大跨度空间钢结构的应用与发展

大跨度空间钢结构的应用与发展

摘要本文阐述了我国大跨度空间钢结构应用与发展的基本情况。根据我国网架、网壳、管桁结构等大跨空间钢结构获得广泛应用的实际情况，将其归结为结构形式多样化，结构新材料应用拓展，现代预应力技术的引入等特点，通过对典型大跨度空间钢结构工程实例的分析，正确认识与理解大跨度建筑结构形式的选择。最后本文展望了二十一世纪的大跨度空间钢结构。

关键词大跨度结构；空间钢结构；预应力钢结构；应用与发展；展望

正文近年来，随着经济、文化的飞速发展及空间结构的形式多样化，大跨度钢结构的发展非常迅猛，并已广泛地应用于文化体育场馆、会议展览中心、机场候机厅、歌剧院等大型公共建筑以及不同类型的重型工业建筑中。

一、大跨度结构系指跨度等于或大于60m的结构，而本文所指的大跨度空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构(两种或两种以上不同建筑材料组成)和杂交结构(两种或两种以上不同结构形式构成) 大跨度空间钢结构包括有大跨度、大面积网架结构、大跨度、大悬臂网壳结构、组合网架结构、组合网壳结构、预应力网架与网壳结构、斜拉网架与网壳结构、铝合金、不锈钢等材料的网架与网壳结构、特种网架与网壳结构等。这是一类结构受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系。它不仅可用于屋盖结构，而且可用于楼层结构、墙体结构和特种结构。

二、大跨度预应力钢结构

大跨度预应力钢结构是由高强度、抗腐蚀、抗疲劳钢索与各种形式空间钢结构组合而成的一种新型结构形式，将柔性的钢索与刚性的钢结构完美地融合到一起，为建筑师提供了既实用又经济的覆盖大面积、大空间的建设手段。这一类结构受力合理、刚度大、重量轻,制作安装也比较方便,在近十多年来得到开发与发展,并在大跨度、大柱网的公共与工业建筑中得到应用,且受到国内外科技界和工程界的关注和重视,其推广应用和发展前景是无比广阔的。

采用预应力技术于大跨度空间钢结构具有如下的特色和优势.

(1）可以改变结构的受力状态,满足设计人员所要求的结构刚度、内力分布和位移控制.

(2)通过预应力技术可以构成新的结构体系和结构形态(形式),如索穹顶结构等.可以说,没有预应力技术,就没有索穹顶结构.

(3)预应力技术可以作为预制构件(单元杆件或组合构件)装配的手段,从而形成一种新型的结构,如弓式预应力钢结构.

(4)采用预应力技术后,或可组成一种杂交的空间结构,或可构成一种全新的空间结构,其结构的用钢指标比原结构或一般结构可大幅度的降低,具有明显的技术经济效益.

1、国家体育场工程实例分析

（1）、工程概况被称作“第四代体育馆”的“鸟巢”

国家体育场是2008年北京奥运会的标志性建筑，她

位于北京北四环边，包含在奥林匹克国家森林公园

之中，主体建筑紧邻北京城市中轴线，并与国家体

育馆和国家游泳中心相对于中轴线均衡布置。占地

面积20.4万平米，总建筑面积25.8万平米，拥有9.1

万个固定座位，内设餐厅、运动员休息室、更衣室等。2008年奥运会期间，承担开幕式、闭幕式、田径比赛、男子足球决赛等赛事活动。该工程总投资4.5亿美元，是全球目前

投资最大的建筑物，也是迄今为止世界上最具现代化和人性化的体育场馆。

“鸟巢”因其主体由一系列辐射式的钢结构旋转而成，外型酷似鸟巢而得名。其建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3米，短轴为297.3米。最高点高度为68.5m，最低高度为40.1m。屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。主要由48榀主桁架围绕屋盖中间的开口放射型布置而成，主桁架与顶面及立面杂乱无章的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型，大跨度空间钢屋盖支撑在周边的24根桁架柱之上，并将荷载传至基础。为达到预定的视觉效果，编织鸟巢用的杆件均为箱型构件。主体框架建成之后，在“鸟巢”顶部的网架结构外表面将贴上一层乳白色半透明聚四氟乙烯(ETFE)的充气塑膜，使用这种膜后，

阳光不是直射，而是通

过漫反射进入到体育

场内，使光线更柔和，

由此形成的漫射光还

可解决场内草坪的维

护问题，同时也起到为

场内座位遮风挡雨的

功能

（2）、预应力作为一项新技术，得到充分应用，涌现了索穹顶、张拉整体结构和索膜结构等新型结构形式。奥运会羽毛球馆(北京工业大学体育馆)采用了世界跨度最大的弦支穹顶结构；国家体育馆采用了世界跨度最大的双向张弦梁结构。

据承揽所有奥运场馆中大跨度预应力钢结构分项设计、施工和监测的北京建工集团建筑工程研究院副院长张然介绍，大跨度预应力钢结构是由高强度、抗腐蚀、抗疲劳钢索与各种形式空间钢结构组合而成的一种新型结构形式，将柔性的钢索与刚性的钢结构完美地融合到一起，为建筑师提供了既实用又经济的覆盖大面

积、大空间的建设手段，深得他们的青睐，北京

2008年奥运会共有7个场馆采用了这种结构。弦

支穹顶“变脸”不易。

93米世界最大跨度、外圈环向索预应力张拉

值250吨、屋盖钢结构起拱值110多毫米，奥运

羽毛球馆的设计施工难度世界罕见。

该工程采取了弦支穹顶钢结构体系，主要是

由单层网壳、撑杆及预应力拉索构成。其中的预

应力拉索是这个工程的最大特色和难点。由于屋

盖庞大、结构复杂，环向索的张拉过程异常艰难。

第一个难点是如何在张拉后保持撑杆的垂直。建研院凭借雄厚的计算优势，在仿真模拟中对受力进行精确的分析，并用以指导工程；二是由于跨度大，单根索预应力张拉值最大达到250吨（世界最大双向张弦结构的国家体育馆单项索预应力张拉值为120吨），施工风险很大。设计人员根据张拉情况配备了液压千斤顶等先进设备，同时由机械工程师对配套的张拉设备进行了专门设计，解决了这一难题；三是柔性形态的控制。由于结构最终经张拉起拱脱离支撑胎架，施工安全性受到挑战。设计人员因此布置了50多个监测点对拉索、撑杆和钢结构应力进行监控，并对结构变形进行监控，以保证安全和结构质量。双向张弦桁架“舒展筋骨”

国家体育馆钢屋架结构形式为“单曲面双向张弦桁架预应力钢结构”，主馆南北长144.5