大跨度空间结构_网壳结构的历史与发展_符立勇

大跨度空间结构———网壳结构的历史与发展符立勇,杨从娟(石家庄铁道学院力学与工程科学系,河北石家庄050043)[摘　要]　现代空间结构要求有最大的自由空间及最小的内支撑干扰。

回顾空间结构的发展历史,网壳结构是能够很好满足上述要求的结构体系之一。

本文较全面、系统地评述了国内外网壳结构发展历史和应用现状,并介绍了一些有代表性的工程实例。

最后讨论了网壳结构进入21世纪的发展趋势,探讨了网壳结构的应用前景。

[关键词]　空间结构;网壳结构;历史;发展[中图分类号]TU33　[文献标识码]B　[文章编号]1007-9467(2002)05-0003-03一、引言随着人类物质文明和精神文明的发展与提高,人们需要更大的覆盖空间来满足社会活动和生产劳动的需要,而且要求有最大的自由空间及最小内支撑相互干扰的结构,如大型集会场所、体育馆、飞机库、会展中心、游泳池、餐厅、候车厅、工业厂房等。

而一般的平面结构,如梁、刚架、桁架、拱、组合结构等,由于结构形式的限制,从技术经济方面讲已很难跨越更大的空间,来满足飞速发展的社会需求。

人们通过实践发现,具有三维空间形状并且有三维受力特性、呈空间工作状态的空间结构,正好能满足大跨度建筑结构的要求。

这是因为空间结构不仅仅依赖材料性能,而且更加充分利用自已合理的形体及不同材料特性,来适应不同建筑造型和功能的需要,从而可跨越更大空间。

尤其近年来计算机技术的飞速发展,使空间结构在形体研究的计算方法上有了新的突破,使形体与受力完美组合成为可能。

因此,空间结构对于现代建筑已产生重大影响,它不但被公认为社会文明的象征,而且由于采用了大量新材料、新技术和新工艺,空间结构还成为衡量一个国家建筑科学技术水平的标志之一。

二、网壳结构的历史1.网壳结构的雏形———穹顶结构在人类社会的发展历程中,大跨度空间结构常常是建筑人员追求的梦想和目标。

其中,网壳结构的发展经历了一个漫长的历史演变过程。

网壳结构的发展是和人类社会的生活、生产劳动密切相关的,并且与当时的科技水平及物质条件紧密相连。

古代的人类通过详细观察,发现自然界中存在大量受力特性良好、形式简洁美观的天然空间结构,如蛋壳、蜂窝、鸟类的头颅、肥皂泡、山洞等。

利用仿生原理,人类得以更好地理解和发展空间结构。

古代的人类为了有一个好的生存空间,常常以树枝为骨架、以稻草为蒙皮来建造穹顶结构,后来又以皮革或布匹代替稻草,即现在常见的帐篷。

经过长期的工程实践,人类认识到穹顶能以最小的表面封闭最大的空间,而且所耗用的材料也比较经济。

穹顶的发展与建筑材料的发展是密切相关的。

古代,穹顶用石料建造,后来逐渐被砖石结构取代。

例如,古罗马人就利用石料或砖建造了大量圆形或圆柱形穹顶,用来作为宗教活动的场所。

这些穹顶的跨度都不大,一般为30～40m左右,穹顶的厚度与跨度之比为1/10左右,因此早期的穹顶自重很大。

其中,建于公元120～124年的罗马万神庙是早期穹顶的典型代表,该穹顶基面为44m的圆。

中世纪,木材成为穹顶结构的主要覆盖材料;到19世纪,铁的应用为穹顶的发展开创了一个新纪元,使覆盖大跨度建筑物成为可能。

近代,钢筋混凝土结构理论的出现及应用使穹顶的厚度大大降低,薄壳穹顶受到人们的极大关注,从而开辟了结构工程新领域。

1922年在德国耶拿建造了土木工程史上第一座钢筋混凝土薄壳结构———耶拿天文馆,其净跨为25m,顶厚为60.3m m,厚跨比大约为1/400。

薄壳穹顶以其结构自重较小,受力性能良好,可以覆盖大跨度空间和造型优美等优点,得到广泛应用和发展。

现代,优质钢材的使用更是影响各种形式大跨穹顶网壳发展的一个重要因素。

2.网壳结构的诞生钢筋混凝土薄壳结构尽管有诸多优点,但经过若干年工程实践,工程技术人员逐渐发现这种结构的缺点:钢筋混凝土薄壳施工时需要架设大量模板,工作量很大,施工速度较慢,工程造价高。

