大跨空間結(jié)構(gòu)-發(fā)展--回顧和展望

1、大跨空間結(jié)構(gòu)-發(fā)展-回顧和展望            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(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。 關(guān)鍵詞：空間結(jié)構(gòu) 回顧 展望  一、概 述 在這實(shí)際的三維世界

2、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)，各種類型的

3、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13或開(kāi)啟23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13

4、5m，它是為1988年冬季奧運(yùn)會(huì)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(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。 由于經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展的需要，人們還在不斷追求

5、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。 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

6、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

7、、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)

8、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。     2007-04-21        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(lái)國(guó)外用的較多的“索穹頂

9、”（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)可稱為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這類結(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

10、-膜結(jié)構(gòu)等柔性體系均以張力來(lái)抵抗外荷載的作用，可總稱為張力結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)富有發(fā)展前景。下面按這兩個(gè)大類簡(jiǎn)要介紹我國(guó)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r。二、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)早于平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。在國(guó)外，傳統(tǒng)的肋環(huán)型穹頂已有一百多年歷史，而第一個(gè)平板網(wǎng)架是1940年在德國(guó)建造的（采用Mero體系）。中國(guó)第一批具有現(xiàn)代意義的網(wǎng)殼是在50和60年代建造的，但數(shù)量不多。當(dāng)時(shí)柱面網(wǎng)殼大多采用菱形“聯(lián)方”網(wǎng)格體系，1956年建成的天津體育館鋼網(wǎng)殼（跨度52m）和l961年同濟(jì)大學(xué)建成的鋼筋混凝土網(wǎng)殼（跨度40m）可作為典型代表。球面網(wǎng)殼則主要采用助環(huán)型體系，1954年建成的重慶人民禮堂半球形穹頂（跨度46.32m）

11、和1967年建成的鄭州體育館圓形鋼屋蓋（跨度64m）習(xí)能是僅有的兩個(gè)規(guī)模較大的球面網(wǎng)殼。自此以后直到80年代初期，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在我國(guó)沒(méi)有得到進(jìn)一步的發(fā)展。     如此大的發(fā)展勢(shì)頭自然也會(huì)帶采一些問(wèn)題。與國(guó)際水平相比，我國(guó)目前網(wǎng)架生產(chǎn)的工藝水平和質(zhì)量管理水平尚有一定距離。尤其是在市場(chǎng)需求帶動(dòng)下，大量小型網(wǎng)架企業(yè)雨后春筍般成立起來(lái)，難免良莠不齊，設(shè)計(jì)也非總由有經(jīng)驗(yàn)人士擔(dān)任。因而大力加強(qiáng)行業(yè)管理，切實(shí)把握住設(shè)計(jì)制作和安裝質(zhì)量，是促進(jìn)我國(guó)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)一步健康發(fā)展的重要課題。 三、張力結(jié)構(gòu) 中國(guó)現(xiàn)代懸索結(jié)構(gòu)的發(fā)展始于50年代后期和60年代，北京的工人體育館和杭州的浙江

12、人民體育館是當(dāng)時(shí)的兩個(gè)代表作。北京工人體育館建成于1961年，其圓形屋蓋采用車輻式雙層懸索體系，直徑達(dá)94m。浙江人民體育館建成于1967年，其屋蓋為橢圓平面，長(zhǎng)徑80m，短徑60m采用雙曲拋物面正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 世界上最早的現(xiàn)代懸索屋蓋是美國(guó)于1953年建成的Raleigh體育館，采用以兩個(gè)斜放的拋物線拱為邊緣構(gòu)件的鞍形正交索網(wǎng)。我國(guó)建造的上述兩個(gè)懸索結(jié)構(gòu)無(wú)論從規(guī)模大小或技術(shù)水平來(lái)看在當(dāng)時(shí)都可以說(shuō)是達(dá)到國(guó)際上較先進(jìn)水平的。但此后我國(guó)懸索結(jié)構(gòu)的發(fā)展停頓了較長(zhǎng)一段時(shí)間，一直到80年代，由于大跨度建筑的發(fā)展而提出的對(duì)空間結(jié)構(gòu)形式多樣化的要求，這種形式豐富的輕型結(jié)構(gòu)重新引起了人們的熱情，工程實(shí)踐的數(shù)量

