空间结构的十年??从中国看世界

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作者：蓝天
时间：2010-01-12 15:30:59 [收藏]

本文首先回顾了十年来空间结构在中国的发展和取得的成就，文中分别就结构形式、杂文结构、材料与应用范围等问题讨论了中国发展的特点，并与世界各国的情况进行了对比，指出了与先进水平的差距。

   一、十年的回顾

      当中国跨入80年代之际，在沐浴着改革开放春风的新形势下，各项建设无不呈现了蓬勃发展的局面。空间结构也不例外，网架结构成为国内体育馆最常用的屋盖形式，在成功地建造了国内跨度聂大的上海体育馆之后，又在筹备兴建上海游泳馆。在海外的叙利亚、伊拉克和巴基斯坦等国家也相继以中国的技术力量建成了一批用网架结构的大、中型体育馆。至于中小跨度的体育建筑、剧院、会堂、餐厅等、网架结构的应用就更为普遍。在大柱距的单层工业厂房中也开始酝酿采用网架来代替传统的钢筋混凝土薄腹梁或钢屋架，例如北京燕山石化公司地毯装置的4万平米主厂房就是其中的先行者。在网壳方面，继烟台体育馆之后，抚顺也建造了一座直径62m的斯威德勒型钢网壳，而新疆乌鲁木齐机场飞机库与杭州钱塘江工程局的海岸实验室则采用了钢筋混凝土圆柱形网壳。另外，成都城北体育公园灯光球场改建时采用了直径57.4m的无拉环双层辐射索系屋盖，。因而打破了悬索结构的长期沉寂局面，此后安徽省体育馆、四川省体育馆在初步设计中也都考虑了悬索方案。各种空间结构，或在建设，或在筹划，对设计、施工、生产、科研也都提出了新的要求。这时，空间结构委员会于1982年应运而生。从此，空间结构委员会的成长与壮大就与中国的空间结构事业的发展紧密地联系起来。

这十年来，中国的空间结构无异有了长足地进步，其发展速度大于历史上任何一个相同的年代。首先，在应用范围上，空间结构遍及任何一种工业与民用建筑，象体育馆、展览馆、飞机库、工业厂房、仓库、影剧院、车站……等。从跨度来说，大至110m的体育馆、小至12m的会议室都是空间结构适宜的范围＿在形式上，网架、网壳、悬索结构层出不穷，并且还出现了一些“杂交”结构。采用空间结构的建筑往往以新颖美观的体型成为城市的一景。在设计中普遍采用了电子计算机。在80年代初，对用架的分析也许还要借助于拟板法、假想弯矩法之类的手算方法，如今在微机上采用矩阵位移法分析网架已是很普通的事，有些程序不但能分析而且能自动设计，甚至发展到CAD。其他象以刚性节点为特征的单层网壳、考虑具有非线性性状的悬索结构，其分析与设计也都进入实用阶段。在施工方面，曾采用了多种安装方法，也创造了一些具有先进水平的安装技术，其特点是充分利用现有与常规设备，以小型机具来安装大型结构。值得注意的是，十年来在中国已逐步建立了一支以科研单位和高等院校为骨干的科学研究队伍，他们从事于空间结构的理论与试验研究，解决了不少技术难题，为生产开辟了道路。从每两年举行一次的空间结构学术交流会的论文集中可以看到，十年之前论文的内容仅局限于薄壳或网架结构，以后的发展表明其范围已大大扩展到网竞、悬索甚至膜结构。这些论文不但在数量上急剧增长，如第六届会议伪论文数已是第一届的三倍多，同时在质量上也有所提高。

