大跨空間結構的發(fā)展--回顧與展望沈世釗土木工程學報-1998年3期 摘要：大跨空間結構是目前發(fā)展更快的結構類型。大跨度建筑及作為其核心的空間結構技術的發(fā)展狀況是代表一個更好的建筑科技水平的重要標志之一。本文就空間網(wǎng)格結構和張力結構兩大類介紹了國內外（但主要是國外）空間結構的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。對這一領域幾個重要理論問題，包括空間結構的形態(tài)分析理論、大跨柔性屬蓋的動力風效應、網(wǎng)殼結構的穩(wěn)定性和抗震性能等問題的研究提出了看法。
　　
　　一、概 述
　　
　　在這實際的三維世界里，任何結構物本質上都是空間性質的，只不過出于簡化設計和建造的目的，人們在許多場合把它們分解成一片片平面結構來進行構造和計算。與此同時，無法進行簡單分解的真正意義上的空間體系也始終沒有停止其自身的發(fā)展，而且日益顯示出一般平面結構無法比擬的豐富多彩和創(chuàng)造潛力，體現(xiàn)出大自然的美麗和神奇?？臻g結構的卓越工作性能不僅僅表現(xiàn)在三維受力，而且還由于它們通過合理的曲面形體來有效抵抗外荷載的作用。當跨度增大時，空間結構就愈能顯示出它們優(yōu)異的技術經濟性能。事實上，當跨度達到一定程度后，一般平面結構往往已難于成為合理的選擇。從國內外工程實踐來看，大跨度建筑多數(shù)采用各種形式的空間結構體系。 　　                                             近二十余年來，各種類型的大跨空間結構在美、日、歐等發(fā)達更好的發(fā)展很快。建筑物的跨度和規(guī)模越來越大，目前，尺度達150m以上的超大規(guī)模建筑已非個別；結構形式豐富多彩，采用了許多新材料和新技術，發(fā)展了許多新的空間結構形式。例如1975年建成的美國新奧爾良"超級穹頂"（Superdome），直徑207m，長期被認為是世界上更大的球面網(wǎng)殼；現(xiàn)在這一地位已被1993年建成夏徑為222m的日本福岡體育館所取代，但后者更著名的特點是它的可開合性：它的球形屋蓋由三塊可旋轉的扇形網(wǎng)殼組成，扇形沿圓周導軌移動，體育館即可呈全封閉、開啟1／3或開啟2／3等不同狀態(tài)。1983年建成的加拿大卡爾加里體育館采用雙曲拋物面索網(wǎng)屋蓋，其圓形平面直徑135m，它是為1988年冬季奧運會修建的，外形極為美觀，迄今仍是世界上更大的索網(wǎng)結構。70年代以來，由于結構使用織物材料的改進，膜結構或索-膜結構（用索加強的膜結構）獲得了發(fā)展，美國建造了許多規(guī)模很大的氣承式索-膜結構；1988年東京建成的"后樂園"棒球館，也采用這種結構技術尤為先進，其近似圓形平面的直徑為204m；美國亞特蘭大為1996年奧運會修建的"佐治亞穹頂"（Geogia Dome，1992年建成）采用新穎的整體張拉式索一膜結構，其準橢圓形平面的輪廓尺寸達192mX241m。許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當?shù)氐南笳餍詷酥竞椭娜宋木坝^。 　
　　
　　由于經濟和文化發(fā)展的需要，人們還在不斷追求覆蓋更大的空間，例如有人設想將整個街區(qū)、整個廣場、甚至整個山谷覆蓋起來形成一個可人工控制氣候的人聚環(huán)境或休閑環(huán)境；為了發(fā)掘和保護古代陵墓和重要古跡，也有人設想采用超大跨度結構物將其覆蓋起來形成封閉的環(huán)境。目前某些發(fā)達更好的正在進行尺度為300m以上的超大跨度空間結構的設計方案探討。 　　可以這樣說，大跨空間結構是更近三十多年來發(fā)展更快的結構形式。國際《空間結構》雜志主編馬考夫斯基（Z.S.Makowski）說：在60年代"空間結構還被認為是一種興趣但仍屬陌生的非傳統(tǒng)結構，然而今天已被全世界廣泛接受。"從今天來看，大跨度和超大跨度建筑物及作為其核心的空間結構技術的發(fā)展狀況已成為代表一個更好的建筑科技水平的重要標志之一。