13、有較大增長(zhǎng)，應(yīng)用形式趨于多樣化理論研究也相應(yīng)地開(kāi)展起來(lái)形勢(shì)相當(dāng)喜人。 柔性的懸索在自然狀態(tài)下不僅沒(méi)有剛度，其形狀也是不確定的。必須采用敷設(shè)重屋面或施加預(yù)應(yīng)力等措施，才能賦予一定的形狀，成為在外荷作用下具有必要?jiǎng)偠群托螤罘€(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。值得稱道的是，我國(guó)的科技人員在學(xué)習(xí)和吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，在結(jié)合工程具體條件創(chuàng)造更加符合中國(guó)國(guó)情的結(jié)構(gòu)應(yīng)用形式方面做了不少嘗試和創(chuàng)新。 例如，山東省淄博等地把懸索結(jié)構(gòu)應(yīng)用于中小型屋蓋結(jié)構(gòu)中，頗具特色。他們主要采用單層平行索系或傘形輻射索系加鋼筋混凝土屋面板的構(gòu)造方式。施工時(shí)先將屋面板掛在索上（使索正好位于板縫中），在板上臨時(shí)加載使索伸長(zhǎng)，然后在板縫中澆灌細(xì)石混凝土

14、，待達(dá)到一定強(qiáng)度后卸去臨時(shí)荷載，即形成具有一定預(yù)應(yīng)力的“懸掛薄殼”。這種構(gòu)造和施工方法不需要復(fù)雜的技術(shù)和設(shè)備，造價(jià)也比較低。 為了提高單層懸索的形狀穩(wěn)定性，在單層平行索系上設(shè)置橫向加勁梁（或桁架）的辦法也是十分有效的。橫向加勁構(gòu)件的作用有二：一是傳遞可能的集中荷載和局部荷載使之更均勻地分配到各根平行的索上；二是通過(guò)下壓橫向加勁構(gòu)件的兩端到預(yù)定位置或通過(guò)對(duì)索進(jìn)行張拉使整個(gè)體系建立預(yù)應(yīng)力，從而提高屋蓋的剛度。從安徽體育館等幾個(gè)工程的實(shí)踐來(lái)看這種混合結(jié)構(gòu)體系施工方便，用料經(jīng)濟(jì)，是一種成功的創(chuàng)造。 由一系列承重索和曲率相反的穩(wěn)定索組成的預(yù)應(yīng)力雙層索系，是解決懸索結(jié)構(gòu)形狀穩(wěn)定性的另一種有效形式。其工作機(jī)

15、理與預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)有類似之處。1966年瑞典工程師Jawerth首先在斯德哥爾摩滑冰館采用由一對(duì)承重索和穩(wěn)定索組成被稱為“索桁架”的專利體系，其后這種平面雙層索系在各國(guó)獲得相當(dāng)廣泛剛用。我國(guó)無(wú)錫體育館也采用了這種體系。作為對(duì)這種體系的改進(jìn)，吉林滑冰館采用了一種新型的空間雙層索系，它的承重索與穩(wěn)定索在不同一陣平面內(nèi)，而是錯(cuò)開(kāi)半個(gè)柱距，從而創(chuàng)造了新穎的建筑造型，而且很好地 解決了矩形平面懸索屋蓋通常遇到的屋面排水問(wèn)題。這一新穎結(jié)構(gòu)參加了1987年在美國(guó)舉行的國(guó)際先進(jìn)結(jié)構(gòu)展覽。 我國(guó)懸索結(jié)構(gòu)發(fā)展的另一個(gè)特點(diǎn)是在許多工程中運(yùn)用了各種組合手段。主要的方式是將兩個(gè)以上預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)或其它懸索體系組合起來(lái)，并設(shè)置強(qiáng)

16、大的拱或剛架等結(jié)構(gòu)作為中間支承，形成各種形式的組合屋蓋結(jié)構(gòu)。例如四川省體育館和青島市體育館的屋蓋是由兩片索網(wǎng)和作為中間支承的一對(duì)鋼筋混凝土拱組合起來(lái)的。北京朝陽(yáng)體育館由兩片索網(wǎng)和被稱為“索拱體系”的中央支承結(jié)構(gòu)組成。中央索拱體系由兩條懸索和兩個(gè)鋼拱組成，本身是一種混合結(jié)構(gòu)，其概念也具有創(chuàng)新意義。采用各種組合式屋蓋不僅進(jìn)一步豐富了建筑 造型，而且往往能更好地滿足某些建筑功能上的要求，例如為體育館建筑提供了“最優(yōu)”的內(nèi)部空間。單純從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度，單片索網(wǎng)或其它懸索體系可以經(jīng)濟(jì)地跨越很大的跨度，本非必須采用中間支承結(jié)構(gòu)。所以，采用組合式屋蓋在很多場(chǎng)合毋寧說(shuō)主要是出于建筑造型和使用功能方面的考慮。從我