在标准规范方面，中国在60年代就编制了《钢筋混凝土薄壳顶盖及楼盖结构设计计算规程（BJG16－65）》。在80年代初，又相继颁发了《网架结构设计与施工规定（JGJ 7－80）》和《 V形折板屋盖设计与施工规程（JGJ21－84）》，这在世界上都是少有的。如网架规定在结构选型、分析与设计、节点构造、制作与安装等方面，不但总结了中国自己的经验，，也汲取了世界各国的先进科技成就。象这样的规范，不但大大方便了设计与施工，更重要的是在技术管理上有了可遵循的法令性文件，应该说中国网架结构的大量应用始于《规定》的颁发。当初在编制这本薄薄的小册子时，也许谁都没有预料到规范能对网架的推动起如此巨大的作用。
         80年代初也是中国的空间结构开始走向世界的时刻。当中国从十多年闭关自守中解脱出来，人们发现空间结构在各个方面都落后了一大段。1980年，前苏联乘着莫斯科奥运会，大肆炫耀它的钢板悬挂膜结构，象和平大街体育馆与克雷拉特斯柯赛车场的屋盖，跨度都在200m以上，然而从以后的事实发现这种结构并不具有生命力。西方世界还在总结前几年美国哈特福体育馆91.4 X 109.7m大跨度网架结构倒塌的惨痛教训，然而网架的应用却没有因此而停止不前，例如美国达拉斯的联欢体育馆、巴黎的体育馆都采用了跨度在100m以上的网架。在网壳的应用上，南斯拉夫斯普利特体育场的看台顶盖、日本神户的世界纪念馆各具特色，而加拿大加尔格里的冬季奥运会体育馆则把悬索结构更推进了一步。变化最大的还属膜结构，继1975年在美国首先建造的永久性气承式空气膜一庞提亚克的“银色穹顶”,80年代初在美国明尼阿波利斯与加拿大温哥华又建造了二座类似的体育馆。在沙特阿拉伯的
吉大国际机场候机大厅，屋盖采用了以往支承的悬挂膜结构，柱网为45m，总面积达42.5万平米。
      十年来中国在网架、网壳、悬索等空间结构的研究与实践做了大量工作，虽然膜结构还几乎是一个空白点，但我们与世界先进国家的差距无异是缩小了。本文试图从以下几个方面来探讨一下这十年中空间结构发展的特点，并与世界各国的情况作一些对比，寻求与先进水平之间的差距。


                                   二、结构形式的灵活多变

         结构形式的多样化应该是空间结构最突出的优点之一。空间结构能以其丰富的外形来满足使用功能与建筑造型的要求，象澳大利亚悉尼歌剧院类似贝壳的壳体屋盖至今还是空间结构优异形式的典范。
    　当中国的设计人员刚涉足于空间结构时，还满足于类如平板、圆球或圆柱状这样的外形，但以后就发展到要改变这样的传统形式，寻求新的变化。像承德体育馆，平面为六角形，对角线距离为60m。这是一个中型体育馆，中间的比赛场地需要较高的空间，因此屋盖设计为中部上凸的网络。这样屋顶上可以设置天窗，儒决了采光问题，整个建筑造型也令人感到耳目一新。新近建成的广州白云机场机库，大门净跨为78m，为适应飞机尾翼较高的要求，屋盖采用了高低跨网络，中间以三层网架连接，使整个屋盖连成整体。70年代英国伦敦希斯罗机场也曾建过采用高低跨网架的机库，但网架分别以格构式大梁支承，因此白云机库的网架布置在受力上显然更为有利。
    　对于壳体的几种基本形式，如果加以剪裁、通过切割或组合，就可以完全改变原来的面貌，而在以杆件组成的网壳上实现也十分方便。例如日本东京国际贸易展览馆2号馆，就是在圆球顶上切去一部份并将后部略为抬起，使圆球壳别具一格。中国的济南明湖贸易中心屋盖也是在圆球面上切割出28X52m的橄榄形网壳。
    　对壳体的组合有各种方式，如日本神户的世界纪念馆就是以两端两个半径34m的1／4圆球壳与中间一段40.8m的圆柱壳组成（图1），室内高度达30m，网壳耗钢量为760t。这样的体型特别适用于田径馆、溜冰馆，在国外有不少体育建筑采用。1992年奥运会西班牙巴塞罗那圣乔第体育宫屋盖采用了双层网壳，其组合采用了另一种方式。平面近似矩形，尺寸为128X106m，由中间的一块双曲壳与周围的四块圆环壳组成，钢网壳总重1000t。（图2）1990年亚运会上，北京体育学院体育馆屋盖由四块双曲抛物面网壳组成，平面尺寸为59．Zm见方。（图3）双曲抛物面所特有的直纹曲面使网壳的构件可以做成直线形，此外网壳四角设置了用
以抵抗水平力的钢斜撑，使建筑造型更为别致。中国在网壳形式多样化方面作了不少有益的尝试，文献[2]中所列举的一些异形网壳就是例子，这些工程的规模虽然都不太大，变化的手法也不多，但却是良好的开端。

对于空间结构形式的变化，一方面是建筑上的需要，另一方面在技术上也能做到，因此世界各国正以早大的热情进行互相学习与应用，预计今后还会有更大的发展，使空间结构的造型更趋丰富多彩。

