1、大跨空間建筑工程結構的發展（二） 二、空間網格結構網殼結構的出現早于平板網架結構。在國外，傳統的肋環型穹頂已有一百多年歷史，而第一個平板網架是1940年在德國建造的（采用Mero體系）。中國第一批具有現代意義的網殼 是在 50和 60 年代建造的，但數量不多。當時柱面網殼大多采用菱形 "聯方"網格體系， 1956 年建成的天津體育館鋼網殼（跨度52m和1961年同濟大學建成的鋼筋混凝土網殼（跨度40n）可作為典型代表。 球面網殼則主要采用助環型體系， 1954年建成的重慶人民禮堂半球形穹頂 （跨度46.32m）和1967年建成的鄭州體育館圓形鋼屋蓋（跨度64m）習能是僅有的

2、兩個規模較大的球面網殼。自此以后直到 80年代初期，網殼結構在我國沒有得到進一步的發展。相對而言自第一個平板網架（上海師范學院球類房，31.5mx40.5m）于1964年建成以來，網架結構一直保持較好發展勢頭。 1967 年建成的首都體育館采用斜放正交網架， 其矩形平面 尺寸為99mx112m厚6m采用型鋼構件，高強螺栓連接，用鋼指標65kg每平米（1kg每平米 9.8pa ）。1973年建成的上海萬人體育館采用圓形平面的三向網架凈架110m厚6m,采用圓鋼管構件和焊接空心球結點， 用鋼指標 47kg 每平米。 當時平板網架在國內還是全新的結 構形式，這兩個網架規模都比較大，即使從今天來看仍然

3、具有代表性，因而對工程界產生了 很大影響。在當時體育館建設需求的激勵下，國內各高校、研究機構和設計部門對這種新結 構投入了許多力量，專業的制作和安裝企業也逐漸成長，為這種結構的進一步發展打下了較 堅實的基礎。改革開放以來的十多年里是我國空間結構快速發展的黃金時期而平板網架結構 就自然地處于捷足先登的優先地位。甚至 80 年代后期北京為迎接 1990 年亞運會興建的一批 體育建筑中，多數仍采用平板網架結構。在這一時期，網架結構的設計已普遍采用計算機， 生產技術也獲得很大進步，開始廣泛采用裝配式的螺栓球結點，大大加快了網架的安裝。但事物總是存在兩個方面。在平板網架結構一枝獨秀地加快發展的同時，隨著

4、經濟和文 化建設需求的擴大和人們對建筑欣賞品位的提高， 在設計日益增多的各式各樣大跨度建筑時， 設計者越來越感覺到結構形式的選擇余地有限，無法滿足日益發展的對建筑功能和建筑造型 多樣化的要求。這種現實需求對網殼結構、懸索結構等多種空間結構形式的發展起了良好的 刺激作用。由于網殼結構與網架結構的生產條件相同，國內已具備現成的基礎，因而從80年代后半期起，當相應的理論儲備和設計軟件等條件初步完備，網殼結構就開始了在新的條 件下的快速發展。建造數量逐年增加，各種形式的網殼，包括球面網殼、柱面網殼、鞍形網 殼（或扭網殼） 、雙曲扁網殼和各種異形網殼，以及上述各種網殼的組合形式均得到了應用； 還開發了預

5、應力網受、斜拉網殼（用斜拉索加強網殼）等新的結構體系。近幾年來建造了一 些規模相當宏大的網殼結構。 例如 1994年建成的天津體育館采用肋環斜桿型（Schwedler 型）雙層球面網殼，其圓形平面凈跨108m,周邊伸出13.5m,網殼厚度3m,采用圓鋼管構件和焊接空心球結點，用鋼指標55kg每平米。1995年建成的黑龍江省速滑館用以覆蓋400m速滑跑道，其巨大的雙層網 殼結 構由中央柱面殼部分和 兩端半球殼部分組成，輪廓尺寸 86.2mx191.2m，覆蓋面積達15000平米，網殼厚度2.1m，采用圓鋼管構件和螺栓球結點，用 鋼指標 50kg 每平米。 1997 年剛建成的長春萬人體育館平面呈

