大跨度空间结构概述

1975年建成的美国新奥尔良“超级 穹顶”（Superdome），直径 207m，长期被认为是世界上最大的 球面网壳。
美国新奥尔良“超级穹顶”
东京代代木国立体育中心莫斯 Nhomakorabea中央红军之家综合体育馆
巴塞罗那圣乔地体育馆
3.大跨空间结构问题及解决方法
多种作用耦合情况对结构影响（温度应力，风载，焊接残余应力等）
70年代以来，由于结构用织物材料的改进，膜结构或索 -膜结构（用索加强的膜结构）获得了发展： 1988年东京建成的“后乐园”棒球馆，就采用这种结构， 技术尤为先进，其近似圆形平面的直径为202m； 1996年，美国亚特兰大为奥运会修建的“佐治亚穹顶” （Geogia Dome，1992年建成）采用新颖的索穹顶结构，其 准椭圆形平面的轮廓尺寸达192mX241m。
第29届奥运会主场馆：北京奥林匹克体育场
悉尼超级穹顶体育馆是被作为 2000年奥林匹克运动会的多功能 体育馆进行设计的。 菲利普· 考克斯与其合作者们 把大穹顶体育馆想象成一座庞大、 水平且半透明的建筑。建筑外形 呈鼓状，由24根钢柱支撑着的放 射状网架结构形成了遮盖赛场的 轻型屋盖体系。为使其尺度不至 于过大，他们在两侧设置了环抱 体育场的轻质廊道，这就给这个 大尺度的表皮添上了一些人性化 的细部。但是要欣赏大穹顶还是 需要一定的角度和高度，所以他 们在设计时运用了一种类似桅杆 的结构，就像是一个花冠围绕在 体育馆的周围。他们以其纤细但 不失强度的悬索和自由排列的柱 廊强调大穹顶的整体外观。支撑 柱廊的是树状的柱子，屋顶采用 了有拉索支撑的桁架结构，大尺 度出挑的屋檐为场馆提供了阴凉 的空间。
扩展内容：
空间网格结构 网壳结构的出现早于平板网架结构。在国外，传统的肋环型穹顶已有一百多 年历史，而第一个平板网架是1940年在德国建造的（采用Mero体系）。中国第 一批具有现代意义的网壳是在50和60年代建造的，但数量不多。当时柱面网壳大 多采用菱形“联方”网格体系，1956年建成的天津体育馆钢网壳（跨度52m）和 l961年同济大学建成的钢筋混凝土网壳（跨度40m）可作为典型代表。球面网壳 则主要采用肋环型体系，1954年建成的重庆人民礼堂半球形穹顶（跨度46.32m） 和1967年建成的郑州体育馆圆形钢屋盖（跨度64m）可能是仅有的两个规模较大 的球面网壳。自此以后直到80年代初期，网壳结构在我国没有得到进一步的发展。 相对而言，平板网架结构自60年代后期起获得较多应用，1967年建成的首都体育 馆和1973年建成的上海体育馆是早期成功采用平板网架结构的杰出代表，对这种 结构形式在其后一段时期的持续发展有很大影响。80年代后期北京为迎接1990亚 运会兴建的一批体育建筑中，多数仍采用平板网架结构。随着经济和文化建设需 求的扩大和人们对建筑欣赏品位的提高，在设计日益增多的各式各样大跨度建筑 时，设计者越来越感觉到结构形式的选择余地有限，无法满足日益发展的对建筑 功能和建筑造型多样化的要求。这种现实需求对网壳结构、悬索结构等多种空间 结构形式的发展起了良好的刺激作用。
“鸟巢”是一个大跨度的 曲线结构，有大量的曲线箱 形结构，设计和安装均有很 大挑战性，在施工过程中处 处离不开科技支持。“鸟巢” 采用了当今先进的建筑科技， 全部工程共有二三十项技术 难题，其中，钢结构是世界 上独一无二的。“鸟巢”钢 结构总重4.2万吨，最大跨度 343米，而且结构相当复杂， 其三维扭曲像麻花一样的加 工，在建造后的沉降、变形、 吊装等问题正在逐步解决， 相关施工技术难题还被列为 科技部重点攻关项目。
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主要内容
