大跨度空間結構

4.空間結構的發展、種類及應用

大跨度空間結構具有受力合理、自重輕、造價低、結構形體和品種多樣, 是建筑科學技術水平的集

中表現, 因此各國科技工作者都十分關注和重視大跨度空間結構的發展歷程、科技進步、結構創新、形

式分類與實踐應用.

（一）談到空間結構的發展歷史, 就要追溯到公元前14 年建成的羅馬萬神殿, 是一幢由磚、石、浮

石、火山灰砌成的拱式結構, 圓形結構, 直徑43*5m, 凈高43* 5m, 頂部厚度120cm, 半球根部支承在

620cm 厚的墻體上， 穹頂的平均厚度370cm， 我國用磚石砌成代表工程是建于明洪武14 年( 公元1381

年) 南京無梁殿, 平面尺寸38m * 54m, 凈高22m . 以穹頂屋蓋結構為主軸線, 時間跨度從公元前14年到

2009 年共二千多年. 從中可以看出, 各種類型的空間結構只在近百年來有所發展, 特別是近二三十年

來, 開拓和創新的速度更趨頻繁.

( 1) 以磚、石等建筑材料筑成的拱式穹頂, 充分利用拱券合理傳力的原理, 有連環拱、交叉拱、拱

上拱、大拱套小拱. 自羅馬萬神殿建成以后, 如1612 年建成的羅馬圣彼得教堂和建于約300 年前的倫敦

圣保羅大教堂, 其跨度均比羅馬萬神殿小, 但是裝修更莊重、屋頂更高. 因此, 以磚、石等筑成的拱式

穹頂,長期來基本上沒有更進一步的發展和創新.

( 2) 自1925 年在德國耶拿玻璃廠建成歷史上第一幢直徑40m 的鋼筋混凝土薄殼結構以后, 到二十

世紀五六十年代, 世界各國的薄殼結構發展到了高潮. 羅馬奧運會小體育館的平面直徑59* 2m 的帶肋

薄殼( 圖3) 以及北京火車站35m * 35m 的雙曲扁殼是當時特別推薦的. 一般來說, 40m~ 50m 跨度的鋼

筋混凝土薄殼穹頂, 其混凝土的折算厚度約為8cm~ 10cm, 是羅馬萬神殿平均厚度的1/ ( 50~40) ; 結構

自重約為( 200~ 250) kg / m2 , 是羅馬萬神殿平均自重的1/ ( 50~ 30) . 前蘇聯和我國還編制出版頒

發了鋼筋混凝土薄殼結構設計行業規程, 以便廣大設計人員推廣薄殼結構的應用

( 3) 生鐵、普通鋼、高強鋼、鋁合金等建筑材料的生產和工程應用, 研究開發了網架網殼等格構式

空間結構. 1924 年建成了世界上第一個直徑為15m 的半球形單層網殼, 采用生鐵材料, 用于德國耶那

蔡司天文館. 由于網格結構剛度大, 用材省、性能好, 便于工廠制作現場裝配, 至二十世紀六、七十年

代網格結構有了蓬勃的發展. 當時, 有代表性的工程如

1970 年建成的日本大阪博覽會展館六柱支承108m* 292m 網架, 1968 年建成的首都體育館99m*112*

2m 網架, 1973 年建成的名古屋國際展覽館134m 直徑圓形平面網殼, 1967 年建成的鄭州體育館64m 直

徑圓形平面助環型單層網殼. 60m 左右跨度網格結構自重約為( 40~ 50) kg / m2 , 是同等跨度薄殼結

構自重的1/ ( 4~ 5) . 1997 年從美國引進建成了鋁合金的上海體操館, 68m 直徑的圓形平面單層網殼,

自重僅12kg/ m2 , 是相應跨度鋼網殼自重的1/ ( 4~ 5) .