6、桃核形，由肋環型球面網殼切 去中央條形部分再拼合而成, 體型巨大, 如果將外伸支腿計算在內, 輪廓尺寸達 146mx191.7m, 網殼厚度2.8m，其桁架式”網片”的上、下弦和腹桿一律采用方（矩形）鋼管，焊接連接，是 我國第一個方鋼管網殼。這一網殼結構的設計方案是由國外提出的,施工圖設計和制作安裝 由國內完成。在網殼結構的應用日益擴大的同時,平板網架結構并未停止其自身的發展。這種目前來 看已比較簡單的結構有它自己廣泛的使用范圍,跨度不拘大小；而已近幾年在一些重要領域 擴大了應用范圍。例如在機場維修機庫方面， 廣州白云機場80m機庫（199年）、成都機場140m 機庫（1995年）、首都機場2

7、Zmx150m機庫（1996年）等大型機庫都采用平板網架結構。這些三邊支承的平板網架規模巨大，且需承受較重的懸掛荷載，常采用較重型的焊接型鋼（或鋼 管）結構，有時需采用三層網架；其單位面積用鋼指標可達到一般公用建筑所用網架的一倍 或更多。單層工業廠房也是近幾年來平板網架獲得迅速發展的一個重要領域。為便于靈活安 排生產工藝，廠房的柱網尺寸有日益擴大的趨向，這時平板網架結構就成為十分經濟適用的 理想結構方案。 1991 年建成的第一汽車制造廠高爾夫轎車安裝車間面積近8 萬平米（189.2mx421.6m ）,柱網21mx12 m采用焊接球結點網架，用鋼指標31kg每平米。該廠房是目前世界上面積的平

8、板網架結構。 1992 年建成的天津無縫鋼管廠加工車間面積為6 萬平米（108m x 564m），柱網36m x 18m,采用螺栓球結點網架，用鋼指標32kg每平米，與傳統的平面鋼桁架方案比較，節省了 47。鑒于這類廠房的巨大圓積，它們確實為平板網架結構的 發展提供了廣闊的新領域。十分明顯，包括網架和網殼在內的空間網格結構是我國近十余年 來發展最快，應用最廣的空間結構類型。這類結構體系整體剛度好，技術經濟指標優越，可 提供豐富的建筑造型，因而受到建設者和設計者的喜愛。我國網架企業的蓬勃發展也為這類 結構提供了方便的生產條件。據估計，近幾年我國每年建造的網架和網殼結構達800萬平方米建筑面積，相

9、應鋼材用量約 20 萬 t 。這么大的數字是任何其它國家無法比擬的，無愧于 " 網架王國 " 這一稱號，難怪國外有關企業對這一巨大市場垂涎欲滴。如此大的發展勢頭自然也會帶采一些問題。與國際水平相比，我國目前網架生產的工藝 水平和質量管理水平尚有一定距離。尤其是在市場需求帶動下，大量小型網架企業雨后春筍 般成立起來，難免良莠不齊，設計也非總由有經驗人士擔任。因而大力加強行業管理，切實 把握住設計制作和安裝質量，是促進我國空間結構進一步健康發展的重要課題。三、張力結構 中國現代懸索結構的發展始于 50年代后期和 60年代，北京的工人體育館和杭州的浙江 人民體育館是當時的兩個代表

10、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 94m浙江人民體育館建成于 1967年，其屋蓋為橢圓平面，長徑80m,短徑60m采用雙曲拋物面正交索網結構。世界上最早的現代懸索屋蓋是美國于 1953年建成的 Raleigh 體育館，采用以兩個斜放的 拋物線拱為邊緣構件的鞍形正交索網。我國建造的上述兩個懸索結構無論從規模大小或技術 水平來看在當時都可以說是達到國際上較先進水平的。但此后我國懸索結構的發展停頓了較 長一段時間， 一直到 80 年代，由于大跨度建筑的發展而提出的對空間結構形式多樣化的要求， 這種形式豐富的輕型結構重新引起了人們的熱情，工程實踐的數

