大跨度空间结构

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1、摘要：随着技术的发展，大跨度空间结构越来越多的在 各领域运用，本文先对大跨度空间结构的起源与历史 进行介绍，再对空间结构委员会成立三十年来在空间 结构领域作了介绍 ,重点系统论述了三十年来各时期 大跨度空间结构发展与应用情况。全面阐述了我国大 跨度空间结构近期发展的特点 ,包括在各类公共建筑 中的应用情况、空间结构体系的发展与技术进步。 关键词：发展历程，我国进展1.简介：横向跨越 60 米以上空间的各类结构可称为大跨度空间结构。常 用的大跨度空间结构形式包括折板结构、壳体结构、网架结构、悬索 结构、充气结构、篷帐张力结构等。大跨度空间结构是国家建筑科学 技术发展水平的重要标志之一。世界各国对

2、空间结构的研究和发展都 极为重视，例如国际性的博览会、奥运会、亚运会等，各国都以新型 的空间结构来展示本国的建筑科学技术水平，空间结构已经成为衡量 一个国家建筑技术水平高低的标志之一。 2.大跨度发展历程：实际上，人类很早以前就认识到穹隆具有用最小的表面封闭最大 的空间的优点。效仿洞穴穹顶，人们建造了许多砖石穹顶，如我国东 汉时期河南洛阳的地下砖砌墓穴，公元前 1185 年古希腊迈西尼国王 墓等。古罗马最著名的穹顶是 万神殿，也是建筑史上最早 最大跨度的拱建筑。被誉为 展现穹力的杰作。然而，在 尚无力学与结构理论以前， 凭借已有的经验与大胆探索 来建造房屋，难免发生事故。公元 537 年东罗马

3、帝国建造的圣索亚教 堂，还有公元 1612 年建造的罗马圣彼得教堂都出现多较严重问题。 1742 年罗马教皇下令检查圣彼得教堂问题原因，三位科学家经过认 真调研和计算分析后，作出了解决方案。这工程实例表明工程结构经 验时代的结束和科学时期的到来。工程结构的发展推动了理论研究的 进步，理论成果的指导完善了工程实践，这是建筑结构科学得以不断 进步的历史规律。19 世纪的工业革命促使科学技术飞快进步。生铁材料出现以后 引起了建筑结构革命性的变化。1787 年英国出现机扎熟铁条，1831 年英国有出现机扎出角铁，1845 年法国人碾压出熟铁工字梁。1851 年在伦敦海德公园举行首届国际博览会的展览馆水

4、晶宫。是完全用铁 材与玻璃建造的第一栋房屋。1856 年英国人贝斯麦首次用转炉炼钢 成功，钢材开始用于建筑结构。进一步出现了轧制型钢和铆钉连接方 法，钢结构得到广泛应用。1863 年，由德国人设计，在柏林建造了 第一个钢穹顶，直径 30m 用于煤气罐的顶盖，其形式是以若干圆弧 形拱汇交到一个顶环，形成辐射型体系，再加若干道中间水平环以及 同一方向斜杆，形成被后人称道的“施威德勒穹顶”，可以说施威德 勒穹顶已经是空间结构中单层球面网壳的雏形，后来发展的许多网壳 都是在施威德勒穹顶的基础上加以变化构成的。1896 年俄国名誉院士苏霍夫在尼西尼诺夫高洛德市展览会建筑 工程陈列馆中展示了一个网状筒拱，

5、跨度1322m，用弯成曲折形的扁 铁在转折处用锚钉相连构成。可以认为这是早期的柱面网壳。同一年 苏霍夫研究了悬挂网理论，在夏诺夫哥罗德采用相互交叉的柔性钢板 条，在交点处固定形成钢条网结构，代替一般刚性受弯构件的屋盖。 与普通屋架相比，能够减轻自重约1/4，形成了早期的悬挂架构。伴随钢结构的迅速发展，钢筋混凝土结构也日益成熟起来。1842 年英国人发明混凝土制作法。1886 年 德国人通过圆拱与平板荷载试 验确定了钢筋受拉、混凝土受压的钢筋混凝土理论。1892 年法国人 用圆钢筋埋入混凝土作整体梁板结构，随即钢筋混凝土广泛开始运用 于房屋建筑。空间结构的理论研究也同步发展。18261831 年

