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大跨空间结构的发展——回顾与展望沈世钊（哈尔滨工业大学哈尔滨150090）摘要：大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。本文就空间网格结构和张力结构两大类介绍了国内外（但主要是国外）空间结构的发展现状和前景。对这一领域几个重要理论问题，包括空间结构的形态分析理论、大跨柔性属盖的动力风效应、网壳结构的稳定性和抗震性能等问题的研究提出了看法。一、概述三维世界里，任何结构物本质上都是空间性质的，只不过出于简化设计和建造的目的，人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。与此同时，无法进行简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展，而且日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力，体现出大自然的美丽和神奇。空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力，而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时，空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上，当跨度达到一定程度后，一般平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来看，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。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年建成夏径为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，由于结构使用织物材料的改进，膜结构或索-膜结构（用索加强的膜结构）获得了发展，美国建造了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204m；美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶”（GeogiaDome，1992年建成）采用新颖的整体张拉式索一膜结构，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。由于经济和文化发展的需要，人们还在不断追求覆盖更大的空间，例如有人设想将整个街区、整个广场、甚至整个山谷覆盖起来形成一个可人工控制气候的人聚环境或休闲环境；为了发掘和保护古代陵墓和重要古迹，也有人设想采用超大跨度结构物将其覆盖起来形成封闭的环境。目前某些发达国家正在进行尺度为300m以上的超大跨度空间结构的设计方案探讨。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。国际《空间结构》杂志主编马考夫斯基（Z.S.Makowski）说：在60年代“空间结构还被认为是一种兴趣但仍属陌生的非传统结构，然而今天已被全世界广泛接受。”从今天来看，大跨度和超大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。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。例如，早在20年前美国土木工程学会曾组织了为期10年的空间结构研究计划，投入经费1550万美元。同一时期，西德由斯图加特大学主持组织了一个“大跨度空间结构综合研究计划”，每年研究经费100万马克以上。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。国际壳体和空间结构学会（IASS）每年定期举行年会和各种学术交流活动，是目前最受欢迎的著名学术团体之一。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助环型体系，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）习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。相对而言自第一个平板网架（上海师范学院球类房，31.5mx40.5m）于1964年建成以来，网架结构一直保持较好发展势头。1967年建成的首都体育馆采用斜放正交网架，其矩形平面尺寸为99mx112m，厚6m，采用型钢构件，高强螺栓连接，用钢指标65kg每平米（1kg每平米≈9.8pa）。1973年建成的上海万人体育馆采用圆形平面的三向网架净架110m，厚6m，采用圆钢管构件和焊接空心球结点，用钢指标47kg每平米。当时平板网架在国内还是全新的结构形式，这两个网架规模都比较大，即使从今天来看仍然具有代表性，因而对工程界产生了很大影响。在当时体育馆建设需求的激励下，国内各高校、研究机构和设计部门对这种新结构投入了许多力量，专业的制作和安装企业也逐渐成长，为这种结构的进一步发展打下了较坚实的基础。改革开放以来的十多年里是我国空间结构快速发展的黄金时期而平板网架结构就自然地处于捷足先登的优先地位。甚至80年代后期北京为迎接1990年亚运会兴建的一批体育建筑中，多数仍采用平板网架结构。