浅谈近现代空间结构的形式与发展

浅谈近现代空间结构的形式与发展

05110419 周雅

（指导老师：罗斌）

摘要：现代大跨空间结构大致是在二十世纪七八十年代，基于采用轻质高强的膜材、钢索、钢棒等，应用新技术而发展起来的轻盈、高效的结构体系，诸如气承式充气膜结构、索膜结构、索桁结构、张弦梁结构、弦支网壳结构、索穹顶结构、索穹顶网壳组合结构、张弦气肋梁结构等。大跨度空间结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志，形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。其结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。本文分两部分结合工程实例，分别介绍了传统近代空间结构分类及部分现代新型空间结构。

关键词：现代空间结构新型空间结构工程应用

1传统大跨结构分类

1)薄壳结构（包括折板结构）

薄壳结构是指用钢筋混泥土等刚性材料以各种曲面形式构成

的薄板结构，分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。薄壳

结构呈空间受力状态，主要承受曲

面内的轴力，而弯矩和扭矩很小，所以混泥土强度能得到充分利用，其强度和刚度非常好，厚度一般仅

为跨度的几百分之一。薄壳结构有

自重轻、省材料、跨度大、外形多

样的优点，但它有形体复杂，多采

用现浇施工，费时，费工，费模板，

结构计算复杂等缺点。典型的薄壳

结构有悉尼歌剧院、宇宙射线实验

馆等。

2)网架结构

网架结构是以多根杆件按照一定规律组合而成的网格状高次

超静定结构。它通常是由钢管或者

型钢制作而成，具有空间刚度大；

整体性和稳定性好；安全度高；具

有良好的抗震性能；网架高度小、用钢量少；用小规格短杆件构成大

跨度结构；平面布置灵活、有利于

管道及设备安装；杆件、节点可标

准化生产；运输、安装方便、快速；

施工适应性强；网架的建筑造型轻

巧美观大方；便于建筑处理和装饰

等优点。典型的网架结构有首都体

育馆、上海游泳馆、上海大舞台等。

3)网壳结构

网壳结构是将杆件沿着某个曲面有规律的布置而组成的空间

结构体系。它兼有杆系结构和薄壳

结构的主要特性，网壳结构杆件比

较单一，受力比较合理；其结构的

刚度大，跨越能力大，可以用小型

构件组装成大型空间，小型构件和

连接节点可以在工厂预制；安装简

便，不需大型机具设备，其综合经

济指标较好；造型丰富多彩，不论

是建筑平面还是空间曲面外形，都

可根据创作要求任意选取。典型的

网壳结构有蒙特利尔世博会美国

馆、中国国家大剧院、爱立信球形

体育馆等。

4)悬索结构

悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规

律布置所构成的一类结构体系。索

一般采用由高强度材料组成的钢

铰纹、钢丝绳或钢丝束，也可以采

用高强度圆钢筋或预应力钢棒。悬

索结构的优点是通过索的轴向拉

伸来抵抗外荷载，可以最充分地利

用高强度钢材的承载能力，大大减

轻结构的自重，较经济地实现大跨

度；用钢量低；悬索结构施工比较

方便，结构自重小，屋面轻，安装

时无需大型起重设备和模板、脚手

架等，施工费用相对较低；悬索结

构便于创造优美的建筑造型，能较

好地满足建筑表达和功能的要求；

火灾后的破坏后果比普通钢结构

小。但有动力特性比较复杂；结构

初始形状、预应力的建立及正常使

用阶段的工作特性属于几何非线

性问题；施工技术要求较高，需要

专业的施工队伍，需要配合施工进

行多工况、多阶段的分析计算；结

构变形较大，对屋面材料的变形性

能要求高等缺点。典型的工程有德

国乌柏特市游泳馆、北京工人体育

馆等。

2新型空间结构

1)树状结构

树状结构是近年来采用的一种新型结构。它实际上是一种多级

分枝的立柱支承结构，主杆和枝杆图1 中国国家大剧院

均可由梁单元集成，枝杆顶端与屋

盖结构相连，可减小屋盖结构的跨

度、降低结构内力。典型的有深圳

文化中心，它前厅采用粗枝、中枝、

端枝三级分枝的树状结构。杭州奥

体中心体育场悬臂屋盖一方案采

用一圈28根二级分叉的树状结构。

台湾台北到高雄的高铁台南等车

站大厅也采用了树状结构。

2)多面体空间框架结构

多面体空间框架结构一种全新的结构体系，由12面体、14面

体组成的无穷个多面体与切割面

（屋盖上下表面与墙体内外表面）

的相交线及屋盖与墙体内多面体

的棱边，共同构成空间结构的骨架。

这种结构内部每个节点仅有四根

杆件相交，适宜用在以最少的节点

数和杆件数去填充一定厚度的厚

板或三维体结构。多面体空间刚结

构的每个杆件是空间梁单元，而且

必须是空间梁单元，致使仍能承载

和传递各方向的外力作用。2008年

北京奥运会国家游泳中心“水立方”

采用了这种多面体空间框架结构，

也是世界上的首例。其平面尺寸

177m*177m，高30m，表面杆件采用

矩形钢管，并选用半鼓半球焊接空

心球节点相连接，便于铺设充气枕，

内部杆件采用圆钢管，选用焊接空

心球节点，便于连接构造。

3)可开启屋盖结构

开合屋盖结构是一种根据使用需求可使部分或全部屋盖结构

开合移动的结构形，它使建筑物在

开启和关闭两个状态下都可以正

常使用。可开启结构是集结构、机

械传动、控制于一体的复杂的系统

工程。可开启结构在国际上的一些

大型工程中已有所应用, 2008年北

京奥运会国家体育场原设计方案

采用了可开启屋盖。目前国内大型

可开启结构有:江苏南通体育中心

体育场、上海旗忠森林体育城网球

中心、杭州黄龙体育中心网球场。

4)张弦气肋梁

张弦气肋梁是在张弦梁结构中用气肋来代替竖杆而构成的空

间结构体系，也是梁、索、膜三种

单元组成刚柔性组合空间结构。

2004年在法国召开的IASS学术会

议上首次对张弦气肋梁有所报道。

图2 江苏南通体育中心体育场