因而人们对之逐渐丧失兴趣,开始寻求3钢结构设计专题 工程建设与设计　2002年第5期新的结构构造形式。

随着铁、钢材、铝合金等轻质高强材料出现及应用,富有想象力的工程师开始了对穹顶结构各种杆件形式———网壳的发展。

公认的“穹顶结构之父”———德国工程师施威德勒对穹顶网壳的诞生与发展起了关键性的作用,他在薄壳穹顶的基础上提出了一种新的构造型式,即把穹顶壳面划分为经向的肋和纬向的水平环线,并连接在一起,而且在每个梯形网格内再用斜杆分成两个或四个三角形,这样穹顶表面的内力分布会更加均匀,结构自身重量也会进一步降低,从而可跨越更大空间。

这样的穹顶结构实际上已是真正的网壳结构,即沿某种曲面有规律的布置大致相同的网格或尺寸较小的单元,从而组成空间杆系结构。

3.网壳结构的特点半个世纪以来,网壳结构作为大跨度空间结构的优秀代表,得到快速发展和广泛应用,这与其下述特点是密切相关的。

(1)网壳结构的计算原理成熟、计算方法简便。

以前计算机技术相对落后的年代,如果直接分析网壳结构的应力、应变及研究其稳定性问题,计算工作是相当繁琐和费时的。

但工程技术人员发现当单元构件的尺寸与结构整体尺寸相比很小时,网壳结构基本上就可视为匀质连续体,其受力特性与连续体的非常接近,这样就可用薄壳结构的分析方法来分析和计算网壳结构,也就是拟壳法,这种方法对于网壳结构的发展有极大的推动作用。

随着计算机技术的飞速发展,目前已有多种计算网壳结构的大型通用程序,使网壳结构的计算、设计、制造和应用变得更加简捷,更加实用。

(2)网壳结构具有轻型化的特征。

传统结构中各类构件的截面大小、分担职能的轻重均不相同,相互之间形成明显的“主次”关系。

而网壳结构中各个构件作为整体结构中的一部分,几乎均衡的承受各类荷载的作用,其杆件内力一般为轴力,因此各杆件的内力分布比较均匀,最大应力值也较小。

网壳结构的各根杆件是作为一个整体在协同工作,其整体作用远大于单根杆件的作用之和,所以,就能够用小构件构成大空间,结构轻型化是网壳结构的一个重要特征。

这就使网壳结构可以跨越更大的空间。

(3)网壳结构的制作具有标准化、规格化特征。

网壳结构的杆件可以用型钢、铝材、木材、钢筋混凝土和玻璃钢等建材制成,容易实现建筑构件的大批量工业化生产,多种节点体系的发明及生产方法的高度自动化,可以提高生产效率,降低生产成本,从而使网壳结构的力学合理性与生产经济性完美结合起来,使大跨度网壳结构的广泛应用成为现实。

(4)优美的建筑造型是网壳结构的又一特征。

大跨度空间结构往往对其所在区域的景观有极大的影响,在方案设计时,既要考虑结构的力学性能和材料的充分利用,又要从美学观点选择结构类型。

网壳结构在这方面比其他类型的空间结构有更多的优越性,因为网壳结构无论在平面还是立体型面都可以给建筑师充分的想象力和创作自由。

钢筋混凝土薄壳结构不能实现的形态,网壳结构几乎均可实现。

另外,由于网壳结构的曲面外形,还可以使其形成天然的排水功能。

三、网壳结构的发展网壳结构在第二次世界大战结束后开始重新流行并获得飞速发展,其中美国科学家———“全能设计师”巴克明斯特·富勒(Bucdminster Fuller)起了巨大的推动作用。