　　
　　世界各國為大跨度空間結構的發(fā)展投入了大量的研究經費。例如，早在20年前美國土木工程學會曾組織了為期 10年的空間結構研究計劃，投入經費 1550萬美元。同一時期，西德由斯圖加特大學主持組織了一個"大跨度空間結構綜合研究計劃"，每年研究經費100萬馬克以上。這些研究工作為各國大跨度建筑的蓬勃發(fā)展奠定了堅實的理論基礎和技術條件。國際殼體和空間結構學會（IASS）每年定期舉行年會和各種學術交流活動，是目前更受歡迎的著名學術團體之一。
　　
　　　我國大跨度空間結構的基礎原來比較薄弱，但隨著更好的經濟實力的增強和社會發(fā)展的需要，近十余年來也取得了比較迅猛的發(fā)展。工程實踐的數(shù)量較多，空間結構的類型和形式逐漸趨向多樣化，相應的理論研究和設計技術也逐步完善。以北京亞運會（1990）、哈爾濱冬季亞運會（1996）、上海八運會（1997）的許多體育建筑為代表的一系列大跨空間結構--作為我國建筑科技進步的某種象征在國內外都取得了一定影響。 種種跡象說明，我國雖然尚是一個發(fā)展中更好的，但由于國大人多，隨著國力的不斷增強，要建造更多更大的體育、休閑、展覽、航空港、機庫等大空間和超大空間建筑物的需求十分旺盛，而且這種需求量在一定程度上可能超過許多發(fā)達更好的。這是我國空間結構領域面臨的巨大機遇。 　　但與國際先進水平相比，我國大跨空間結構的發(fā)展仍存在一定差距。主要表現(xiàn)在結構形式還比較拘謹，較少大膽創(chuàng)新之作，說明新穎的建筑構思與先進的結構創(chuàng)造之間尚缺乏理想的有機結合，尤其是150m以上的超大跨度空間結構的工程實踐還比較少；結構類型相對地集中于網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構，懸索結構用得比較少，而一些有巨大前景的新穎結構形式如膜結構和索-膜結構、整體張拉結構、可開合結構等在國外已有不少成功的工程實踐，在我國則還處于空白或艱難起步階段。情況看來是，我國空間結構的發(fā)展經過十余年來在較為平坦的草原上的馳騁之后，似乎遇上了一個需要努力躍上的新臺階。這一新臺階包含材料和生產條件等技術問題，也包含尚未很好解決的一些理論問題。為促進我國空間結構進一步的更高層次的發(fā)展，有待科技工作者和企業(yè)家努力創(chuàng)造條件，以求得這些技術問題和理論問題較快較好地解決。
　　
　　大跨空間結構的類型和形式十分豐富多彩，習慣上分為如下這些類型：鋼筋混凝土薄殼結構；平板網(wǎng)架結構；網(wǎng)殼結構；懸索結構；膜結構和索－膜結構；近年來國外用的較多的"索穹頂"（Cable Dome)實際上也是一種特殊形式的索－膜結構；混合結構(Hybrid Structure)，通常是柔性構件和剛性構件的聯(lián)合應用。 　　    在上述各種空間結構類型中，鋼筋混凝土薄壁結構在50年代后期及60年代前期在我國有所發(fā)展，當時建造過一些中等跨度的球面殼、柱面殼、雙曲扁殼和扭殼，在理論研究方面還投入過許多力量，制定了相應的設計規(guī)程。但這種結構類型日前應用較少，主要原因可能是施工比較費時費事。平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構，還包括一些未能單獨歸類的特殊形式，如折板式網(wǎng)架結構、多平面型網(wǎng)架結構、多層多跨框架式網(wǎng)架結構等，總起來可稱為空間網(wǎng)格結構。這類結構在我國發(fā)展很快，且持續(xù)不衰。懸索結構、膜結構和索-膜結構等柔性體系均以張力來抵抗外荷載的作用，可總稱為張力結構。這類結構富有發(fā)展前景。