( 4) 懸索結構要追溯到我國在公元前285 年建成跨越四川岷江的灌縣竹索橋-----安瀾橋和1703年

建成跨越大渡河的鐵鏈橋----- 瀘定橋. 但在房屋建筑上的應用要首推于1953 年建成的美國北卡州瑞

雷競技館, 近似圓形平面直徑91* 5m 的鞍形索網結構. 此后, 在二十世紀六七十年代我國建成了當時

著名的三大懸索結構: 1961 年建成跨度94m雙層車輻式圓形平面的北京工人體育館,1967 年建成跨度

60m * 80m 鞍形索網式橢圓平面的浙江人民體育館, 1979 年建成跨度61m 雙層車輻式( 索與內孔相切)

圓形平面的成都城北體育館. 懸索結構自重小、屋蓋輕、施工也比較方便成熟, 無需大型的機具設備, 是

有推廣應用前景的空間結構.1988 年在加拿大加爾加里建成當時跨度最大的懸索結構冰球館, 是一幢

135*3m * 129* 4m 橢圓平面鞍形索網懸掛薄殼

( 5) 二十世紀七八十年代氣承式充氣膜結構發展到一個高潮, 在美國、加拿大和日本共建成了超百

米跨度的十余幢大型體育場館. 其中有代表性的是美國在1975 年建成的168m *220m 長橢圓平面龐提亞

克體育館和日本在1988 年建成的180m * 180m 方橢圓平面東京后樂園棒球館. 由于氣承式膜結構要不時

地耗能充氣, 以及龐提亞克體育館曾發生垮塌事故, 二十世紀九十年代后已基本不再興建氣承式充氣膜

結構.

( 6) 為1988 年漢城奧運會的召開, 1986 年建成了120m 跨度圓形平面的索穹頂綜合館用鋼指標13.

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5kg/ m2 ; 為1996 年亞特蘭大奧運會召開, 1995 年建成了192m* 240m 橢圓平面的索穹頂主賽館, 用鋼

指標25kg/ m2 . 這二幢索穹頂的建立使空間結構的科技水平達到了一個嶄新的高峰, 結構體系新穎、高

效, 其用鋼指標僅約為跨度L的12L/ 100( 跨度L 以m 計, 用鋼指標以kg / m2 計,例如100m 跨度的索穹

頂, 其用鋼指標約為12kg/

m2 ) . 索穹頂在中國大陸尚屬空白, 國外的技術一直保密, 然而浙江大學、同濟大學、建研院等高

校、科研單位已進行了十余年的研究和試驗工作, 對索穹頂的受力特性和分析計算已有比較完整的認識.

（二）剛性空間結構的組成、分類與實踐應用空間結構是由基本單元組成或集合而成, 基本單元( 也

是基本構件) 有剛性基本單元: 板殼單元、梁單元和桿單元, 也有柔性基本單元: 索單元和膜單元. 可

以說, 由剛性基本單元組成的空間結構可稱為剛性空間結構.

（1）僅由一種板殼單元組成的剛性空間結構, 現在有三種具體結構形式

a)薄殼結構:通常指光面的、但可包括等厚度和變厚度的鋼筋混凝土薄殼結構. 根據其幾何外形又可

分為旋轉殼、球面殼、柱面殼、雙曲扁殼、鞍形殼、扭殼和劈錐殼等. 典型工程如當時我國跨度最大的

球面薄殼結構是60m 直徑圓形平面的新疆某機械廠金工車間b) 折板結構:用于工業廠房和車站站臺較多

的是一種比較簡單的V 形折板, 非預應力的可做到27m 跨度, 預應力的可做到36m 跨度. 折板結構的截

面還可采用多折線的, 此外也可采用多面體空間折板結構.c)波形拱殼結構:波形拱殼結構的特點使截面

的抗彎剛度可大幅度的增加, 提高整個結構的剛度和穩定性. 有鋼筋混凝土波形拱殼結構, 如1960 年

建成的羅馬奧運會大體育館, 為球面波形拱殼結構, 跨度100m. 也有薄鋼板的柱面波形拱殼結構.