另外,还归功于列德雷尔、基威特、莱特、迪·沙托、卡达尔及其他几位卓越的设计师。

随着科学技术的快速发展和人们不懈的发明与创造,网壳结构无论在结构型式,还是在构造材料和计算方法上都得了很大的发展。

1.网壳结构型式的发展开始阶段的网壳型式多为半球形,这是因为半球型网壳为同向曲率,易于设计、制造和施工,且可以封闭没有支柱的最大空间,尤其是此种造型看起来雄伟、高大、美观。

纵观网壳结构的发展历程,其结构型式大致可分为以下几种类型:(1)肋环型和施威德勒型球面网壳。

肋环形网壳是在肋型穹顶的基础上,把环形檩条与经向的肋连结成一个刚性体系,使环向力由檩条承受,这样就改善了结构的内力分布,减轻了结构自重。

施威德勒型球面网壳又在肋环形球面网桥的基础上,把每个梯形网格再用斜杆分成更小的三角形,使结构内力沿网壳表面分布更加均匀,从而可进一步减轻结构自重,使网壳可跨越更大空间。

(2)联方型球面网壳。

这种网壳的网格是由两向斜交杆系构成的,它的基本单元是菱形。

有时为了增强其结构的稳定性能,还加设水平环向杆系,这种体系是德国建筑师佐林格在1906年发明的,它既使每个节点上汇交的杆件数量尽可能少,又使各根杆件的尺寸在整个结构中尽量相同或相差不多。

联方型网壳主要用于金属网壳,它既适用于球面网壳,也适用于柱面网壳,在国内外已得到广泛应用。

(3)凯威特型球面网壳(又称平行联方型网壳)。

这种网壳综合了施威德勒型网壳、联方型网壳和三角形格子网壳分割的优点,其结构的受力性能十分良好,尤其是在强烈风荷载和地震荷载作用下的受力性能,因此常用于大跨度结构。

凯威特型球面网壳在美国和日本广为流行。

1973年7月建成的美国新奥尔良体育馆就是此种网壳的典型代表,其净跨为213m,矢高为32m,可容纳观众72000人左右。

(4)短程线型球面网壳(也称测地线穹顶网壳)。

这种网壳是由巴克明斯特·富勒发明的,他认为自然界总是建造最经济的结构。

“短程线”这个术语来自地球测量语,即连接球4工程建设与设计　2002年第5期 大跨度空间结构———网壳结构的历史与发展面上任意两点的最短距离。

富勒将此原理应用到网壳结构中,发明了短程线网壳。

他认为此种网壳将是最轻的、强度最高的,同时又是最经济的结构。

工程实践证明,短程线型网壳的网络划分规整、均匀,杆件和结点的种类在各种球面网壳中是最少的,其杆件受力非常均匀,最适合在工厂中大批量生产,造价也最经济。

(5)二向格子型球面网壳。

这种网壳由位于两组子午线上的交叉杆件组成,所有网格均接近正四边形,尺寸也近似。

网壳的所有杆件都在大圆上,为曲率相同的圆弧杆。

1968年建成的墨西哥城体育馆就是此种网壳,其净跨为134m,网格尺寸为14m×14m,在每个网格上安装预制单元为单层双曲抛物面的小网壳。

(6)三向格子型球面网壳。

这种网壳是在球面上用三个方向的大圆构成网格,形成比较均匀的三角型格子。

其优点是结构的受力性能好,且易于标准化,可在工厂中大批量生产,经济性能也很好。

近十多年,日本的巴组铁工所应用三向预制菱形穹顶建造了许多优美的大跨度穹顶网壳,例如奥林匹克圆剧场,净跨为105m。

(7)应力表皮球面网壳。

这种网壳实际上是把飞机机翼的设计原理应用于建筑结构,充分利用结构表皮的强度,将网壳的承重结构与结构表皮结合起来共同工作,创造了网壳结构的一种新型体系。

此种网壳制作简单,安装迅速,强度高,造价低,结构型体优美。

(8)柱面网壳。

如果建筑平面是正方形或矩形,特别是狭长平面时,常常会选用柱面网壳。

有时也会把柱面网壳放在中间,而在两端用两个半球面网壳进行封闭,构成一个组合网壳。