17、國(guó)這幾年的實(shí)踐效果來(lái)看，它在這方面是起到了預(yù)期作用的。 將斜拉體系引用到屋蓋結(jié)構(gòu)中來(lái)，可形成一系列混合結(jié)構(gòu)形式。這種體系利用由塔柱頂端伸出的斜拉索為屋蓋的橫跨結(jié)構(gòu)（主梁、桁架、平板網(wǎng)架等）提供了一系列中間彈性支承，使這些橫跨結(jié)構(gòu)不需靠增大結(jié)構(gòu)高度和構(gòu)件截面即能跨越很大的跨度。前面提到的斜拉網(wǎng)殼也屬于這類混合結(jié)構(gòu)。 盡管十余年來(lái)懸索結(jié)構(gòu)取得了可喜的發(fā)展，但與網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)比較其發(fā)展相對(duì)較慢，分析起來(lái)可能有兩方面的原因：（1）懸索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論相對(duì)復(fù)雜一些，又缺少具有較高商品化程度的實(shí)用計(jì)算程序，因而難于為一般設(shè)計(jì)單位普遇采用；（2）盡管懸索結(jié)構(gòu)的施工并不復(fù)雜，但一般施工單位對(duì)它不夠熟悉，更沒(méi)

18、有形成專業(yè)的懸索結(jié)構(gòu)施工隊(duì)伍，這也影響建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位大膽采用這種結(jié)構(gòu)形式。 與此同時(shí)，同屬于張力結(jié)構(gòu)體系、在國(guó)外應(yīng)用很廣的膜結(jié)構(gòu)或索    2007-04-21        -膜結(jié)構(gòu)在我國(guó)則處于艱難起步階段。除了設(shè)計(jì)理論儲(chǔ)備和生產(chǎn)條件方面的原因外，缺少符合建筑要求的國(guó)產(chǎn)膜材是一個(gè)主要的制約因素。從國(guó)外情況看，1970年大阪萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)上的美國(guó)館采用氣承式膜結(jié)構(gòu)（俗稱充氣結(jié)構(gòu)），首次使用以聚氯乙烯（PVC）為涂層的玻璃纖維織物，受到廣泛注意，其準(zhǔn)橢圓平面的軸線尺寸達(dá)14Om

19、 x 835m，一般認(rèn)為是第一個(gè)現(xiàn)代意義的大跨度膜結(jié)構(gòu)。70年代初杜邦公司開(kāi)發(fā)出以聚四氟乙烯（PTFE，商品名稱Teflon）為涂層的玻璃纖維織物，這種膜材強(qiáng)度高，耐火性、自潔性和耐久性均好，為膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起到了積極推動(dòng)作用。從那時(shí)起到1984年，美國(guó)建造了一批尺度為138m-235m的體育館，均采用氣承式索-膜結(jié)構(gòu)，取得了極佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。但這種結(jié)構(gòu)體系也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，主要是田于意外漏氣或氣壓控制系統(tǒng)不穩(wěn)定而使屋面下癟，或由于暴風(fēng)雪天氣在屋面形成局部雪兜而熱空氣融雪系統(tǒng)又效能不足導(dǎo)致屋面下癟甚至事故。這些問(wèn)題使人們對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)的前途產(chǎn)生懷疑，美國(guó)自1985年以后在建造大型體育館時(shí)沒(méi)有再