(2)僅由一種梁單元組成的剛性空間結構, 現有五種具體結構形式

a)單層網殼:工程中應用最多的是單層鋼網殼, 其幾何外形類同于薄殼結構的幾何外形. 網格形式

對于球面網殼有助環型、助環斜桿型、三向網格型和短程線型等; 對于柱面網殼有聯方網格型、縱橫斜

桿型、三向網格型和米字網格型等 b) 空腹網架:通常是由鋼筋混凝土的平面空腹桁架發展而來, 主要有

兩向空腹網架和三向空腹網架, 可用于屋蓋結構也用于樓層結構.c) 空腹網殼.d)樹狀結構，這是近年來

采用的一種新結構，實際上是一種多級分支的立柱結構，柱桿和枝支桿都可由梁單元集成。e) 多面體空

間框架結構, 這是一種全新的結構體系, 由多面體幾何的棱邊構成空間結構的骨架. 這種結構內部每個

節點有四根桿件相交, 適宜于用在以最少的節點數和桿件數去填充一定厚度的平板或三維體結構, 由于

每個桿件是空間梁單元, 而且必須是空間梁單元,致使仍能承載和傳遞各方向外力作用. 2008 年奧運會

國家游泳中心 水立方??用了這種多面體空間框架結構。

(3)僅由一種桿單元組成的剛性空間結構, 現有三種具體結構形式：

a) 網架結構:這是最典型的鉸接桿系空間結構, 設計、計算、制作、安裝都比較方便, 造價也比較

低廉, 我國到處都有推廣應用,b) 立體桁架;這是一種在寬度方向有一定空間作用的單向桁架, 通常桁

架截面采用三角形, 上弦用二根、下弦用一根. 我國在二十世紀六十年代就建成跨度54m 的廣西南寧體

育館. 近年在機場航站樓( 如成都雙流機場、深圳寶安機場二期、濟南遙墻機場等, 較多地選用了拱形

大跨度立體桁架結構c) 雙層網殼;這是一種曲面型平板網架, 可由鉸接桿系集成.我國大跨度空間結構

首次超百米跨度的工程便是1994 年建成天津新體育館108m 跨度雙層網殼

(4)由板殼單元為主和梁單元組成的剛性空間結構, 現有三種具體結構形式:

a) 帶肋薄殼;在光面薄殼下增加肋, 或在裝配式薄殼結構的預制小殼板的邊框上加肋, 便于吊裝運

輸, 最終均可構成殼板折算厚度增加不多而抗彎剛度大幅增加的帶肋薄殼. 羅馬奧運會小體育館是個著

名的工程實例. b) 帶肋折板:與帶肋薄殼類似, 在光面折板的基礎上增設縱肋或橫肋可構成帶肋折板.

徐州一鹽庫便采用了一種拱式的V 型帶肋折板結構, 混凝土灌縫處形成一拱肋.c) 雙層薄殼:上下兩層

薄殼之間加肋, 便可構成抗彎剛度甚大的雙層薄殼結構, 適宜用在大跨度和超大跨度空間結構。

（5）由梁單元為主和板殼單元組成的剛性空間結構, 現有二種具體結構形式：

a) 空腹夾層板:空腹夾層板通常是在鋼筋混凝土空腹網架上擱置預制小板, 灌縫形成整體后便構成

空腹夾層板結構, 這可用作層蓋, 也可用作樓層. 典型的工程是貴州大學邵逸夫學術活動中心屋蓋。b)

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組合網殼:通常是在單層鋼網殼的上面, 擱置預制鋼筋混凝土小板( 也可帶小邊肋的) , 灌縫形成整體

后便構成鋼網殼與鋼筋混凝土( 帶肋) 薄殼共同工作的組合網殼.

(6)由桿單元( 為主) 和梁單元組成的剛性空間結構現只有一種具體的結構形式, 即局部雙層網殼.

對于跨度較大的雙層球面殼和雙曲扁殼, 其中部往往以殼體的薄膜內力為主, 便可采用單層網殼,從而

形成局部雙層局部單層的網殼結構, 習慣簡稱局部雙層網殼.

綜上所述, 剛性空間結構共分七小類, 有18 種具體結構形式.

