта структур. Представлены справочные данные, нормативные 
требования и рекомендации, необходимые для разработки 
проектной документации. Приведены примеры расчёта и конструирования 
структурной плиты большепролётного покрытия. 

Учебное пособие предназначено для магистрантов по направле-

нию «Строительство», бакалавров и магистрантов специальности 
270800 «Промышленное и гражданское строительство», специалистов 
по специальности 271101.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» 
специализации «Строительство высотных и большепролётных 
зданий и сооружений». Пособие может быть использовано 
студентами других специальностей и инженерно-техническими работниками. 

 


УДК 624.074.014 

ББК 38.54 

Рецензенты: 
Р.П. Моисеенко, докт. техн. наук, профессор кафедры 
строительной механики ТГАСУ; 
С.А. Арзамасцев, канд. техн. наук, руководитель научного 
отдела ООО «СТИ ТДСК». 
 
ISBN 978-5-93057-895-9                        © Томский государственный  
                                                                      архитектурно-строительный  

                           университет, 2019 
                       © Копытов М.М., 
                           Пляскин А.С., 2019 

К659

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
Введение ..................................................................................................... 4 
1. Общая характеристика пространственно-стержневых 
конструкций .............................................................................................. 5 
2. Однопоясные пространственно-стержневые композиции ......... 12 

2.1. Сетчатые оболочки ........................................................................ 12 

2.1.1. Основы расчёта цилиндрических оболочек ......................... 16 
2.1.2. Основы расчёта сетчатых пологих оболочек ....................... 21 
2.1.3. Основы расчёта сетчатой оболочки в форме 
гиперболического параболоида ....................................................... 26 

2.2. Сетчатые купола ............................................................................ 28 
2.3. Оболочковая система каркасов высотных зданий ...................... 37 

3. Структурные плиты........................................................................... 43 

3.1. Конструкции структур и узлы сопряжений ................................ 43 
3.2. Опирание структурных плит ........................................................ 50 
3.3. Устройство кровли по структурным плитам .............................. 54 
3.4. Особенности расчёта структурных плит ..................................... 56 

3.4.1. Определение усилий в плитах ............................................... 57 
3.4.2. Определение усилий в поясах и раскосах ............................ 63 
3.4.3. Подбор сечений стержней структурной плиты ................... 65 

3.4.3.1. Изменение сечений в стержнях структурной плиты ...... 66 

3.4.4. Пример расчёта структурного покрытия .............................. 68 
3.4.5. Особенности автоматизированного расчёта   
структурных плит ............................................................................. 76 

3.5. Серийные конструкции структурных покрытий   
из круглых труб .................................................................................... 78 
3.6. Изготовление и монтаж структурных конструкций ................... 83 

4. Структурные блоки покрытий ........................................................ 89 

4.1. Структурные блоки с поясами из двутавров ............................... 89 
4.2. Структурные блоки с поясами из пятигранных труб ................. 92 

Контрольные вопросы ........................................................................... 98 
Заключение .............................................................................................. 99 
Библиографический список ............................................................... 100 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 

 
Пространственно-стержневые конструкции широко при-

меняются в современной практике строительства. Они позволяют 
создавать конструктивные формы с оригинальной архитектурной 
выразительностью и используются не только в пространственных 
конструкциях покрытий. В последнее время они 
нашли применение в оболочковых каркасах высотных зданий 
и других уникальных сооружениях. 
 
Такие конструкции не только экономичны. Они отличают-

ся высокой надёжностью, технологичностью, транспортабельностью. 
Благодаря повышенной жёсткости ими можно перекрывать 
пролёты до 200 м практически любого очертания в плане. 
 
В компактной форме сконцентрированы сведения, обоб-

щающие отечественный и зарубежный опыт развития и применения 
пространственных стержневых конструкций покрытий. 
Рассмотрены кристаллические структурные композиции, конструкции 
структурных блоков и сетчатые системы. 
 
В настоящем пособии, состоящем из 4 разделов, пред-

ставлены конструктивные решения, основные принципы проектирования, 
изготовления и монтажа пространственных стержневых 
конструкций. Приведены примеры расчёта и конструирования 
структурной плиты приближённым способом с использованием 
прилагаемых таблиц. Для самостоятельного контроля полученных 
знаний в конце издания приведён перечень контрольных 
вопросов. 
 
Целью данного учебного пособия является формирование 

у студентов принципов расчёта и конструирования пространственных 
стержневых конструкций покрытий зданий различного 
назначения, в том числе и большепролётных.   
 
 
 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  

ПРОСТРАНСТВЕННО-СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ 

 
 

Пространственно-стержневыми конструкциями называ-

ются конструкции, у которых оси несущих стержней не лежат 
на одной плоскости. 

Пространственные стержневые системы можно разделить 

на три основные группы: стержневые плиты, цилиндрические 
оболочки и оболочки двоякой кривизны. 

Характерными свойствами пространственно-стержневых 

систем являются регулярность и многосвязность. Отсюда вытекает 
целый ряд их преимуществ по сравнению с традиционными 
линейными конструктивными элементами (балками, фермами, 
арками).  

Основные 
преимущества 
пространственно-стержневых 

конструкций: 

 – пространственность работы системы; 
 – повышенная надёжность и живучесть; 
 – максимальная унификация узлов и стержневых элементов; 
 – возможность перекрывать большие пролёты; 
 – повышенная жёсткость двухпоясных систем; 
 – поточность изготовления элементов и возможность 

монтажа укрупнёнными блоками; 

 – транспортабельность; 
 – архитектурная выразительность и гибкость применения 

для зданий различного назначения. 

