浅论空间结构新发展

空间结构论文之

浅论空间结构新发展

【摘要】空间结构具有受力合理,重量轻,造价低以及结构形式多样等优点。因此被广泛应用在各种建筑中。展望未来空间结构的应用和发展非常广阔，在新材料的使用上，铝合金在大跨网壳结构上的应用及新兴膜材在膜结构上的应用令人关注[1]；在新理论的研究上，大跨度与超大跨度空间结构的抗风、抗震计算理论与方法有待进一步研究；在新结构方面，索穹顶、弦支穹顶等空间结构体系应积极研究并开拓应用[2]；在新技术方面，计算机同步控制整体提升施工技术等整体提升或顶升就位的方法被越来越广泛的应用[3]。

【关键词】铝合金、PTFE、索穹顶、弦支穹顶、整体提升

空间结构作为一种三维空间形体，在荷载作用下具有三维受力特性。相较平面结构，空间结构具有受力合理,重量轻,造价低以及结构形式多样等优点。因此被广泛应用在各种建筑中,诸如体育场馆、展览馆、大型商场、车站、飞机库、工厂车间、干煤棚、仓库等各类大、中、小跨度公共和工业建筑。

下面本文就对上文摘要中提到的新材料、新结构、新技术进行简要的阐述。由于所学有限，新理论部分在此不做介绍。

1. 空间结构的新材料使用

1.1 铝合金大跨网壳结构

应当说，从材料的发展和应用上铝合金都算不上一种特别新颖。

从20世纪40年代以来,铝合金就开始广泛地应用于建筑结构之中,目前世界上现已建成约6000多座铝合金空间结构。早在1954年,英国就建成了跨度达365ft(111·3m)的铝合金球面网壳结构(Festival SouthBank Exhibition)以及跨度为150 ft(45·7m)的门架结构(英国伦敦飞机库，图1)[4]。

但直到20世纪90年代以来,

铝合金结构在我国的应用才逐渐增多。图1

到目前为止,我国各地共建成了将近10余幢大型的铝合金空间结构，数量并不算多，较有名的如上海科技馆（图2）。

图2

与普通钢结构和不锈钢结构相比，铝合金结构重量轻、比强度高，同时在强度、变形、稳定等方面具有较高的安全储备且造价低于不锈钢结构；耐腐蚀性能好、免维护，尤其适用于在较强腐蚀环境下使用的建筑结构[5]。

尽管我国早已成为世界第一大铝型材生产和消费国,每年所进行

的铝合金拉伸试验不计其数,但由于缺乏合理的数据保留共享机制,因此,目前国内还是缺乏足够的统计数据。缺乏材料的物理力学性能的统计参数,无法根据可靠度分析来确定抗力分项系数,只能用美国规范所采用的安全系数除以荷载分项系数的办法来确定抗力分项系数。而我国生产的铝合金材料性能与之并不完全相符。加强材料新能研究，充分利用数据，从可靠度的角度来确定铝合金的抗力分项系数,得到铝合金的材料强度设计值是推广铝合金材料在空间结构中应用不可

缺少的一步。

1.2 新型膜结构材料

膜结构材料长期以来一直被称为“涂层织物（Coated Fabrics）”，这是因为先期用于膜结构的主流材料都是在纤维织物上面添加涂层

而成。业内一般按照织物基材和涂层来划分膜结构材料，常见的有：PVC膜材、聚偏二氟乙烯（PVDF）膜材和PTFE膜材。此外，随着材料科学与新兴技术的发展，20世纪90年代左右，ETFE膜材面世。它在膜结构中的应用，颠覆了建筑膜材“涂层织物”的传统定义，采用挤出流延方法加工成膜，采用这种挤出流延法制作的薄膜厚度、均匀性、表面平滑性都好于挤出吹塑薄膜。这种直接成型的ETFE膜材，透光性、阻燃性、自洁性、着色性都很好，使用寿命在10~12年左右，而且材质柔软，非常适合用于充气膜[6]。2008年ETFE膜材应用于北京奥运会水立方（图3）外墙后，引起了人们的极大关注。

图3

但这种膜材仍存在一定问题。其一，原丝和涂层材料技术国内企业尚不能掌握，导致价格偏高、受制于人的被动局面。其二膜材料的自洁性能，也要得到进一步深入研究，使其能在空气质量较差，尘埃

较多的地方仍能保持自洁。其三，创新性研究亦需开展。在加强建筑膜材自主研发、市场化、产业化之同时，我国的建筑膜材生产企业一定也要具备前瞻性，要继续进行创新性研究，储备新技术，这样才不会总是处于“追赶”状态，才会让建筑膜材具有常青的生命力，才会具有市场空间。

2.新型空间结构体系

2.1 索穹顶结构

索穹顶结构是Geiger根据Fuller的张拉整体结构思想开发的一种新型预张力结构,最早应用在汉城奥运会的体操馆（图4、图5）。

图4

图5

作为一种受力合理、结构效率高的结构体系,它同时集新材料、新

技术、新工艺和高效率于一身,并以其构造轻盈、造型别致、尺度宏伟、色彩明快等美学特征和经济的造价受到了建筑师的青睐。

任何结构形式的提出-应用-发展的过程都是不断改良和创新的过程,索穹顶结构也不例外。Geiger设计的肋环型穹顶和Levy设计的葵花型穹顶是索穹顶结构现有的两种形式。尽管Levy型穹顶较好地解决了Geiger型穹顶存在的索网平面内刚度不足、容易失稳的缺点,但它在构造上仍然存在脊索网格划分严重不均的缺点。

在综合考虑结构构造、几何拓扑和受力机理的基础上董石麟等提出了几种新型索穹顶结构形式:Kiewitt型穹顶、鸟巢型穹顶和混合型穹顶.其中混合I型为肋环型和葵花型的重叠式组合,混合II型为Kiewitt型和葵花型的内外式组合[7].

Kiewitt型索穹顶鸟巢型索穹顶

图6

混合I型索穹顶混合II型索穹顶

图7

与传统索穹顶结构相比,新型索穹顶结构具有如下特点:脊索布置新颖,网格划分均匀;刚度分布均匀,降低预应力水平;节点构造简单,施工操作方便;使柔性薄膜和刚性屋面的铺设更为简便可行;鸟巢型穹顶的脊索沿内环切向布置,连接两边界的脊索贯通,可省去内上环索.这

些新型索穹顶形式的提出大大丰富了现有索穹顶结构的形式,使这一结构更具生命力.

2.2弦支穹顶结构体系

弦支穹顶是由日本法政大学川口卫教授将索穹顶等张拉整体结构的思路应用于单层球面网壳而形成的一种新型杂交空间结构体系。

单层球面网壳由于整体稳定性较差而使其应用和发展受到极大的限制，同时单层球面网壳对支座存在较大的水平推力，往往需要在其周边设置受拉环梁，索穹顶等完全柔性结构需要对拉索施加较大的预拉力才能使结构成形，同时要求在周边支座设置强大的受压环梁以平衡拉索预拉力。

通过杂交得到的弦支穹顶一方面改善了单层球面网壳结构的稳定性，使结构能跨越更大的空间，另一方面新结构体系具有一定的刚度，使其设计、施工及节点构造与索穹顶等完全柔性结构相比得到了较大简化。同时，两种结构体系对支座的作用相互抵消，使结构体系的自平衡程度得到极大的提高[8]。弦支穹顶在我国已有工程应用，如2008北京奥运会羽毛球馆（图8）等。