三、杂交结构的兴起

“杂交”结构相对说来是一个比较新的名词，本文中它是指不同类型结构的组合而形成一种新的结构体系，以有别于采用不同材料而组成的“组合”结构（例如组合网架）。杂交结构在1986年的大阪国际会议上曾是一个热门话题，它最大的优点是充分利用某种类型结构的长处来避免或抵消另一种与之组合的结构的短处，从而改进了整个结构体系的受力性能。
　　前几年在中国研究并开发的横向加劲单曲悬索结构就是一种衍架与单向索组合而成的杂交结构体系。一般单曲悬索的刚度都比较差，尤其在不对称荷载下易发生机构性位移。如果将作为横向加劲构件的柜架如图4所示与索垂直相交并设置于索之上，然后对桁架端部的支座下压、产生强迫位移使结构建立预应力，这样就大大增加了屋盖结构的刚度，在抵抗不均匀荷载时，桁架也能有效地分担和传递荷载。因此，在整个结构体系中，柔性的索可以充份发挥其高强度钢的作用来承受主要荷载，而刚度则通过组合具有抗弯刚度的桁架得到改善，这种横向加劲单曲悬索结构曾有效地用于复盖安徽体育馆、上海杨浦区体育馆与福建潮州体育馆，建筑物的跨度在45m与72m之间。与相同跨度其他类型的屋盖结构相比，不论在材料消耗或造价上都很经济。
　　70年代开始在北美大陆茁起的膜结构是空间结构队伍中的新兵。当应用于大跨度时，既轻又薄的膜本身就难以单独受力而需要与钢索相组合。如果说大跨度气承式空气膜中的钢索只起某种程度加劲作用的话，则美国工程师盖格尔所开发的“素穹顶”（Cable Dome）则是典型的索与膜的杂交结构了。这种体系一般是圆形，由连续的受拉钢索和不连续的压杆组成（图5）。力从中心受拉环通过辐射状的径向脊索、谷索、环向拉索、斜拉索传向周边的受压圈梁。扇形的膜材由钢索施加拉力并绷紧，固定在压杆与索连接处的节点上。索穹项至今已建成四个工程：韩国汉城奥运会体操馆（直径120m）、与击剑馆（直径90m）、美国伊利诺斯州立大学体育馆（椭圆，76.8X9l.4m与美国佛罗里达州的太阳海岸穹顶（直径Z10m）。
　　

在索穹顶的基础上，美国工程师李维又开发了一种“双曲抛物面--张拉整体穹顶”（Hypar-Tensegrity Dome）。这种体系也是以一系列的上索、斜拉索、环拉索与立柱组成，适用于近似椭圆形的平面（图6）。它与索穹顶不同之处在于：中间设置了中央桁架以连接两个半圆；上索网采用了三角形网格以适应非圆形的外形；另外膜采用菱形单元就能形成具有足够刚度的双曲抛物面，1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主体育馆采用了这种杂交体系，平面尺寸为24oX193m。

在建筑物中有时出于造型或功能的需求，要求在中间部分凸起，为此设置了类如拱、刚架或斜拉索的支承结构，并与网架或悬索结构组成一种杂交结构。这种做法在国外很早就被采用过、如1958年建造的美国耶鲁大学冰球馆就采用了钢筋混凝土拱与单曲悬索的结构体系，1980年莫斯科奥运会赛车场也曾将落地钢拱与钢板膜相组合，跨度达168m。近年来，在中国也有不少体育馆采用了这种杂交手法。如江西体育馆是钢筋混凝土拱与六边形网架相组合，四川省体育馆和青岛体育馆的屋盖是由一对钢筋混凝土拱与两片索网组合而成，丹东体育馆则是由位于中央的预应力混凝土刚架和单层平行索系组成，北京朝阳体育馆的支承结构是一种“素拱体系”，两边为索网。以上几座体育馆的中间支承结构，跨度小的近50m，大的有100多米，在建筑造型上起了很好的效果。
　　不论中外，杂交结构的提出，有时与其说是结构的有机结合，还不如说是建筑上的需要。文献［5］指出，根据中国的经验，采用中间支承的杂交体系悬索屋盖有时不一定经济，其耗钢量与造价都比较高，尤其是支承结构的耗钢量往往占屋盖总耗钢量的1／2至3／4。因此，杂交结构还是一个新课题，有待于进一步的探索与实践，’这需要建筑师与结构工程师们的共同努力。

　　　　　　　　　　　　　四、高强轻质材料的发展

　　空间结构采用的材料多种多样，如钢、混凝土、铝，木、塑料等。十年来用得最多的还是传统的型钢、钢管和钢索。除此之外，国外还开发与应用了人工合成材料，不但强度高，重量也更轻，中国在这方面还存在着明显的差距。
　　国外在60年代就开始研究复合材料，这是由某种纤维与结合物组成，最常见的是玻璃丝增强树脂（GRP）、俗称玻璃钢。此外也可以采用碳纤维或阿拉密德（aramid）。表1列出了各种纤维复合材料的性能。
　　　　　　　　　　　表1 单向纤维增强复合物的性能

