谈谈大跨度空间结构的发展

简介：近二十余年来，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别；结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。本文就此介绍了大跨度空间结构的发展。

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一、综述

近二十余年来，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别；结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。例如1975年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”（Superdome），直径207m，长期被认为是世界上最大的球面网壳；现在这一地位已被1993年建成直径为222m的日本福冈体育馆所取代，但后者更著名的特点是它的可开合性：它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成，扇形沿圆周导轨移动，体育馆即可呈全封闭、开启1／3或开启2／3等不同状态。1983年建成的加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖，其圆形平面直径135m，它是为1988年冬季奥运会修建的，外形极为美观，迄今仍是世界上最大的索网结构。70年代以来，由于结构用织物材料的改进，膜结构或索-膜结构（用索加强的膜结构）获得了发展，美国曾建造许多规模很大的气承式索-膜结构；1988年东京建成的“后乐园”棒球馆，也采用这种结构，技术尤为先进，其近似圆形平面的直径为202m；美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶”（Geogia Dome，1992年建成）采用新颖的索穹顶结构，其准椭圆形平面的轮廓尺寸达192mX241m。许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。

可以这样说，大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。这些研究工作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。

我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，近十余年来也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多，空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化，相应的理论研究和设计技术也逐步完善。以北京亚运会（1990）、哈尔滨冬季亚运会（1996）、上海八运会（1997）、广州九运会（2001）的许多体育建筑为代表的一系列大跨空间结构——作为我国建筑科技进步的某种象征在国内外都取得了一定影响。

种种迹象说明，我国虽然尚是一个发展中国家，但由于国大人多，随着国力的不断增强，要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛，而且这种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。2008奥运场馆建设为我国大跨空间结构的发展提供了巨大的机遇，也是展示我国建筑科技水平的重要场所，有关工程界和设计、研究部门积极性空前高涨，正在进行充分的理论和技术准备。我相信，各种类型的大跨空间结构，将在奥运场馆建设中取得广泛应用。

大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩，习惯上分为如下这些类型：钢筋混凝土薄壳结构；平板网架结构；网壳结构；悬索结构；膜结构和索－膜结构；近年来国外用的较多的“索穹顶”（Cable Dome)实际上也是一种特殊形式的索－膜结构；混合结构(Hybrid Structure)，通常是柔性构件和刚性构件的联合应用。

平板网架和网壳结构，还包括一些未能单独归类的特殊形式，如折板式网架结构、多平面型网架结构、多层多跨框架式网架结构等，总起来可称为空间网格结构。这类结构在我国发展很快，且持续不衰。悬索结构、膜结构和索-膜结构等柔性体系均以张力来抵抗外荷载的作用，可总称为张力结构。

二、空间网格结构

网壳结构的出现早于平板网架结构。在国外，传统的肋环型穹顶已有一百多年历史，而

第一个平板网架是1940年在德国建造的（采用Mero体系）。中国第一批具有现代意义的网壳是在50和60年代建造的，但数量不多。当时柱面网壳大多采用菱形“联方”网格体系，1956年建成的天津体育馆钢网壳（跨度52m）和l961年同济大学建成的钢筋混凝土网壳（跨度40m）可作为典型代表。球面网壳则主要采用肋环型体系，1954年建成的重庆人民礼堂半球形穹顶（跨度46.32m）和1967年建成的郑州体育馆圆形钢屋盖（跨度64m）可能是仅有的两个规模较大的球面网壳。自此以后直到80年代初期，网壳结构在我国没有得到进一步的发展。

相对而言，平板网架结构自60年代后期起获得较多应用，1967年建成的首都体育馆和1973年建成的上海体育馆是早期成功采用平板网架结构的杰出代表，对这种结构形式在其后一段时期的持续发展有很大影响。80年代后期北京为迎接1990亚运会兴建的一批体育建筑中，多数仍采用平板网架结构。

随着经济和文化建设需求的扩大和人们对建筑欣赏品位的提高，在设计日益增多的各式各样大跨度建筑时，设计者越来越感觉到结构形式的选择余地有限，无法满足日益发展的对建筑功能和建筑造型多样化的要求。这种现实需求对网壳结构、悬索结构等多种空间结构形式的发展起了良好的刺激作用。由于网壳结构与网架结构的生产条件相同，国内已具备现成的基础，因而从80年代后半期起，当相应的理论储备和设计软件等条件初步完备，网壳结构就开始了在新的条件下的快速发展。各种形式的网壳，包括球面网壳、柱面网壳、鞍形网壳（或扭网壳）、双曲扁网壳和各种异形网壳，以及各种网壳的组合形式均得到了应用；还开发了预应力网壳、斜拉网壳、拱支网壳、局部双层网壳等新的结构体系。