• 1.大跨度空间结构简述 • 2.大跨结构的发展及应用前景 • 3.大跨结构的问题实例及解决方法
1.大跨度空间结构简述
大跨度空间结构的定义
空间结构是相对平面结构而言的，一般说来我们日常所采用的梁、 桁架、拱·· ·都属于平面结构。它所承受的荷载以及由此产生的内力的 变形都考虑为二维的，即处于一个平面内。而空间结构的荷载、内力 和变形则是有三维空间考虑的，即作用于空间。它的结构分析即要考 虑空间作用，用一般二维的假设和分析是无法得到准确解答的。 在实际的三维世界里，任何结构物本质上都是空间性质的，空间 结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力，而且还由于它们通过合 理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时，空间结构就 愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上，当跨度达到一定程度 后，一般平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来 看，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。
镇江巨蛋又称“神州第一蛋”，是高48米、直径 38米、斜度23.5度的巨型不锈钢网壳结构。
2.大跨结构的发展及应用前景
大跨度空间结构技术的发展
对于丰富多彩的百年奥运建筑来说，没有一种技术能像大跨度空间 结构技术对它们产生更大的促进作用了。而奥运建筑也为大跨度空间结 构技术提供了精美的展示舞台和实践机会，因为最先进的大跨度空间结 构技术往往首先运用于奥运会。 综观奥运近50余年的发展历史，大跨度空间结构技术一直居于核心 地位。如奥运历史上著名的罗马大小体育馆（1960年意大利罗马奥运会） 均采用了装配现浇式钢筋混凝土薄壳结构，莫斯科中央红军之家综合体 育馆（1980年莫斯科奥运会）采用了空间桁架网架结构，东京代代木国 立体育中心（1964年东京奥运会）采用了张拉结构，巴塞罗那圣乔地体 育馆（1992年巴塞罗那奥运会）采用了网壳结构，„„等等。
我们的差距还表现在膜结构产品的质量上。膜材的剪裁和加工不够精细， 零配件和连接件相对地显得粗糙。这与企业的技术力量和设备条件直接 有关。 另外，迄今我国的膜结构大都采用半永久性膜材（聚酯纤维+PVC 涂层）建造。永久性膜材（玻璃纤维+PTFE涂层）在制作安装时要求更 高的技术水平，对国内企业来说尚有一定难度。外国企业实力雄厚，技 术力量强，但由于价格上的原因，迄今尚未取得中国市场的主要份额。 现在有的外国企业计划在中国建厂，届时国内企业所具有的价格优势将 不复存在，他们将面临更为严峻的竞争局面。 至于所谓的“张拉集成系统”或“全张拉结构”（Tensegrity）， 是指由连续的受拉杆索和局部的受压杆件组成的结构体系，目前在工程 上的唯一实现形式是由预应力双层空间索系和薄膜屋面组成的“索穹顶” （Cable Dome）结构。国外已建成的索穹顶有两种形式：1988年汉城 奥运会体育馆采用脊索呈辐射布置的Geiger体系；1996年亚特兰大奥运 会体育馆采用脊索呈菱形布置的Levy体系。索穹顶自重极轻，因而可以 跨越非常大的空间，像亚特兰大体育馆达到243mX191m这样大的尺度。 我国还没有采用这种体系的工程实践，可能原因是施工安装技术上有较 大难度，但在理论研究方面已做得比较深入。我相信，在研究、设计、 施工、安装各部门协调配合下，有朝一日我国会实现这些高效的结构形 式。