(三) 柔性空間結構組成、分類與實踐應用

(1) 僅由一種索單元組成的柔性空間結構, 現有二種具體結構形式:

a) 懸索結構:這里主要是指矩形平面單向單層懸索結構以及圓形平面輻射式單層懸索結構和雙向單

層懸索結構. 這種單層索系都是承重索, 沒有穩定索, 因此要保持單層懸索結構的穩定性要通過屋面板

的共同工作來保證的.b) 索網結構:索網結構的外形通常是構成一個負高斯曲率的曲面( 鞍型曲面) ,

向下凹的索系為承重索, 向上凸的索系為穩定索, 兩向索系的曲率相反, 因此可以建立適當的預應力,

成為自平衡結構體系, 以保證這種索網結構在預應力態和荷載態情況下具有足夠的剛度和穩定性.

(2) 僅由一種膜單元組成的柔性空間結構, 現有二種具體結構形式

a) 氣囊式膜結構:這是由充氣的氣囊構件( 如拱、梁、柱、枕) 連接起來的結構體系, 由于氣囊中

的氣壓可高達3~ 7 大氣壓, 故又稱高壓體系充氣結構. 世界上著名的氣囊式膜結構是1970 年大阪世界

博覽會日本富士館.b) 氣承式膜結構:這種氣承式膜結構由于膜內僅為0. 3 ‰ 大氣壓,

故又稱為低壓體系充氣結構.

（四）剛柔性組合空間結構的組成、分類與實踐應用，由剛性基本單元和柔性基本單元組成( 也可

稱雜交構成) 的空間結構可稱為剛柔性組合空間結構,它可充分發揮剛性與柔性建筑材料不同的特點和

優勢, 構成合理的結構形式. 因此, 剛柔性組合空間結構是今后、特別是現代空間結構發展的一個重要

趨向。

（1）由板殼單元( 為主) 和索單元組成的剛柔性組合空間結構, 現只有一種具體結構形式, 即懸掛

薄殼。單向單層懸索在掛混凝土屋面小板的同時另加適量超載, 灌縫形成整體后, 再把超載卸去, 即可

構成預應力懸掛薄殼結構. 對鞍形索網結構, 在掛板、灌縫后可對承重索施加預應力, 也可構成懸掛薄

殼結構, 如加拿大加爾加里冰球館。

（2）由桿單元( 為主) 與索單元組成的剛柔性組合空間結構, 有四種具體結構形式：

a) 預應力網架( 殼):通常在網架下弦的下方、雙層網殼的周邊設置裸露的預應力索, 以改善結構的

內力分布, 降低內力峰值, 提高結構剛度, 可節省用鋼量b) 斜拉網架( 殼):在網架、雙層網殼的上弦之

上, 設置多道斜拉索, 相當于在結構頂部增加了支點, 減小結構的跨度, 提高剛度. 而且斜拉索尚可施

加預應力, 改善結構內力分布, 節省鋼材耗量. 二十世紀八九十年代斜拉網架( 殼) 在我國已開始獲得

推廣應用.

(3) 由梁單元( 為主) 和桿單元、索單元組成的剛柔性組合空間結構, 現有三種具體結構形式：

a) 張弦梁結構;( Beam St ring St ructure= BSS) 早年從日本引進, 后在我國推廣應用且發展甚

快. 我國采用大跨度的張弦梁要首推上海浦東國際機場航站樓,b) 弦支網殼:弦支網(Suspen-dome) 通

常是由上層單層網殼、下層若干圈環索、斜索通過豎桿連接構成, 是一種自平衡的空間結構體系. 弦支

網殼具有單層網殼和索穹頂兩種結構體系的優點. 日本最早在1993 年建成35m 跨的弦支光球穹頂。c)

索穹頂-- 網殼:這是我國自己提出的一種新的空間結構體系, 由

索穹頂的索桿體系與單層網殼組合而成, 施工時無需滿堂紅腳手架, 可在自平衡的索桿體系上安裝

單層網殼, 并與索桿體系連成整體協同工作.