同时，平板网架结构并未停止其自身的发展。这种目前来看已比较简单的结构有它自己广泛的使用领域，跨度不拘大小；而且近几年在诸如工业厂房、飞机库等一些重要领域扩大了应用范围。十分明显，包括网架和网壳在内的空间网格结构是我国近十余年来发展最快，应用最广的空间结构类型。这类结构体系整体刚度好，技术经济指标优越，可提供丰富的建筑造型，因而受到建设者和设计者的喜爱。我国网架企业的蓬勃发展也为这类结构提供了方便的生产条件。据估计，近几年我国每年建造的网架和网壳结构达数百万平方米建筑面积，相应钢材用量约20万t。这么大的数字是任何其它国家无法比拟的，无愧于“网架王国”这一称号。

如此大的发展势头自然也会带来一些问题。尤其是在市场需求带动下，大量小型网架企业雨后春笋般成立起来，难免良莠不齐，设计也非总由有经验人士担任。因而大力加强行业管理，切实把握住设计制作和安装质量，是促进我国空间结构进一步健康发展的重要课题。

三、张力结构

中国现代悬索结构的发展始于50年代后期和60年代，世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Raleigh体育馆，采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国1961年建成的北京工人体育馆和1967年建成的浙江人民体育馆两个悬索结构无论从规模大小或技术水平来看在当时都可以说是达到了国际上较先进水平。但此后我国悬索结构的发展停顿了较长一段时间。一直到80年代，由于大跨度建筑的发展而提出的对空间结构形式多样化的要求，这种形式丰富的轻型结构重新引起了人们的热情，工程实践的数量有较大增长，应用形式趋于多样化，理论研究也相应地开展起来。

张拉式膜（或索-膜）结构自80年代以来在发达国家获得极大发展。这种体系与索网结构类似，张紧在刚性或柔性边缘构件上，或通过特殊构造支承在若干独立支点上，通过张拉建立预应力并获得确定形状。张拉式索膜体系具有重量极轻，安装方便，在大跨度和超大跨度建筑中极具应用前景。近几年我国膜结构发展很快，不少体育场挑蓬和许多中小型建筑采用张拉式或骨架支承式的膜结构，有一些工程是比较成功的，但总体上与国外先进水平比较尚有一定差距。主要表现在结构形式还比较拘谨和匠气，缺少大胆创新之作，说明新颖的建

筑构思与先进的结构创造之间还没有很好地结合起来。这也许与当前的设计体制有一定关系。我们的设计部门对膜结构这一新技术还不够熟悉，难于作出创新的设计方案；一旦确定采用膜结构时，实际上包括设计在内都交给膜结构企业去操作。在正常情况下，建筑师应当是始终对整个设计保持控制的。

我们的差距还表现在膜结构产品的质量上。膜材的剪裁和加工不够精细，零配件和连接件相对地显得粗糙。这与企业的技术力量和设备条件直接有关。

另外，迄今我国的膜结构大都采用半永久性膜材（聚酯纤维+PVC涂层）建造。永久性膜材（玻璃纤维+PTFE涂层）在制作安装时要求更高的技术水平，对国内企业来说尚有一定难度。外国企业实力雄厚，技术力量强，但由于价格上的原因，迄今尚未取得中国市场的主要份额。现在有的外国企业计划在中国建厂，届时国内企业所具有的价格优势将不复存在，他们将面临更为严峻的竞争局面。

至于所谓的“张拉集成系统”或“全张拉结构”（Tensegrity），是指由连续的受拉杆索和局部的受压杆件组成的结构体系，目前在工程上的唯一实现形式是由预应力双层空间索系和薄膜屋面组成的“索穹顶”（Cable Dome）结构。国外已建成的索穹顶有两种形式：1988年汉城奥运会体育馆采用脊索呈辐射布置的Geiger体系；1996年亚特兰大奥运会体育馆采用脊索呈菱形布置的Levy体系。索穹顶自重极轻，因而可以跨越非常大的空间，像亚特兰大体育馆达到243mX191m这样大的尺度。我国还没有采用这种体系的工程实践，可能原因是施工安装技术上有较大难度，但在理论研究方面已做得比较深入。我相信，在研究、设计、施工、安装各部门协调配合下，有朝一日我国会实现这些高效的结构形式。