6、法国人首创薄 売理论及周边支承筒売的近似分析法，1892年A.E.H.Love考虑径向 剪力与弯矩的理论为以后壳体结构理论的发展打下了基础。然而当时 尚未应用于实际工程，直到钢筋混凝土结构迅速发展后才开始应用。 1924 年天象仪概念的创始人鲍尔斯费尔德教授提出了一个方案，用 铁杆组成 15m 直径的半球形网売。他用数学精确计算出每根杆件的 位置与长度，建成了德国耶拿市蔡斯工厂的天文馆。这是第一个半球 形钢网売，被认为是第一个用于屋盖的真正意义上的空间结构。该结 构实际上为网壳与薄壳的组合体。1925 年德国耶拿 Schoff 玻璃工厂 厂房采用旋转对称的球売屋顶，直径40m,钢筋混凝土薄売厚

7、60mm, 是第一个真正的薄壳。从圣彼得教堂厚跨比1：15.3 的砖石空间拱结 构到 Schoff 玻璃工厂厚跨比为 1：666.6 的钢筋混凝土売，经历了 1800 年。这段历史充分证明了科学技术与生产实践相结合产生的巨大潜 能。空间结构的诞生，为大跨度建筑物的建造与发展展现了广阔前 景，下面介绍我国的大跨度空间结构三十年的进展：（一）成长发展期1982 年至 1992 年是我国空间结构的成长发展期。空间结构的应 用主要还主要局限于体育场馆,期间以各省会城市的中型体育场馆建 设为主。为迎接 1990 年在北京召开的第十一届亚运会,北京新建了 13 个体育馆。这一时期,体育事业得到高度重视,但

8、限于经济实力,体育馆 的跨度一般为70m-80m，体育场开始采用挑蓬,大多为单向悬挑形式, 悬挑约为 25m 一 30m 左右。在这些中型体育场馆的建设中,焊接空心 球节点的空间网格结构是其主要结构形式,虽大部分以平板网架为主, 但也开始了结构形式的多样化,如石景山体育馆采用了双层网売,北京 亚运会奥林匹克体育馆采用斜拉网売 ,这些都开启了以后双层网売结 构与斜拉结构的研发与应用。这一时期空间结构工程应用的特点是多项体育馆建设采用了悬 索结构，如吉林滑冰馆（59mx79.8m,采用预应力索析架）、安徽体育馆 （54mx72m，采用横向加劲单曲悬索体系）、北京朝阳体育馆（采用索拱 与索网组合）、

9、等，但比较遗憾的是到1992年潮州体育馆（54mx72m,采 用横向加劲单曲悬索体系）落成后,国内体育场馆已基本上再也没有采 用索网结构,分析主要原因可能是索网结构的分析较麻烦、边缘构件 设计较复杂。这一时期的另一个特点是在单层大面积工业厂房中采用了大柱 网平板网架结构,平板网架结构特别适合于有不规则的悬吊生产线与 单轨悬挂吊车的大柱网、大面积单层工业厂房。（二）壮大发展期从 1992 年至 2002 年,空间结构的应用范围有了更大的发展,在体 育场馆的建设方面仍保持高速增长,其一显著特点是各类结构体系得 到广泛应用。随着体育馆跨度的增加,双层网壳结构展示了很好的结构性能与 跨越能力，如199

10、5年建成的天津新体育馆（跨度108m,双层球面网売）、 1996 年建成的哈尔滨速滑馆（圆柱面与两端半球组合双层网壳）这一期间,膜结构的研发与工程应用取得了重大进展,如 19%年建 成的上海八万人体育场（挑蓬结构采用骨架支撑膜结构）、 2000 年建成 的青岛颐中体育馆 （张拉膜结构）等,膜结构开始了在体育场馆的大面 积应用。斜拉结构得到了业内的重视,开始有一定的应用面,在继北京 亚运会奥林匹克体育馆以后一个成功的实例为 2000 年建成的浙江黄 龙体育中心体育场，挑蓬悬挑为50m,斜拉索在调整结构内力与控制位 移方面起了很大作用。这一期间空间结构的应用范围进一步扩展。我国开始了大规模的 航站

11、楼建设，如上海浦东机场（最大跨度82.6m,张弦拱结构）、北京首都 机场 2 号航站楼（采用管析架）等,在航站楼的应用为空间结构开拓了 一个全新的应用空间,与体育场馆相比,航站楼屋盖需要较大跨度、并 主要其覆盖面积更大。而大型机库的建设对跨度提出了新的挑战 ,如 北京首都机场机库（153m双跨，进深90m，采用焊接空心球三层网架）; 高速公路的收费站建设也为各类空间结构应用提供了一个很好的舞 台,采用的结构形式多样,如采用网架、斜拉、张拉膜等结构;在工业建 筑应用方面,由于门式轻钢结构的逐步普及,网架在单层工业厂房应用 方面开始减少,但与迅速发展的火电站建设相关,干煤棚成为大跨度空 间网格结构