	玻璃丝	碳	阿拉密德	高强钢丝
纤维分数（%重）	80	72	67	——
相对密度P	2.31	1.57	1.36	7.86
张拉强度T (GPa)	0.95	1.61	1.59	1.82
张拉模量E (GPa)	50	136	64.3	200
强度比T/P	44	105	119	24
比模量E/P	21.6	86.6	47.3	25.4
根据重量的材料价格比	6	16-20	10-15	1
根据强度的材料价格比	3	4-5	2-3	1
根据刚度的材料价格比	7	5-6	5-8	1

由表1可见，复合材料最大的优点是重量轻，因而单位密度的强度指标都很优越，如碳纤维或阿密德都是钢丝的四倍，目前复合材料已成功地用在修建连续体的壳体与折板上。它也可以用来制作索、棒、与管。有一个试验性网络的杆件与节点全部用复合材料制成。
　　另一种高强轻质材料是建筑织物，它的出现使膜结构步入永久性建筑的行列。建筑织物需要一个强度较高的基材，目前常用的有聚酯和玻璃纤维织物，表面涂敷防护性能好的涂层如聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（Teflon）或有机硅树脂等。这种新型材料不但能承重而且起围护作用，它最大的优点是重量特轻，每平方米仅重1kg多，使结构自重起了革命性的变化，此外在耐久、防火、自洁、透光方面都具有良好的性能。
　　当屋顶由坚硬的钢或混凝土屋面转向轻飘柔软的膜材时，人们的思想认识也应该有一个转变的过程。例如即便最好的建筑织物，其保证的使用年限也只有25年，这也许不易为人接受，因为传统的概念是“百年大计”，其实采用膜结构好比穿衣服，过25年再换新的屋面，那时一定会有更好更便宜的织物。

　　　　　　　　　　　　　　五、空间结构应用范围的扩展

　　近十年来，空间结构是建筑结构中最为重要、也是最活跃的发展领域之一。从结构形式来说，从网架、网壳到膜结构。从材料来说，从天然材料到人工合成材料；从计算分析来说，从静力到动力、从线性到非线性。在原有的体系上，不论是设计或施工都走向成熟，与此同时也孕育着新的应用范围。
　　人类进步的历史就包含着对自身建筑围护的不断扩大与改善。当前空间结构的迅猛发展，是与人们在体育、展览、文娱、集会与生产等活动的急剧增长分不开的。因此，从以下两个方面可以看出如何进一步扩展空间结构的应用范围。　　
首先是从静态扩展到动态，即要求复盖的结构是可开可闭或是可拆卸的。例如人们已不满足于封闭的体育场地，而希望当天晴时屋盖能打开成为一个露天体育场，当阴雨或寒冷天气时又能闭合成为一个室内体育场。例如加拿大蒙特利尔的奥运会体育场就曾设计了从悬挑塔上挂下来的伞形膜结构，复盖一块 130X200m的比赛场。加拿大多伦多的“天空穹顶”体育馆，跨度有200多米，屋盖由四部分组合，可以在20分钟内打开或关闭。日本竹中工务店正在进行开会结构的研究，对此分为四种体系，即①平行移动；②水平折叠；③中央旋转移动；①扇形旋转移动（图7）。
　　其次是从大型到巨型结构（Macro Structure），即跨度从一二百米发展到上千米、覆盖面积达几个平方公里。过去一直有人设想，使空间结构不仅复盖一个建筑物，而是一群建筑甚至一个小区。日本巴组铁工所砾究了用直径500m的网壳复盖一个体育公园的方案，以此为基础还可推广到直径1000m的居民小区，形成一个人工控制气候的环境。又如大型古迹的开掘与保护需要对其加以围护，埃及的金字塔就曾有过在其上复盖膜结构的方案。所有这些将大大扩展空间结构的应用范周并向我们提出了新的挑战。

　　　　参考文献

[1] 建设部科技发展司、中国建筑技术发展中心（主编），中国建设工程重大科技成就（1949-1989）， 1989。
[2] 董石麟、姚谏，中国网壳结构的发展与应用，第六届空间结构学术会议论文集，1992。
[3] M.Kawaguchi,Space Spructures With Changing Geometries, Bulletin IASS,V.31 No.1-2,April_Aug.1990.
[4] 蓝倜恩、赵基达，横向加劲单曲悬索屋盖的理论研究与实践，全国索结构学术交流会论文集，1991
[5] Tien T.Lan,Long Span Cable-suspended Roofs of Hybrid Construction,Proceedings of the 3rd East Asia-Pacific Conference on Structural Engingeering and Construction.v.1,1991.
[6] B.Richmond,P.R.Head,Alernative Materials in Long-span Bridge Structures.Proceedings 1st Kerensky Memorial Conference on Tension Structures.Session 5,1988.
[7] 蓝天、郭璐膜结构在大跨度建筑中的应用，建筑结构。

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