20、使用這種結(jié)構(gòu)形式。人們把更多的注意力轉(zhuǎn)到張拉式的膜結(jié)構(gòu)或索-膜結(jié)構(gòu)。但如前面所提，日本在1988年建成的東京后樂(lè)園棒球館仍然采用氣承式索-膜結(jié)構(gòu)，不過(guò)應(yīng)用了極為先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，而且采用雙層膜結(jié)構(gòu)，中間可通熱空氣融雪；中央計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)風(fēng)速、雪壓、室內(nèi)氣壓、膜和索的變形及內(nèi)力，并自動(dòng)選擇最佳方法來(lái)控制室內(nèi)氣壓和消除積雪。 張拉式膜（或索-膜）結(jié)構(gòu)自80年代以來(lái)在發(fā)達(dá)國(guó)家獲得極大發(fā)展。這種體系與索網(wǎng)結(jié)構(gòu)類似，張緊在剛性或柔性邊緣構(gòu)件上，或通過(guò)特殊構(gòu)造支承在若干獨(dú)立支點(diǎn)上，通過(guò)張拉建立預(yù)應(yīng)力，并獲得確定形狀。1985年建成的沙特阿拉伯利雅得體育場(chǎng)外徑288m，其看臺(tái)挑蓬由24個(gè)連在一起的形狀相同

21、的單支柱帳篷式膜結(jié)構(gòu)單元組成。每個(gè)單元懸掛于中央支柱，外緣通過(guò)邊緣索張緊在若干獨(dú)立的錨固裝置上，內(nèi)緣則蹦緊在直徑為133m的中央環(huán)索上。1993年建成的美國(guó)丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳采用完全封閉的張拉式膜結(jié)構(gòu)平面尺寸305mx67m，由17個(gè)連成一排的雙支柱帳篷式單元組成，每個(gè)長(zhǎng)條形的單元由相距45.7m的兩根支柱撐起。這兩個(gè)工程是比較典型的大型張拉式膜結(jié)構(gòu)的例子。另外還有一類骨架支承式膜結(jié)構(gòu)。例如日本秋田縣的“天穹”（Sky dome）是一個(gè)切去兩邊的球面穹頂（D=130m），其主要承重結(jié)構(gòu)是一系列平行的格構(gòu)式鋼拱架，蒙以膜材后，用設(shè)在兩拱中間的鋼索向下拉緊，并在屋面上形成V形排水（雪）溝槽。這種

22、骨架是支承式膜結(jié)構(gòu)的例子也是很多的。然而由美國(guó)工程師Geiger根據(jù)Fuller的張拉集合體（Tensegrity)概念發(fā)展起來(lái)的所謂“索穹頂”（Cable Dome），也許是近10年來(lái)最為膾炙人口的一種新穎張拉體系。Tensegrity原是指由連續(xù)的拉桿與分散的壓桿組成的自平衡體系，其指導(dǎo)思想是充分發(fā)揮桿件的受拉作用。然而嚴(yán)格意義上的Tensegrity體系未能在工程中實(shí)現(xiàn)。Geiger進(jìn)行了適當(dāng)改造，提出了支承在圓形剛件周邊構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力拉索-壓桿體系，索沿輻射方向布置，并利用膜材作為屋面，他稱之為“索穹頂”，并首先用于1988年漢城奧運(yùn)會(huì)的兩個(gè)體育館工程。美國(guó)的Levy進(jìn)一步發(fā)展這種體系

23、，改用聯(lián)方形拉索網(wǎng)格，使屋面膜單元呈菱形的雙曲拋物面形狀，并用于1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)體育館，其平面呈準(zhǔn)橢圓形，尺寸達(dá)24lmx192m。這類張拉式索-壓桿-膜體系，重量極輕，安裝方便，在大跨度和超大跨度建筑中極具應(yīng)用前景。 與世界先進(jìn)水平相比，中國(guó)在膜結(jié)構(gòu)方面的差距是十分明顯的。幾年來(lái)在理論研究方面做了不少工作，應(yīng)該說(shuō)已建立起一定的理論儲(chǔ)備。在膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面近年來(lái)也開(kāi)始呈現(xiàn)比較活潑的勢(shì)頭。上海為迎接八運(yùn)會(huì)于1997年建成的體育場(chǎng)其看臺(tái)挑篷采用鋼骨架支承的膜結(jié)構(gòu)，總覆蓋面積36100平米，是我國(guó)首次在大型建筑上采用膜結(jié)構(gòu)；但所用膜材是進(jìn)口的，施工安裝也由外國(guó)公司進(jìn)行，價(jià)格較昂貴。值得指出的是