(4) 由梁單元( 為主) 和索單元、膜單元組成的剛柔性組合空間結構, 現僅有一種具體的結構形式

------張弦氣肋梁: 張弦氣肋梁( Tension + air + integ rity= Tensairrity)是張弦梁結構中的豎桿

用充氣肋來替代而構成的空間結構體系. 2004 年在法國南部城市蒙特皮肋爾( Mo ntpel lier) 召開的

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IASS 國際空間結構學術大會上首次對張弦氣肋梁有所報導.2007 年已建成張弦氣肋梁結構試點工程,

應用于瑞士蒙特立克斯車站汽車庫.

(5) 由索單元( 為主) 和桿單元組成的剛柔性組合空間結構, 有四種具體結構形成;

a) 張拉整體結構:張拉整體結構( Tengrity 來源于T ensile 和Integrity 的結合) 是二十世紀

五十年代建筑師富勒( R. B. Fuller) 提出的一種結構體系, 這種結構體系的大部分單元是連續的張拉

索, 而零星單元是受壓桿, 猶如張力海洋中的孤島. 張拉整體結構的重要特性是預應力成形和提供剛度.

初期的張拉整體結構曾用于如Snelson 的研究模型.b) 懸索- 桁架結構:這通常是一種單向單層的懸索

結構, 通過垂直于索跨度方向設置平面桁架系, 強制將桁架兩端施加拉力錨固在支承結構上, 使懸索向

下變位并產生預拉力, 與桁架內力共同構成一自平衡體系, 保證整

體結構的剛度和穩定性. 安徽省體育館是我國有代表性的最早建成的懸索-- 桁架結構之一.c) 索

桁結構:將雙層索( 向下凹的稱為承重索, 向上凸的稱為穩定索) 布置成如圖64 的多種形式, 索間設置

受壓撐桿( 受拉時一般設置拉索) , 當承重索( 或穩定索)施加預應力后, 便可構成自平衡的有預應力

的索桁結構。為改善索桁結構平面外的剛度, 承重索和穩定索可錯位( 半格) 設置.d) 拉索網架:將一般

網架的上下弦改用柔性拉索, 受拉的斜腹桿也改用柔性拉索, 只是受壓的豎腹桿仍用勁性型鋼, 此時便

構成所謂拉索網架. 要使這種拉索網架成形、承載, 必須先在上下弦索施加適當的預應力.深圳市民中心

采光頂在我國成功地首次采用平面尺寸36m* 45m 的拉索網架.

(6)由索單元( 為主) 和桿單元、膜單元組成的剛柔性組合空間結構, 現只有一種具體結構形式,即

索穹頂結構. 1986 年建成的漢城奧運會120m 跨度綜合館索穹頂, 由美國工程師蓋格爾( Geiger) 創建,

是一種肋環型索穹頂. 1995 年勒維( Lev y) 提出了葵花型索穹頂, 可改善助環型索穹頂輻射向平面桁

架系平面外的剛度, 應用于同年建成的192m 240m 橢圓平面亞特蘭大奧運會主賽館. 我國尚未建成索

穹頂結構,然而研究并提出了Kiew it t 型、混合 型( 助環型和葵花型重疊式組合) 、混合( Kiewit

t 型和葵花型內外式組合) 、鳥巢型等多種形式的索穹頂. 同時對肋環型、葵花型索穹頂提出了初始預

應力分布的快速計算法, 對一般索穹頂提出求解整體自應力模態的二次奇異值法, 為索穹頂預應力設計

提供了創新的分析方法.

(7) 由膜單元( 為主) 和梁單元組成的剛柔性組合空間結構, 現僅存一種具體結構形式, 即剛性支

承膜結構. 又稱骨架支承式膜結構, 支承在梁( 包括實體梁和桁架式梁) 、拱( 包括實體拱和桁架式拱)

等支承結構上. 因此, 剛性支承膜結構的膜材, 主要是覆蓋作用, 與支承結構的共同工作, 并不非常明

顯. 代表性的工程有香港大球場、浙江大學紫金港校區風雨操場.