四、理论研究

空间结构的理论研究是与其工程应用同步开展的。早期的研究偏重于各式空间结构在荷载作用下的静、动力性能的分析方法，以满足一般设计工作的需要为主要目标。这些研究为我国空间结构的发展提供了基本的理论支持。

我国关于空间结构研究的一个特点是做了大量的试验。这是我国结构研究领域的一个优良传统。80年代乃至90年代初期建造的几乎每一个有代表性的大型空间结构，都作过模型试验或现场实测。这些试验研究同理论分析工作一起，以及它们之间的相互印证，使我们对原来可能比较生疏的各种新颖空间结构的基本性能了解得越来越全面，为设计这些结构积累起比较丰富的理论储备。

我们除了对各种类型空间结构的基本性状和计算方法的研究以外，一些更为基础性的理论研究也受到了重视。关于网壳稳定性的研究已取得许多重要成果。稳定性是网壳结构、尤其是单层网壳结构设计中的关键问题，也是国内外十多年来的热点研究领域。我国从80年代后期开始也积极开展以非线性全过程分析为基础的网壳稳定性研究。

在深入的理论研究的基础上，采用大规模参数分析的方法，进行了网壳稳定性分析实用方法的研究。即结合不同类型的网壳结构，在其基本参数（几何参数、构造参数、荷载参数等）的常用变化范围内，进行大规模的实际结构全过程分析，对所得结果进行统计分析和归纳，考察网壳稳定性的变化规律，最后通过回归分析提出网壳稳定性验算的实用公式。这一工作很受广大设计部门欢迎。这些公式已列入正在编制的“网壳结构技术规程”（征求意见稿）。应该说，我国关于网壳稳定性的研究是相当深入和细致的。

空间结构是最充分地利用曲面形状来抵抗外力作用的结构形式，所以空间结构的形体设计（或从理论分析角度称作初始形态分析）具有十分重要的意义。对于钢筋混凝土薄壳和钢网壳等较刚性的体系，其形态分析主要涉及结构几何形状的优化。对索网、膜和索-膜等柔性结构体系，初始形态分析具有更基本的意义。初始形态分析的任务就是要确定在给定支承条件下满足建筑功能要求的曲面形状和预张力状态的优化组合。具体的计算方法一般采用非线性有限元分析方法，但理论上远未定型。我国在悬索结构和膜结构的初始形态分析方面作

过不少工作，并编制了一些相应的软件。有些研究者还提出了空间结构初始形态的优化准则和分析方法。

我们对悬索结构的风振问题也做了不少研究，索、膜结构等柔性体系自振频率低，是风敏感结构，研究这种结构在风作用下的动力响应十分重要。膜结构具有较强的几何非线性，而且作为多自由度的复杂三维体系，其自振频率密集分布且相互耦合；传统的以振型分解法为基础的随机振动频域分析方法无法应用。几年来我们主要开展了若干种非线性随机方法，可用来分析索、膜结构这类大跨度柔性体系的风振响应。

但不同的柔性屋盖体系，其风振特性也有差别，以膜结构为例，膜既是受力构件，又是覆面材料，质轻而薄，局部刚度很小，在风作用下局部膜单元的速度和加速度、响应较大，可能对周围流场产生影响，形成明显的流固耦合作用，导致较明显的气弹反应和可能的动力失稳现象。研究这一问题在理论上有较大难度，各类随机振动分析方法都是建立在来流已知的基础上，无法考虑真正的流固耦合作用。目前主要的研究方法是风洞试验，但风洞试验也存在局限性。在风洞试验中某些相似参数的模拟和某些物质量的精确观测均非易事。有些研究者准备用气动弹性力学的方法来研究膜结构风振分析中的流固耦合问题，提出了一些气动力模型，其中有关参数需由气弹模型风洞实验来确定。应该说，这一方法目前离实用尚远。

鉴于上述原因，有些研究者转向另一方向，即借鉴桥梁，飞机等其他学科领域的风振研究经验，运用计算流体力学研究手段，开发适应于膜结构风工程领域的数值风洞，以便对结构响应与周围流场的变化做出更准确的描述，并对各种可能的气弹失稳现象进行探索，这是一种有前途的研究方法，但目前我们只能说，这些方法还都处在探索阶段。

我相信，在做好上面这些理论研究工作以后，将使我国大跨空间结构领域形成较完整的理论体系并进入世界先进行列，为我国大跨度建筑的进一步发展提供充分的理论支持。