12、应用的一大亮点,干煤棚大多采用双层柱面网壳,如嘉兴电 厂干煤棚（跨度103.5m，四角锥双层网売）、河南鸭河口电厂干煤棚（跨 度108m,双层圆柱面网売,采用折叠展开式整体顶升法施工），煤仓大都 采用采用球面，煤仓直径50rn以下时采用单层网売，直径较大时则采用 双层网売。（三）成熟发展期2002年2012年是我国空间结构全面成熟期,其结构体系更趋多样 化,并应用范围更广。为迎接 2008 年北京奥运会、 2009 年济南全运会、 2010 年广州亚运会和深圳2011 年世界大学生运动会等大型体育赛事, 各地建成了一批大型体育建筑,其中有代表性的包括北京奥运会主体 育场“鸟巢”屋盖结构平面长轴

13、为313m、短轴为“m,中间开口 185.3m 又127.5m,由48榻交叉布置的格构式刚架组合而成）、国家游泳中心 “水立方”（建筑物外围177mxl77mx31m,比赛场地跨度126mxll7m, 采用多面体组合的空间刚接网格结构，用气枕式ETFE（乙烯与四氟乙 烯共聚物）膜材包裹网格结构）、国家体育馆（跨度为144m、114m,采用 双向张弦析架结构,为国际上最大跨度）、济南奥体中心体育馆（圆形平 面，跨度122m，采用弦支弯顶）、深圳宝安体育场（近似圆形平面，长轴 237m、短轴230m,采用轮辐式双层索系结构，上覆PTFE涂层膜材，径 向索跨度54m）、深圳湾大运中心体育场（平面尺寸

14、长轴285m、短轴 270m,挑篷采用单层折面空间网格结构，最大悬挑68.4m）等。会展中心建设成为城市文化建设的一个重要方面,其跨度大,且覆 盖面积远大于体育场馆，哈尔滨会展中心（张弦拱架结构，跨度128m ）和 广州会展中心（张弦拱架结构，跨度126m）是空间结构近年来优秀作品 的代表。而上海2010 年世界博览会的举办为空间结构在会展中心中 的应用提供了很好的展示舞台,世博会主题馆（张弦析架，跨度126m）、 世博会演艺中心（采用长圆形空间钢析架，长轴135.7m、短轴110.5m）。航空事业的持续快速发展,带动大规模的航站楼建设,其中有代表 性的大型航站楼包括北京首都机场 T3 航站楼

15、（采用微曲面局部抽空 三角锥网架,36m柱网多点支撑,T3A的总面积就达18万平方米）、昆 明机场航站楼（采用变厚度双曲面正放四角锥网架，最大跨度72m，网 架总面积近9万平方米）、广州新白云国际机场航站楼（主楼屋盖采用 三角形立体管析架，跨度76.9m）、深圳机场T3航站楼（采用两向斜交 斜放曲面网架，柱网36m，大厅屋面总面积123万时）等。值得一提的是 同期还建成大量中型航站楼,大都采用了弧形的立体管析架。同时还 建成了如北京首都机场 A380 机库（采用三层网架结构,大门析架跨度 达176m（双跨），机库进深达110m）等大跨度空间结构建筑。始于2007 年的我国的新时期高铁建设,这为

16、空间结构的应用开创了一个崭新的 天地，特大型火车站建设（站房与无站台柱雨棚建设 ）与既有火车站的 无站台柱雨棚改造是其中最大亮点之一，雨棚采用大柱网、大空间，建 筑效果与使用功能极好，设计人员创造性地采用了多种空间结构形式， 结构布置合理、受力简洁。3.结语：大跨度空间结构具有自重轻、受力合理、造价低、品种多样的特 点，从公元前一千多年的砖砌结构，跨度几米到十几米，到如今的钢 筋、混凝土的结构，跨度达上百米，随着技术的提高，大跨度空间结 构越来越成熟，越来越多的在各种领域被采用，也担当着重要角色， 可以说每个大跨度结构建筑都代表着所在地区或所在国家的综合实 力，我国作为发展中国家要向学习高技术的国家学习，吸取历史教训 与经验，完善并提高大跨度结构的建设，促进大跨度空间结构的发展， 才有利于提高我国的竞争力。参考文献（1）大跨空间结构，张毅刚，机械工业出版社；（2）蓝天，刘枫.中国空间结构的二十年.第十届空间结构学术会议论 文集.中国建材工业出版社；（3）蓝天.中