大跨空间结构的发展－－回顾与展望

1、大跨空间结构的发展回顾与展望工程的实践来看这种混合结构体系施工方便，用料经济，是一种成功的创造。 由一系列承重索和曲率相反的稳定索组成的预应力双层索系，是解决悬索结构形状稳定性的另一种有效形式。其工作机理与预应力索网有类似之处。1966年瑞典工程师Jawerth首先在斯德哥尔摩滑冰馆采用由一对承重索和稳定索组成被称为“索桁架”的专利体系，其后这种平面双层索系在各国获得相当广泛刚用。我国无锡体育馆也采用了这种体系。作为对这种体系的改进，吉林滑冰馆采用了一种新型的空间双层索系，它的承重索与稳定索在不同一阵平面内，而是错开半个柱距，从而创造了新颖的建筑造型，而且很好地解决了矩形平面悬索屋盖通常遇到的

2、屋面排水问题。这一新颖结构参加了1987年在美国举行的国际先进结构展览。 我国悬索结构发展的另一个特点是在许多工程中运用了各种组合手段。主要的方式是将两个以上预应力索网或其它悬索体系组合起来，并设置强大的拱或刚架等结构作为中间支承，形成各种形式的组合屋盖结构。例如四川省体育馆和青岛市体育馆的屋盖是由两片索网和作为中间支承的一对钢筋混凝土拱组合起来的。北京朝阳体育馆由两片索网和被称为“索拱体系”的中央支承结构组成。中央索拱体系由两条悬索和两个钢拱组成，本身是一种混合结构，其概念也具有创新意义。采用各种组合式屋盖不仅进一步丰富了建筑造型，而且往往能更好地满足某些建筑功能上的要求，例如为体育馆建筑提

3、供了“最优”的内部空间。单纯从技术经济角度，单片索网或其它悬索体系可以经济地跨越很大的跨度，本非必须采用中间支承结构。所以，采用组合式屋盖在很多场合毋宁说主要是出于建筑造型和使用功能方面的考虑。从我国这几年的实践效果来看，它在这方面是起到了预期作用的。 将斜拉体系引用到屋盖结构中来，可形成一系列混合结构形式。这种体系利用由塔柱顶端伸出的斜拉索为屋盖的横跨结构（主梁、桁架、平板网架等）提供了一系列中间弹性支承，使这些横跨结构不需靠增大结构高度和构件截面即能跨越很大的跨度。前面提到的斜拉网壳也属于这类混合结构。尽管十余年来悬索结构取得了可喜的发展，但与网架和网壳结构比较其发展相对较慢，分析起来可能

4、有两方面的原因：（1）悬索结构的设计计算理论相对复杂一些，又缺少具有较高商品化程度的实用计算程序，因而难于为一般设计单位普遇采用；（2）尽管悬索结构的施工并不复杂，但一般施工单位对它不够熟悉，更没有形成专业的悬索结构施工队伍，这也影响建设单位和设计单位大胆采用这种结构形式。与此同时，同属于张力结构体系、在国外应用很广的膜结构或索-膜结构在我国则处于艰难起步阶段。除了设计理论储备和生产条件方面的原因外，缺少符合建筑要求的国产膜材是一个主要的制约因素。从国外情况看，1970年大阪万国博览会上的美国馆采用气承式膜结构（俗称充气结构），首次使用以聚氯乙烯（PVC）为涂层的玻璃纤维织物，受到广泛注意，其

5、准椭圆平面的轴线尺寸达14Om x 835m，一般认为是第一个现代意义的大跨度膜结构。70年代初杜邦公司开发出以聚四氟乙烯（PTFE，商品名称Teflon）为涂层的玻璃纤维织物，这种膜材强度高，耐火性、自洁性和耐久性均好，为膜结构的应用起到了积极推动作用。从那时起到1984年，美国建造了一批尺度为138m-235m的体育馆，均采用气承式索-膜结构，取得了极佳的技术经济效果。但这种结构体系也出现了一些问题，主要是田于意外漏气或气压控制系统不稳定而使屋面下瘪，或由于暴风雪天气在屋面形成局部雪兜而热空气融雪系统又效能不足导致屋面下瘪甚至事故。这些问题使人们对气承式膜结构的前途产生怀疑，美国自1985

6、年以后在建造大型体育馆时没有再使用这种结构形式。人们把更多的注意力转到张拉式的膜结构或索-膜结构。但如前面所提，日本在1988年建成的东京后乐园棒球馆仍然采用气承式索-膜结构，不过应用了极为先进的自动控制技术，而且采用双层膜结构，中间可通热空气融雪；中央计算机自动监测风速、雪压、室内气压、膜和索的变形及内力，并自动选择最佳方法来控制室内气压和消除积雪。 张拉式膜（或索-膜）结构自80年代以来在发达国家获得极大发展。这种体系与索网结构类似，张紧在刚性或柔性边缘构件上，或通过特殊构造支承在若干独立支点上，通过张拉建立预应力，并获得确定形状。1985年建成的沙特阿拉伯利雅得体育场外径288m，其看台