24、，中國(guó)已出現(xiàn)了專門從事膜結(jié)構(gòu)制作與安裝的企業(yè)，他們已興建了幾個(gè)較小型的膜結(jié)構(gòu)。國(guó)產(chǎn)膜材的質(zhì)量也正在改進(jìn)。各種跡象表明，膜結(jié)構(gòu)這一族富有潛力的大跨空間結(jié)構(gòu)新成員在我國(guó)的發(fā)展已露出桅尖。     四、理論研究 （1）空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是同相應(yīng)的理論研究同步發(fā)展的。應(yīng)該說(shuō)我們?cè)诳臻g結(jié)構(gòu)理論研究大面做了許多工作。主要研究?jī)?nèi)容偏重于靜力作用下的結(jié)構(gòu)性狀和分析方法，以滿足一般設(shè)計(jì)工作的要求為主要目標(biāo)。這些研究為我國(guó)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了基本的理論支持。早期的工作偏重于以連續(xù)化理論為基礎(chǔ)的各種解析方法的研究，例如平板網(wǎng)架的擬板解法、網(wǎng)殼的擬殼解法；懸索結(jié)構(gòu)在荷載作用下要產(chǎn)生

25、較大位移，因而計(jì)算中應(yīng)考慮幾何非線性，當(dāng)時(shí)發(fā)展了一系列適用于不同形式懸索結(jié)構(gòu)的考慮大位移的解析方法。在一段時(shí)期內(nèi)，當(dāng)計(jì)算機(jī)尚未廣泛運(yùn)用于結(jié)構(gòu)計(jì)算以前，各種解析方法曾對(duì)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展起過(guò)重要作用，但解析方法終究有其局限性，它們具有不同程度的近似性，而且往往僅適用于某些特定的結(jié)構(gòu)形式。 計(jì)算機(jī)的普及和有限元分析方法的廣泛運(yùn)用為空間結(jié)構(gòu)的加速發(fā)展創(chuàng)造了真正的條件。許多大型的和特殊形式的新穎空間結(jié)構(gòu)只能用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行分析。我國(guó)從80年代開(kāi)始陸續(xù)編制出適用于不同空間結(jié)構(gòu)的各種計(jì)算機(jī)分析程序和CAD軟件，且功能日益完備?，F(xiàn)在我們?cè)O(shè)計(jì)空間結(jié)構(gòu)幾乎全部依靠計(jì)算機(jī)。事實(shí)上，當(dāng)設(shè)計(jì)由成千桿件和結(jié)點(diǎn)組成的大型空間

26、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)采用螺栓球結(jié)點(diǎn)時(shí)，離開(kāi)適用的CAD軟件是無(wú)法想象的。但也應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)某些形式的懸索結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單實(shí)用的解析方法仍然有意義；對(duì)于像雙層索系等比較簡(jiǎn)單的體系，解析力法已完全可以提供準(zhǔn)確而完整的計(jì)算結(jié)果。例如，吉林滑冰館的大型懸索屋蓋設(shè)計(jì)是由簡(jiǎn)單的手籌來(lái)完成的。 十余年來(lái)關(guān)于空間結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)特點(diǎn)是做了大量的試驗(yàn)。這是我國(guó)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個(gè)優(yōu)良傳統(tǒng)。80年代乃至90年代初期建造的幾乎每一個(gè)有代表性的大型空間結(jié)構(gòu)，都作過(guò)模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。這些試驗(yàn)研究同理論分析工作一起，以及它們之間的相互印證，使我們對(duì)原來(lái)可能比較生疏的各種新穎空間結(jié)構(gòu)的基本性能了解得越來(lái)越全面，為設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)積累起

27、比較豐富的理論儲(chǔ)備。     2007-04-21        （2）除了關(guān)于各種類型空間結(jié)構(gòu)的基本性狀和計(jì)算方法的研究以外，一些更為基礎(chǔ)性的理論研究也受到了重視，例如關(guān)于網(wǎng)殼穩(wěn)定性的研究已取得許多重要成果。 穩(wěn)定性是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、尤其是單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，也是國(guó)內(nèi)外十多年來(lái)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能可以從其荷載-位移全過(guò)程曲線中得到完整的概念；這種全過(guò)程曲線要由較精確的非線性分析得出。從非線性分析的角度來(lái)考察，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題和強(qiáng)度問(wèn)題是相互聯(lián)系在一起的。結(jié)構(gòu)的荷