11、量有較大增長，應用形式趨 于多樣化理論研究也相應地開展起來形勢相當喜人。柔性的懸索在自然狀態下不僅沒有剛度，其形狀也是不確定的。必須采用敷設重屋面或 施加預應力等措施，才能賦予一定的形狀，成為在外荷作用下具有必要剛度和形狀穩定性的 結構。值得稱道的是，我國的科技人員在學習和吸收國外先進經驗的同時，在結合工程具體 條件創造更加符合中國國情的結構應用形式方面做了不少嘗試和創新。例如，山東省淄博等地把懸索結構應用于中小型屋蓋結構中，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造方式。施工時先將屋面板掛在索上（使索正好位于板縫中） ，在板上臨時加載使索伸長， 然后在板縫中澆

12、灌細石混凝土， 待達到 一定強度后卸去臨時荷載，即形成具有一定預應力的 " 懸掛薄殼 "。這種構造和施工方法不需 要復雜的技術和設備，造價也比較低。為了提高單層懸索的形狀穩定性，在單層平行索系上設置橫向加勁梁（或桁架）的辦法 也是十分有效的。橫向加勁構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；二是通過下壓橫向加勁構件的兩端到預定位置或通過對索進行 張拉使整個體系建立預應力，從而提高屋蓋的剛度。從安徽體育館等幾個工程的實踐來看這 種混合結構體系施工方便，用料經濟，是一種成功的創造。由一系列承重索和曲率相反的穩定索組成的預應力雙層索系，是

13、解決懸索結構形狀穩定 性的另一種有效形式。 其工作機理與預應力索網有類似之處。 1966 年瑞典工程師 Jawerth 首 先在斯德哥爾摩滑冰館采用由一對承重索和穩定索組成被稱為 "索桁架 " 的專利體系，其后這 種平面雙層索系在各國獲得相當廣泛剛用。我國無錫體育館也采用了這種體系。作為對這種 體系的改進，吉林滑冰館采用了一種新型的空間雙層索系，它的承重索與穩定索在不同一陣 平面內，而是錯開半個柱距，從而創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題。這一新穎結構參加了 1987 年在美國舉行的國際先進結構展 覽。我國懸索結構發展的另一個特點

14、是在許多工程中運用了各種組合手段。主要的方式是將 兩個以上預應力索網或其它懸索體系組合起來， 并設置強大的拱或剛架等結構作為中間支承， 形成各種形式的組合屋蓋結構。例如四川省體育館和青島市體育館的屋蓋是由兩片索網和作 為中間支承的一對鋼筋混凝土拱組合起來的。 北京朝陽體育館由兩片索網和被稱為" 索拱體系" 的中央支承結構組成。 中央索拱體系由兩條懸索和兩個鋼拱組成， 本身是一種混合結構， 其 概念也具有創新意義。采用各種組合式屋蓋不僅進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 "" 的內部空間。 單純從技術

15、經濟角度， 單片索網或其它懸索體系可以經濟地跨越很大的跨度，本非必須采用中間支承結構。所以， 采用組合式屋蓋在很多場合毋寧說主要是出于建筑造型和使用功能方面的考慮。從我國這幾 年的實踐效果來看，它在這方面是起到了預期作用的。將斜拉體系引用到屋蓋結構中來，可形成一系列混合結構形式。這種體系利用由塔柱頂 端伸出的斜拉索為屋蓋的橫跨結構 （主梁、 桁架、 平板網架等） 提供了一系列中間彈性支承， 使這些橫跨結構不需靠增大結構高度和構件截面即能跨越很大的跨度。前面提到的斜拉網殼 也屬于這類混合結構。盡管十余年來懸索結構取得了可喜的發展，但與網架和網殼結構比較其發展相對較慢， 分析起來可能有兩方面的原因