7、挑蓬由24个连在一起的形状相同的单支柱帐篷式膜结构单元组成。每个单元悬挂于中央支柱，外缘通过边缘索张紧在若干独立的锚固装置上，内缘则蹦紧在直径为133m的中央环索上。1993年建成的美国丹佛国际机场候机大厅采用完全封闭的张拉式膜结构平面尺寸305mx67m，由17个连成一排的双支柱帐篷式单元组成，每个长条形的单元由相距45.7m的两根支柱撑起。这两个工程是比较典型的大型张拉式膜结构的例子。另外还有一类骨架支承式膜结构。例如日本秋田县的“天穹”（Sky dome）是一个切去两边的球面穹顶（D=130m），其主要承重结构是一系列平行的格构式钢拱架，蒙以膜材后，用设在两拱中间的钢索向下拉紧，并在屋面

8、上形成V形排水（雪）沟槽。这种骨架是支承式膜结构的例子也是很多的。然而由美国工程师Geiger根据Fuller的张拉集合体（Tensegrity)概念发展起来的所谓“索穹顶”（Cable Dome），也许是近10年来最为脍炙人口的一种新颖张拉体系。Tensegrity原是指由连续的拉杆与分散的压杆组成的自平衡体系，其指导思想是充分发挥杆件的受拉作用。然而严格意义上的Tensegrity体系未能在工程中实现。Geiger进行了适当改造，提出了支承在圆形刚件周边构件上的预应力拉索-压杆体系，索沿辐射方向布置，并利用膜材作为屋面，他称之为“索穹顶”，并首先用于1988年汉城奥运会的两个体育馆工程。美

9、国的Levy进一步发展这种体系，改用联方形拉索网格，使屋面膜单元呈菱形的双曲抛物面形状，并用于1996年亚特兰大奥运会体育馆，其平面呈准椭圆形，尺寸达24lmx192m。这类张拉式索-压杆-膜体系，重量极轻，安装方便，在大跨度和超大跨度建筑中极具应用前景。 与世界先进水平相比，中国在膜结构方面的差距是十分明显的。几年来在理论研究方面做了不少工作，应该说已建立起一定的理论储备。在膜结构应用方面近年来也开始呈现比较活泼的势头。上海为迎接八运会于1997年建成的体育场其看台挑篷采用钢骨架支承的膜结构，总覆盖面积36100平米，是我国首次在大型建筑上采用膜结构；但所用膜材是进口的，施工安装也由外国公司

10、进行，价格较昂贵。值得指出的是，中国已出现了专门从事膜结构制作与安装的企业，他们已兴建了几个较小型的膜结构。国产膜材的质量也正在改进。各种迹象表明，膜结构这一族富有潜力的大跨空间结构新成员在我国的发展已露出桅尖。 四、理论研究 （1）空间结构的应用是同相应的理论研究同步发展的。应该说我们在空间结构理论研究大面做了许多工作。主要研究内容偏重于静力作用下的结构性状和分析方法，以满足一般设计工作的要求为主要目标。这些研究为我国空间结构的发展提供了基本的理论支持。早期的工作偏重于以连续化理论为基础的各种解析方法的研究，例如平板网架的拟板解法、网壳的拟壳解法；悬索结构在荷载作用下要产生较大位移，因而计算

11、中应考虑几何非线性，当时发展了一系列适用于不同形式悬索结构的考虑大位移的解析方法。在一段时期内，当计算机尚未广泛运用于结构计算以前，各种解析方法曾对空间结构的发展起过重要作用，但解析方法终究有其局限性，它们具有不同程度的近似性，而且往往仅适用于某些特定的结构形式。 计算机的普及和有限元分析方法的广泛运用为空间结构的加速发展创造了真正的条件。许多大型的和特殊形式的新颖空间结构只能用计算机程序进行分析。我国从80年代开始陆续编制出适用于不同空间结构的各种计算机分析程序和CAD软件，且功能日益完备。现在我们设计空间结构几乎全部依靠计算机。事实上，当设计由成千杆件和结点组成的大型空间网格结构，尤其是当

12、采用螺栓球结点时，离开适用的CAD软件是无法想象的。但也应当指出，对某些形式的悬索结构来说，简单实用的解析方法仍然有意义；对于像双层索系等比较简单的体系，解析力法已完全可以提供准确而完整的计算结果。例如，吉林滑冰馆的大型悬索屋盖设计是由简单的手筹来完成的。 十余年来关于空间结构研究的一个特点是做了大量的试验。这是我国结构研究领域的一个优良传统。80年代乃至90年代初期建造的几乎每一个有代表性的大型空间结构，都作过模型试验或现场实测。这些试验研究同理论分析工作一起，以及它们之间的相互印证，使我们对原来可能比较生疏的各种新颖空间结构的基本性能了解得越来越全面，为设计这些结构积累起比较丰富的理论储备