张力结构 中国现代悬索结构的发展始于50年代后期和60年代，世界上最早的现代 悬索屋盖是美国于1953年建成的Raleigh体育馆，采用以两个斜放的抛物线 拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国1961年建成的北京工人体育馆和1967年 建成的浙江人民体育馆两个悬索结构无论从规模大小或技术水平来看在当时 都可以说是达到了国际上较先进水平。但此后我国悬索结构的发展停顿了较 长一段时间。一直到80年代，由于大跨度建筑的发展而提出的对空间结构形 式多样化的要求，这种形式丰富的轻型结构重新引起了人们的热情，工程实 践的数量有较大增长，应用形式趋于多样化，理论研究也相应地开展起来。 张拉式膜（或索-膜）结构自80年代以来在发达国家获得极大发展。这种体系 与索网结构类似，张紧在刚性或柔性边缘构件上，或通过特殊构造支承在若 干独立支点上，通过张拉建立预应力并获得确定形状。张拉式索膜体系具有 重量极轻，安装方便，在大跨度和超大跨度建筑中极具应用前景。近几年我 国膜结构发展很快，不少体育场挑蓬和许多中小型建筑采用张拉式或骨架支 承式的膜结构，有一些工程是比较成功的，但总体上与国外先进水平比较尚 有一定差距。主要表现在结构形式还比较拘谨和匠气，缺少大胆创新之作， 说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间还没有很好地结合起来。这也许 与当前的设计体制有一定关系。我们的设计部门对膜结构这一新技术还不够 熟悉，难于作出创新的设计方案；一旦确定采用膜结构时，实际上包括设计 在内都交给膜结构企业去操作。在正常情况下，建筑师应当是始终对整个设 计保持控制的。
悉尼“超级穹顶”
大跨度空间结构的应用前景
随着经济和文化建设需求的扩大和人们对建筑欣赏品位的提高， 在设计日益增多的各式各样大跨度建筑时，设计者越来越感觉到结 构形式的选择余地有限，无法满足日益发展的对建筑功能和建筑造 型多样化的要求。这种现实需求对网壳结构、悬索结构等多种空间 结构形式的发展起了良好的刺激作用。但是，大跨度空间结构一般 是比较重要的公共建筑，如发生破，造成的物质损失大、社会影响 也大。目前有关大跨度空间结构的防灾、减震还有很多问题尚未解 决，例如大跨结构特别是柔性大跨结构的风振响应、强震下结构的 抗倒塌能力以及大跨结构的减震（振）方法、措施和可实施性等方 面的问题都还需深入研究，同时大跨结构的减震（振）工程实践也 应尽快开展。
由于网壳结构与网架结构的生产条件相同，国内已具备现成的基础， 因而从80年代后半期起，当相应的理论储备和设计软件等条件初步完备， 网壳结构就开始了在新的条件下的快速发展。各种形式的网壳，包括球 面网壳、柱面网壳、鞍形网壳（或扭网壳）、双曲扁网壳和各种异形网 壳，以及各种网壳的组合形式均得到了应用；还开发了预应力网壳、斜 拉网壳、拱支网壳、局部双层网壳等新的结构体系。 同时，平板网架结构并未停止其自身的发展。这种目前来看已比较简 单的结构有它自己广泛的使用领域，跨度不拘大小；而且近几年在诸如 工业厂房、飞机库等一些重要领域扩大了应用范围。十分明显，包括网 架和网壳在内的空间网格结构是我国近十余年来发展最快，应用最广的 空间结构类型。这类结构体系整体刚度好，技术经济指标优越，可提供 丰富的建筑造型，因而受到建设者和设计者的喜爱。我国网架企业的蓬 勃发展也为这类结构提供了方便的生产条件。据估计，近几年我国每年 建造的网架和网壳结构达数百万平方米建筑面积，相应钢材用量约20万t。 这么大的数字是任何其它国家无法比拟的，无愧于“网架王国”这一称 号。 如此大的发展势头自然也会带来一些问题。尤其是在市场需求带动下， 大量小型网架企业雨后春笋般成立起来，难免良莠不齐，设计也非总由 有经验人士担任。因而大力加强行业管理，切实把握住设计制作和安装 质量，是促进我国空间结构进一步健康发展的重要课题。