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(bào)-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(lèi)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(gè)國(guó)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(lèi)介紹了國(guó)內(nèi)外（但主要是國(guó)外）空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。對(duì)這一領(lǐng)域幾個(gè)重要理論問(wèn)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(dòng)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(wèn)題的研究提出了看法。
　　
　　一、概 述
　　
　　在這實(shí)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(guò)出于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和建造的目的，人們?cè)谠S多場(chǎng)合把它們分解成一片片平面結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行構(gòu)造和計(jì)算。與此同時(shí)，無(wú)法進(jìn)行簡(jiǎn)單分解的真正意義上的空間體系也始終沒(méi)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(wú)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(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(guò)合理的曲面形體來(lái)有效抵抗外荷載的作用。當(dāng)跨度增大時(shí)，空間結(jié)構(gòu)就愈能顯示出它們優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。事實(shí)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(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐來(lái)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(lái)，各種類(lèi)型的大跨空間結(jié)構(gòu)在美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快。建筑物的跨度和規(guī)模越來(lái)越大，目前，尺度達(dá)150m以上的超大規(guī)模建筑已非個(gè)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(guó)新奧爾良"超級(jí)穹頂"（Superdome），直徑207m，長(zhǎng)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(diǎn)是它的可開(kāi)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(dòng)，體育館即可呈全封閉、開(kāi)啟1／3或開(kāi)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(yùn)會(huì)修建的，外形極為美觀(guān)，迄今仍是世界上最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。70年代以來(lái)，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(qiáng)的膜結(jié)構(gòu)）獲得了發(fā)展，美國(guó)建造了許多規(guī)模很大的氣承式索-膜結(jié)構(gòu)；1988年?yáng)|京建成的"后樂(lè)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(guó)亞特蘭大為1996年奧運(yùn)會(huì)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(guān)。 　
　　
　　由于經(jīng)濟(jì)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(gè)街區(qū)、整個(gè)廣場(chǎng)、甚至整個(gè)山谷覆蓋起來(lái)形成一個(gè)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(lái)形成封閉的環(huán)境。目前某些發(fā)達(dá)國(guó)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(jì)方案探討。 　　可以這樣說(shuō)，大跨空間結(jié)構(gòu)是最近三十多年來(lái)發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式。國(guó)際《空間結(jié)構(gòu)》雜志主編馬考夫斯基（Z.S.Makowski）說(shuō)：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(lái)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(gè)國(guó)家建筑科技水平的重要標(biāo)志之一。
　　
　　世界各國(guó)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(fèi)。例如，早在20年前美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)曾組織了為期 10年的空間結(jié)構(gòu)研究計(jì)劃，投入經(jīng)費(fèi) 1550萬(wàn)美元。同一時(shí)期，西德由斯圖加特大學(xué)主持組織了一個(gè)"大跨度空間結(jié)構(gòu)綜合研究計(jì)劃"，每年研究經(jīng)費(fèi)100萬(wàn)馬克以上。這些研究工作為各國(guó)大跨度建筑的蓬勃發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)條件。國(guó)際殼體和空間結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)（IASS）每年定期舉行年會(huì)和各種學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，是目前最受歡迎的著名學(xué)術(shù)團(tuán)體之一。
　　
　　　我國(guó)大跨度空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)原來(lái)比較薄弱，但隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和社會(huì)發(fā)展的需要，近十余年來(lái)也取得了比較迅猛的發(fā)展。工程實(shí)踐的數(shù)量較多，空間結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和形式逐漸趨向多樣化，相應(yīng)的理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)也逐步完善。以北京亞運(yùn)會(huì)（1990）、哈爾濱冬季亞運(yùn)會(huì)（1996）、上海八運(yùn)會(huì)（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(guó)建筑科技進(jìn)步的某種象征在國(guó)內(nèi)外都取得了一定影響。 種種跡象說(shuō)明，我國(guó)雖然尚是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，但由于國(guó)大人多，隨著國(guó)力的不斷增強(qiáng)，要建造更多更大的體育、休閑、展覽、航空港、機(jī)庫(kù)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(guò)許多發(fā)達(dá)國(guó)家。這是我國(guó)空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域面臨的巨大機(jī)遇。 　　但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)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(shuō)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(jī)結(jié)合，尤其是150m以上的超大跨度空間結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐還比較少；結(jié)構(gòu)類(lèi)型相對(duì)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(kāi)合結(jié)構(gòu)等在國(guó)外已有不少成功的工程實(shí)踐，在我國(guó)則還處于空白或艱難起步階段。情況看來(lái)是，我國(guó)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)過(guò)十余年來(lái)在較為平坦的草原上的馳騁之后，似乎遇上了一個(gè)需要努力躍上的新臺(tái)階。這一新臺(tái)階包含材料和生產(chǎn)條件等技術(shù)問(wèn)題，也包含尚未很好解決的一些理論問(wèn)題。為促進(jìn)我國(guó)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(wèn)題和理論問(wèn)題較快較好地解決。
　　
　　大跨空間結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和形式十分豐富多彩，習(xí)慣上分為如下這些類(lèi)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(lái)國(guó)外用的較多的"索穹頂"（Cable Dome)實(shí)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(lèi)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(guó)有所發(fā)展，當(dāng)時(shí)建造過(guò)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(guò)許多力量，制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)程。但這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型日前應(yīng)用較少，主要原因可能是施工比較費(fèi)時(shí)費(fèi)事。平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，還包括一些未能單獨(dú)歸類(lèi)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(lái)可稱(chēng)為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這類(lèi)結(jié)構(gòu)在我國(guó)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(lái)抵抗外荷載的作用，可總稱(chēng)為張力結(jié)構(gòu)。這類(lèi)結(jié)構(gòu)富有發(fā)展前景。