Существенными недостатками таких конструкций являют-

ся сложность узловых решений и трудоёмкость укрупнительной 
сборки на строительной площадке. 

Вследствие многосвязности такие конструктивные формы 

многократно статически неопределимы. С этим связана повышенная 
надёжность пространственно-стержневых конструкций. 
Резерв живучести таких систем заключается в возможности перераспределения 
усилий после отказа какого-либо элемента. 

При проектировании уникальных зданий ГОСТ 27751–

2014 [12] требует проверки надёжности от лавинообразного обрушения 
или принятия конструктивных мер по предупреждению 
подобного обрушения. Именно такие меры и заложены 
в самой системе структурных композиций. 

Благодаря пространственной жёсткости строительная вы-

сота таких конструкций минимальна и составляет для структурных 
плит 1/20–1/25, а для двухсетчатых оболочек – до 1/100–
1/150 пролёта. Это позволяет перекрывать пространственно-
стержневыми конструкциями пролёты до 150 м при небольшой 
строительной высоте несущих конструкций. Кроме того, появляется 
возможность подвески кранового оборудования даже при 
больших пролётах структурных плит. 

Архитектурная выразительность структурных композиций 

позволяет 
создавать 
уникальные 
конструктивные 
формы 

(рис. 1.1). 

 

 

 

Рис. 1.1. Сетчатая оболочка Нормана Фостера 

 

 Регулярными структурами могут быть перекрыты пролё-

ты как простейшего, так и самого причудливого очертания 
в плане. При этом форма кристаллической решётки может быть 
весьма разнообразна (рис. 1.2). 

Рис. 1.2. Схемы конструкций регулярной структуры 

 

Существенным недостатком таких конструктивных форм 

является сложность узлов сопряжения и опирания пространственно-
стержневой системы (рис. 1.3). 

В узлах структур сходятся шесть, а иногда и более, стерж-

ней. От конструкции узла, от того, насколько высокую прочность 
при изготовлении она предполагает, зависит и сложность, 
а значит трудоёмкость изготовления. 

Именно конструкция узлов определяет главным образом 

и трудоёмкость сборки конструкций на монтажной площадке. 
Трудоёмкость сборки конструкций, приведённой к единице 

площади покрытия, для различных конструктивных систем 
может отличаться более чем в 10 раз. 

 

 

 

Рис. 1.3. Узел системы меро 

 

В большепролётных уникальных зданиях пространствен-

ные решётчатые конструкции позволяют органично сочетать 
проблему архитектурной выразительности с рациональным выбором 
конструктивной формы, а также унификации её элементов 
и удобства монтажа. 

На рис. 1.4, а показано здание бейсбольного стадиона, по-

строенного в 1997 г. в г. Нагоя. Сетчатый купол перекрывает 
спортивный комплекс вместимостью 40,5 тыс. зрителей. Интерьер 
помещения показан на рис. 1.4, б. 

Элементами пространственно-стержневых конструкций 

являются короткие прокатные стержни из круглых труб, уголков, 
швеллеров, гнутосварны прямоугольных профилей. Густая 

сетка несущих элементов, пространственно-ориентированных 
в системе покрытия, позволяет исключить или свести к минимуму 
вспомогательные элементы (прогоны, связи и др.). 

 

а 
 

б 
 

 

Рис. 1.4. Бейсбольный стадион Нагоя в Японии:  

а – общий вид стадиона; б – интерьер помещения стадиона 

 

Регулярность структур определяет повторяемость разме-

ров и, как следствие этого, максимальную унификацию стерж-

ней и узлов, что делает возможной организацию поточного высокомеханизированного 
производства, позволяющего существенно 
снизить удельные трудозатраты на изготовление. 

Укрупнительная сборка на строительной площадке хотя 

и трудоёмка, но отличается простотой. Конструкции транспортабельны. 
Короткие стрежни и узловые элементы полной заводской 
готовности легко укладываются в любое транспортное 
средство. А при компоновке конструкций из укрупнённых элементов 
их укладывают «в ёлочку», помещая один элемент 
на другой до заполнения полной грузоподъёмности транспортного 
средства. 

Монтаж полностью собранного на земле структурного по-

крытия может производиться за один подъём одним или двумя 
кранами, что сводит трудоёмкость монтажа к минимуму 
(рис. 1.5). 
 

 

 

Рис. 1.5. Монтаж блока структурного покрытия 

 
 

Сборка 
и 
монтаж 
однопоясных 
пространственно-

стержневых оболочек и куполов потребуют установки лесов, 

подмостей и других устройств, но зато это исключит необходимость 
мощного подъёмно-транспортного оборудования, что особенно 
актуально для труднодоступных районов строительства. 
 
Недостатки структурных систем связаны с большим ко-

личеством стержней и узлов. При этом требуется высокая точность 
сборки на монтаже для обеспечения заданной при проектировании 
пространственной формы. Даже небольшое искажение 
поверхности может привести к появлению дополнительных 
усилий и деформаций в элементах и узлах, способных привести 
даже к полному обрушению. 
 
В некоторых структурных плитах и оболочках при замы-

кании узлов (особенно в узлах с использованием монтажной 
сварки) развиваются значительные начальные напряжения, снижающие 
несущую способность. Однако этот недостаток компенсируется 
высокой живучестью конструктивной формы. 
 
Некоторые из указанных недостатков существенно смяг-

чаются большой повторяемостью стержней и узлов, что даёт 
конструктору возможность найти удачную конструкцию, обеспечивающую 
достаточно высокую технологичность как при изготовлении, 
так и при сборке структур.