16、： （ 1）懸索結構的設計計算理論相對復雜一些，又缺少具有較 高商品化程度的實用計算程序，因而難于為一般設計單位普遇采用； （ 2）盡管懸索結構的施 工并不復雜，但一般施工單位對它不夠熟悉，更沒有形成專業的懸索結構施工隊伍，這也影 響建設單位和設計單位大膽采用這種結構形式。與此同時， 同屬于張力結構體系、 在國外應用很廣的膜結構或索 - 膜結構在我國則處于艱 難起步階段。除了設計理論儲備和生產條件方面的原因外，缺少符合建筑要求的國產膜材是 一個主要的制約因素。 從國外情況看， 1970 年大阪萬國博覽會上的美國館采用氣承式膜結構（俗稱充氣結構），首次使用以聚氯乙烯（pvc為涂層的玻璃纖維織物，

17、受到廣泛注意，其 準橢圓平面的軸線尺寸達 140m x 835m, 般認為是第一個現代意義的大跨度膜結構。70年代初杜邦公司開發出以聚四氟乙烯（PTFE商品名稱Teflon ）為涂層的玻璃纖維織物，這種膜材強度高,耐火性、自潔性和耐久性均好,為膜結構的應用起到了積極推動作用。從那時 起到1984年，美國建造了一批尺度為138m-235m的體育館，均采用氣承式索 -膜結構，取得了極佳的技術經濟效果。但這種結構體系也出現了一些問題,主要是田于意外漏氣或氣壓控 制系統不穩定而使屋面下癟,或由于暴風雪天氣在屋面形成局部雪兜而熱空氣融雪系統又效 能不足導致屋面下癟甚至事故。這些問題使人們對氣承式膜結構的

18、前途產生懷疑,美國自 1985年以后在建造大型體育館時沒有再使用這種結構形式。 人們把更多的注意力轉到張拉式 的膜結構或索 -膜結構。但如前面所提,日本在 1988 年建成的東京后樂園棒球館仍然采用氣 承式索 - 膜結構, 不過應用了極為先進的自動控制技術, 而且采用雙層膜結構, 中間可通熱空 氣融雪；中央計算機自動監測風速、雪壓、室內氣壓、膜和索的變形及內力,并自動選擇方 法來控制室內氣壓和消除積雪。張拉式膜（或索 - 膜）結構自 80 年代以來在發達國家獲得極大發展。這種體系與索網結構類似，張緊在剛性或柔性邊緣構件上，或通過特殊構造支承在若干獨立支點上，通過張拉建立預應力，并獲得確定形狀。

19、1985年建成的沙特阿拉伯利雅得體育場外徑288m,其看臺挑蓬由 24 個連在一起的形狀相同的單支柱帳篷式膜結構單元組成。每個單元懸掛于中央支柱， 外緣通過邊緣索張緊在若干獨立的錨固裝置上，內緣則蹦緊在直徑為133m的中央環索上。1993年建成的美國丹佛國際機場候機大廳采用完全封閉的張拉式膜結構平面尺寸305mx67m，由17個連成一排的雙支柱帳篷式單元組成，每個長條形的單元由相距 45.7m的兩根支柱撐起。這兩個工程是比較典型的大型張拉式膜結構的例子。另外還有一類骨架支承式膜結構。例如 日本秋田縣的”天穹”（Sky dome）是一個切去兩邊的球面穹頂（D=130n），其主要承重結構是一系列平行的格構式鋼拱架，蒙以膜材后，用設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。這種骨架是支承式膜結構的例子也是很多的。然而由美國工程師 Geiger根據Fuller的張拉集合體（Tensegrity）概念發展起來的所謂"索穹頂”（Cable Dome，