在这一时期，网架结构的设计已普遍采用计算机，生产技术也获得很大进步，开始广泛采用装配式的螺栓球结点，大大加快了网架的安装。但事物总是存在两个方面。在平板网架结构一枝独秀地加快发展的同时，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。建造数量逐年增加，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，以及上述各种网壳的组合形式均得到了应用；还开发了预应力网受、斜拉网壳（用斜拉索加强网壳）等新的结构体系。近几年来建造了一些规模相当宏大的网壳结构。例如1994年建成的天津体育馆采用肋环斜杆型（Schwedler型）双层球面网壳，其圆形平面净跨108m，周边伸出13.5m，网壳厚度3m，采用圆钢管构件和焊接空心球结点，用钢指标55kg每平米。1995年建成的黑龙江省速滑馆用以覆盖400m速滑跑道，其巨大的双层网壳结构由中央柱面壳部分和两端半球壳部分组成，轮廓尺寸86.2mx191.2m，覆盖面积达15000平米，网壳厚度2.1m，采用圆钢管构件和螺栓球结点，用钢指标50kg每平米。1997年刚建成的长春万人体育馆平面呈桃核形，由肋环型球面网壳切去中央条形部分再拼合而成，体型巨大，如果将外伸支腿计算在内，轮廓尺寸达146mx191.7m，网壳厚度2.8m，其桁架式“网片”的上、下弦和腹杆一律采用方（矩形）钢管，焊接连接，是我国第一个方钢管网壳。这一网壳结构的设计方案是由国外提出的，施工图设计和制作安装由国内完成。在网壳结构的应用日益扩大的同时，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范围，跨度不拘大小；而已近几年在一些重要领域扩大了应用范围。例如在机场维修机库方面，广州白云机场80m机库（199年）、成都机场140m机库（1995年）、首都机场2Zmx150m机库（1996年）等大型机库都采用平板网架结构。这些三边支承的平板网架规模巨大，且需承受较重的悬挂荷载，常采用较重型的焊接型钢（或钢管）结构，有时需采用三层网架；其单位面积用钢指标可达到一般公用建筑所用网架的一倍或更多。单层工业厂房也是近几年来平板网架获得迅速发展的一个重要领域。为便于灵活安排生产工艺，厂房的柱网尺寸有日益扩大的趋向，这时平板网架结构就成为十分经济适用的理想结构方案。1991年建成的第一汽车制造厂高尔夫轿车安装车间面积近8万平米（189.2mx421.6m），柱网21mx12m,采用焊接球结点网架，用钢指标31kg每平米。该厂房是目前世界上面积最大的平板网架结构。1992年建成的天津无缝钢管厂加工车间面积为6万平米（108mx564m），柱网36mx18m,采用螺栓球结点网架，用钢指标32kg每平米，与传统的平面钢桁架方案比较，节省了47％。鉴于这类厂房的巨大圆积，它们确实为平板网架结构的发展提供了广阔的新领域。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800万平方米建筑面积，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，难怪国外有关企业对这一巨大市场垂涎欲滴。如此大的发展势头自然也会带采一些问题。与国际水平相比，我国目前网架生产的工艺水平和质量管理水平尚有一定距离。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，北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。北京工人体育馆建成于1961年，其圆形屋盖采用车辐式双层悬索体系，直径达94m。浙江人民体育馆建成于1967年，其屋盖为椭圆平面，长径80m，短径60m．采用双曲抛物面正交索网结构。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。我国建造的上述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国际上较先进水平的。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形势相当喜人。柔性的悬索在自然状态下不仅没有刚度，其形状也是不确定的。必须采用敷设重屋面或施加预应力等措施，才能赋予一定的形状，成为在外荷作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构。值得称道的是，我国的科技人员在学习和吸收国外先进经验的同时，在结合工程具体条件创造更加符合中国国情的结构应用形式方面做了不少尝试和创新。例如，山东省淄博等地把悬索结构应用于中小型屋盖结构中，颇具特色。他们主要采用单层平行索系或伞形辐射索系加钢筋混凝土屋面板的构造方式。施工时先将屋面板挂在索上（使索正好位于板缝中），在板上临时加载使索伸长，然后在板缝中浇灌细石混凝土，待达到一定强度后卸去临时荷载，即形成具有一定预应力的“悬挂薄壳”。这种构造和施工方法不需要复杂的技术和设备，造价也比较低。为了提高单层悬索的形状稳定性，在单层平行索系上设置横向加劲梁（或桁架）的办法也是十分有效的。横向加劲构件的作用有二：一是传递可能的集中荷载和局部荷载使之更均匀地分配到各根平行的索上；二是通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过对索进行张拉使整个体系建立预应力，从而提高屋盖的刚度。从安徽