13、。 （2）除了关于各种类型空间结构的基本性状和计算方法的研究以外，一些更为基础性的理论研究也受到了重视，例如关于网壳稳定性的研究已取得许多重要成果。 稳定性是网壳结构、尤其是单层网壳结构设计中的关键问题，也是国内外十多年来的热点研究领域。结构的稳定性能可以从其荷载-位移全过程曲线中得到完整的概念；这种全过程曲线要由较精确的非线性分析得出。从非线性分析的角度来考察，结构的稳定问题和强度问题是相互联系在一起的。结构的荷载-位移全过程曲线可以把结构的强度、稳定性以至于刚度的整个变化历程表示得清清楚楚。当考察创始缺陷和荷载分布方式等因素对实际网壳结构稳定性能的影响时，也均可从全过程曲线的规律性变化中进

14、行研究。但是当利用计算机对具有大量自由度的复杂体系进行有效的非线性有限元分析尚未能允分实现的时候，要进行网壳结构的全过程分析是十分困难的。在较长一段时期内，人们不得不求助于连续化理论（“拟壳法”）将网壳转化为连续壳体结构，然后通过某些近似的非线性解析方法来求出壳体结构的稳定性承载力。这种方法显然有较大局限性：连续化壳体稳定性理论本身并未完善，事实上仅对少数特定的壳体（例如球面壳）才能得出较实用的公式；此外，所讨论的壳体一般是等厚度的和各向同性的，无法反映实际网壳结构的不均匀构造和各向异性的特点。因此，在许多重要场合还必须依靠细致的模型试验来测定稳定性承载力，讲与可能的计算结果相互印证。 随着计

15、算机的发展和广泛应用，非线性有限元分析方法兴起，并逐渐成为结构稳定性分析中的有力工具。我国从80年代后期开始也积极开展以非线性全过程分析为基础的网壳稳定性研究。在总结国外已取得成果的基础上，在理论表达式的精确化、合理选用平衡路径跟踪的计算方法、灵活的迭代策略等方面进行了深入细致的探索，使具有大量自由度的复杂结构体系的全过程分析成为可能；并编制出相应的分析程序。此外，在研究初始缺陷对网壳稳定性的影响时，对所提出的“一致缺陷模态祛”（即认为初始缺陷按最低屈 曲模态分布时可能具有最不利影响）的合理性和有效性进行了仔细论证，并使之规范化。 在上述理论成果的基础上，采用大规模参数分析的方法，进行了网壳稳

16、定性分所实用方法的研究。即结合不同类型的网壳结构，在其基本参数（几何参数、构造参数、荷载参数等）的常用变化范围内，进行大规模的实际结构全过程分析，对所得结果进行统计分析和归纳，考察网壳稳定性的变化规律，最后通过回归分析提出网壳稳定性验算的实用公式。近几年来，共计对2800余例各种形式的实际尺寸网壳结构进行了全过程分析，得到了相当规律性的结果。所提出的实用公式用起来比较简便，然而是建立在精确分析方法的基础之上的。这一工作很受广大设计部门欢迎。这些公式已列入正在编制的“网壳结构技术规程”（征求意见稿）。应该说，我国关于网壳稳定性的研究是相当深入和细致的。 （3）相对来说，国内外关于网壳结构在风和地

17、震荷载作用下的反应研究得较少。作者个人认为，对网壳结构来说，风荷载的动力作用可能不是设计中的主要问题，但随着网壳尺度的增大，深入研究其抗地震性能则具有重要意义。在抗震领域，对高层和高耸结构研究得比较透彻；但网壳等大跨结构的动力性能具有不同特点，例如其频率分布比较密集，往往从最低阶算起前面数十个振型都可能对其地震反应有贡献，因而一般的振型分解法是否适用是一个值得探讨的问题，不同方法（包括竖向）的地震作用引起的反应往往是同量级的，因此考虑多维输入可能是一个相当重要的问题；国外已建的和我国今后将要建的一些超大跨度网壳尺度十分巨大，因而在计算中也许有必要考虑地震动力的空间相关性；此外，单层网壳结构在静

18、力作用下的稳定性是设计中的重要因素，它们在地震作用下同样存在动力失稳问题，其严重性如何？对于某些动力反应过大的网壳结构，是否有必要采取适当的振动控制措施？诸如此类问题都是我国学术界正在深入思考或已着手进行研究的问题。 （4）具有曲面形状的空间结构是最充分地利用形状来抵抗外力作用的结构形式，所以空间结构的形体设计（或从理抡分析角度称作形态分析）具有十分重要的意义。对于钢筋混凝土薄壳和钢网壳等较刚性的体系，其形态分析主要涉及结构几何形状的优化。对索网、膜和索-膜等柔性结构体系，形态分析具有更基本的意义，因为在一定边界条件下，柔性体系仅当存在适当预应力时才具有确定的形状，且其几例形状是随支承条件和预应力分布形态而变化的；因而结构设计的首要内容就是所谓的“找形”（ Form-finding），借此来确定形状-