28、載-位移全過(guò)程曲線可以把結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以至于剛度的整個(gè)變化歷程表示得清清楚楚。當(dāng)考察創(chuàng)始缺陷和荷載分布方式等因素對(duì)實(shí)際網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響時(shí)，也均可從全過(guò)程曲線的規(guī)律性變化中進(jìn)行研究。 但是當(dāng)利用計(jì)算機(jī)對(duì)具有大量自由度的復(fù)雜體系進(jìn)行有效的非線性有限元分析尚未能允分實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，要進(jìn)行網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的全過(guò)程分析是十分困難的。在較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，人們不得不求助于連續(xù)化理論（“擬殼法”）將網(wǎng)殼轉(zhuǎn)化為連續(xù)殼體結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)某些近似的非線性解析方法來(lái)求出殼體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性承載力。這種方法顯然有較大局限性：連續(xù)化殼體穩(wěn)定性理論本身并未完善，事實(shí)上僅對(duì)少數(shù)特定的殼體（例如球面殼）才能得出較實(shí)用的公式；此外，所討論

29、的殼體一般是等厚度的和各向同性的，無(wú)法反映實(shí)際網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的不均勻構(gòu)造和各向異性的特點(diǎn)。因此，在許多重要場(chǎng)合還必須依靠細(xì)致的模型試驗(yàn)來(lái)測(cè)定穩(wěn)定性承載力，講與可能的計(jì)算結(jié)果相互印證。 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，非線性有限元分析方法興起，并逐漸成為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析中的有力工具。我國(guó)從80年代后期開(kāi)始也積極開(kāi)展以非線性全過(guò)程分析為基礎(chǔ)的網(wǎng)殼穩(wěn)定性研究。在總結(jié)國(guó)外已取得成果的基礎(chǔ)上，在理論表達(dá)式的精確化、合理選用平衡路徑跟蹤的計(jì)算方法、靈活的迭代策略等方面進(jìn)行了深入細(xì)致的探索，使具有大量自由度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的全過(guò)程分析成為可能；并編制出相應(yīng)的分析程序。此外，在研究初始缺陷對(duì)網(wǎng)殼穩(wěn)定性的影響時(shí)，對(duì)所提出的“

30、一致缺陷模態(tài)祛”（即認(rèn)為初始缺陷按最低屈 曲模態(tài)分布時(shí)可能具有最不利影響）的合理性和有效性進(jìn)行了仔細(xì)論證，并使之規(guī)范化。 在上述理論成果的基礎(chǔ)上，采用大規(guī)模參數(shù)分析的方法，進(jìn)行了網(wǎng)殼穩(wěn)定性分所實(shí)用方法的研究。即結(jié)合不同類型的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，在其基本參數(shù)（幾何參數(shù)、構(gòu)造參數(shù)、荷載參數(shù)等）的常用變化范圍內(nèi)，進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)際結(jié)構(gòu)全過(guò)程分析，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和歸納，考察網(wǎng)殼穩(wěn)定性的變化規(guī)律，最后通過(guò)回歸分析提出網(wǎng)殼穩(wěn)定性驗(yàn)算的實(shí)用公式。近幾年來(lái)，共計(jì)對(duì)2800余例各種形式的實(shí)際尺寸網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全過(guò)程分析，得到了相當(dāng)規(guī)律性的結(jié)果。所提出的實(shí)用公式用起來(lái)比較簡(jiǎn)便，然而是建立在精確分析方法的基礎(chǔ)之上的。這一工作很受廣大設(shè)計(jì)部門歡迎。這些公式已列入正在編制的“網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”（征求意見(jiàn)稿）。應(yīng)該說(shuō)，我國(guó)關(guān)于網(wǎng)殼穩(wěn)定性的研究是相當(dāng)深入和細(xì)致的。 （3）相對(duì)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震荷載作用下的反應(yīng)研究得較少。作者個(gè)人認(rèn)為，對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，風(fēng)荷載的動(dòng)力作用可能不是設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題，但隨著網(wǎng)殼尺度的增大，深入研究其抗地震性能則具有重要意義。在抗震領(lǐng)域，對(duì)高層和高聳結(jié)構(gòu)研究得比較透徹；但網(wǎng)殼等大跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能具有不同特點(diǎn)，例如其頻率