大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展--回顧與展望沈世釗土木工程學(xué)報-1998年3期 摘要：大跨空間結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型。大跨度建筑及作為其核心的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r是代表一個國家建筑科技水平的重要標(biāo)志之一。本文就空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和張力結(jié)構(gòu)兩大類介紹了國內(nèi)外（但主要是國外）空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。對這一領(lǐng)域幾個重要理論問題，包括空間結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析理論、大跨柔性屬蓋的動力風(fēng)效應(yīng)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物本質(zhì)上都是空間性質(zhì)的，只不過出于簡化設(shè)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(jié)構(gòu)來進(jìn)行構(gòu)造和計算。與此同時，無法進(jìn)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(jié)構(gòu)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。空間結(jié)構(gòu)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(dāng)跨度增大時，空間結(jié)構(gòu)就愈能顯示出它們優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟性能。事實上，當(dāng)跨度達(dá)到一定程度后，一般平面結(jié)構(gòu)往往已難于成為合理的選擇。從國內(nèi)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(jié)構(gòu)體系。 　　                                             近二十余年來，各種類型的大跨空間結(jié)構(gòu)在美、日、歐等發(fā)達(dá)國家發(fā)展很快。建筑物的跨度和規(guī)模越來越大，目前，尺度達(dá)150m以上的超大規(guī)模建筑已非個別；結(jié)構(gòu)形式豐富多彩，采用了許多新材料和新技術(shù)，發(fā)展了許多新的空間結(jié)構(gòu)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(rèn)為是世界上最大的球面網(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(zhuǎn)的扇形網(wǎng)殼組成，扇形沿圓周導(dǎo)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，迄今仍是世界上最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。70年代以來，由于結(jié)構(gòu)使用織物材料的改進(jìn)，膜結(jié)構(gòu)或索-膜結(jié)構(gòu)（用索加強的膜結(jié)構(gòu)）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(jié)構(gòu)；1988年東京建成的"后樂園"棒球館，也采用這種結(jié)構(gòu)技術(shù)尤為先進(jìn)，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(jié)構(gòu)，其準(zhǔn)橢圓形平面的輪廓尺寸達(dá)192mX241m。許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當(dāng)?shù)氐南笳餍詷?biāo)志和著名的人文景觀。 　
　　
　　由于經(jīng)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(shè)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(hù)古代陵墓和重要古跡，也有人設(shè)想采用超大跨度結(jié)構(gòu)物將其覆蓋起來形成封閉的環(huán)境。目前某些發(fā)達(dá)國家正在進(jìn)行尺度為300m以上的超大跨度空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案探討。 　　可以這樣說，大跨空間結(jié)構(gòu)是最近三十多年來發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式。國際《空間結(jié)構(gòu)》雜志主編馬考夫斯基（Z.S.Makowski）說：在60年代"空間結(jié)構(gòu)還被認(rèn)為是一種興趣但仍屬陌生的非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r已成為代表一個國家建筑科技水平的重要標(biāo)志之一。
　　
　　世界各國為大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展投入了大量的研究經(jīng)費。例如，早在20年前美國土木工程學(xué)會曾組織了為期 10年的空間結(jié)構(gòu)研究計劃，投入經(jīng)費 1550萬美元。同一時期，西德由斯圖加特大學(xué)主持組織了一個"大跨度空間結(jié)構(gòu)綜合研究計劃"，每年研究經(jīng)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(chǔ)和技術(shù)條件。國際殼體和空間結(jié)構(gòu)學(xué)會（IASS）每年定期舉行年會和各種學(xué)術(shù)交流活動，是目前最受歡迎的著名學(xué)術(shù)團(tuán)體之一。
　　
　　　我國大跨度空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)原來比較薄弱，但隨著國家經(jīng)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(jié)構(gòu)的類型和形式逐漸趨向多樣化，相應(yīng)的理論研究和設(shè)計技術(shù)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(jié)構(gòu)--作為我國建筑科技進(jìn)步的某種象征在國內(nèi)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)展中國家，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(dá)國家。這是我國空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域面臨的巨大機遇。 　　但與國際先進(jìn)水平相比，我國大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍存在一定差距。主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式還比較拘謹(jǐn)，較少大膽創(chuàng)新之作，說明新穎的建筑構(gòu)思與先進(jìn)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造之間尚缺乏理想的有機結(jié)合，尤其是150m以上的超大跨度空間結(jié)構(gòu)的工程實踐還比較少；結(jié)構(gòu)類型相對地集中于網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)用得比較少，而一些有巨大前景的新穎結(jié)構(gòu)形式如膜結(jié)構(gòu)和索-膜結(jié)構(gòu)、整體張拉結(jié)構(gòu)、可開合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)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(chǎn)條件等技術(shù)問題，也包含尚未很好解決的一些理論問題。為促進(jìn)我國空間結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shù)問題和理論問題較快較好地解決。
　　
　　大跨空間結(jié)構(gòu)的類型和形式十分豐富多彩，習(xí)慣上分為如下這些類型：鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)；平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；懸索結(jié)構(gòu)；膜結(jié)構(gòu)和索－膜結(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)；混合結(jié)構(gòu)(Hybrid Structure)，通常是柔性構(gòu)件和剛性構(gòu)件的聯(lián)合應(yīng)用。 　　    在上述各種空間結(jié)構(gòu)類型中，鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)在50年代后期及60年代前期在我國有所發(fā)展，當(dāng)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(yīng)的設(shè)計規(guī)程。但這種結(jié)構(gòu)類型日前應(yīng)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(jié)構(gòu)，還包括一些未能單獨歸類的特殊形式，如折板式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多平面型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多層多跨框架式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等，總起來可稱為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展很快，且持續(xù)不衰。懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索-膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)富有發(fā)展前景。