(8) 由膜單元( 為主) 和桿單元、索單元組成的剛柔性組合空間結構, 現也僅有一種具體結構形式,

即柔性支承膜結構. 又稱索系支承式膜結構, 支承在脊索、谷索、邊索、吊索、撐桿( 有時包括飛柱) 等

主要是柔性索系上. 因此, 柔性支承膜結構的膜材與支承索系的共同工作非常明顯,設計計算時必須考

慮索膜協同作用.代表性的如有1985 年建成的沙特阿拉伯哈吉航空港, 它由210 個單元膜結構( 45m *

45m) 組成, 建筑覆蓋面積達420000m2 .

綜上所述, 剛柔性組合空間結構共分8 小類, 有16 種具體結構形式, 空間結構剛柔性的程度, 基

本可由組成結構的剛柔性單元的多少來確定。

5.空間網架結構研究的發展方向

網架結構是一種平板型的, 由多根桿件按照一定的網格形式通過節點連接而形成的空間結構, 屬于

空間鉸接桿系, 多次超穩定空間結構, 具有工業化程度高、自重輕、穩定性好、外形美觀的特點。構成

網架的基本單元包括三角錐、三棱體、正方體、截頭四角錐等, 由這些基本單元可組合成平面桁架系網

架, 四面錐體系網架, 三角錐體系網架等不同網架形式; 根據網架連接節點形式不同, 一般可以分為焊

接球節點, 螺栓球節點, 鋼板節點三大類。我國于1964 年建成第一個平板網架( 上海師范學院球類房,

31.5 m * 40 5 m) ; 在1967 年建成的首都體育館采用斜放正交網架, 其矩形平面尺寸為99 m 112

m, 厚6 m, 采用型鋼構件, 高強螺栓連接; 1973 年建成的上海萬人體育館采用圓形平面的三向網架凈架

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110 m, 厚6 m, 采用圓鋼管構件和焊接空心球節點; 20 世紀80 年代后期北京為迎接1990 年亞運會興建

的一批體育建筑中大部分皆采用平板網架結構; 時至今日, 空間網架結構在我國的應用已經比較廣泛,

被廣泛用作體育館、展覽館、俱樂部、影劇院、食堂、會議室、候車廳、飛機庫、車間等的屋蓋結構。

（一）空間網架結構發展對策分析：

1) 網架結構的設計技術參數與工程實際應相符合。在實際

工作中, 往往忽視空調機、風管、空調水、消防等設施引起的荷載,等到網架安裝時, 或是設備、裝

修施工時, 問題才充分暴露出來,導致設備安裝、吊頂裝修不得不屈同網架結構, 從而給室內裝修空間利

用帶來諸多麻煩, 影響最終效果。2) 網架結構的室內精裝修方案應先于網架結構設計。網架結構的室內

精裝方案是建筑設計院做的初步方案, 在實施前, 建設方應重視請裝修設計單位預先進行精裝修方案的

設計, 以避免在精裝修階段增加網架結構設計未考慮到的荷載, 實施時產生設計與裝修的矛盾, 導致精

裝修屈同于網架結構設計, 使精裝修難以實現預定目標。3) 網架結構的安裝方法應體現在合同中。網架

結構的安裝方法在合同中往往留下伏筆, 當進現場作業時, 碰到的第一個問題是施工組織設計, 涉及到

的重要問題之一是安裝方法的采用, 從而也就涉及到施工費用問題, 導致甲方不得不讓步于安裝單位,

增加不

（二）空間網架結構今后研究方向：

隨著我國經濟實力的增強, 空間網架結構科研工作的深入,各種計算手段的豐富, 我國今后空間網

架結構的發展呈現以下趨勢: 1) 結構形式多樣化, 空間網架結構多姿多彩。近年來興建的大型公共建筑

大多都采用了鋼管桿件直接匯交的管桁網架結構,它的外形豐富、結構輕巧, 傳力簡捷、制作安裝方便、

經濟效果好,正在引起日益廣泛的重視和應用。2) 現代預應力技術的引入使空間網架結構更具活力。在

大跨度空間網架結構中引入現代預應力技術, 使結構體形更為豐富的同時, 也使其先進性、合理性、經

濟性得到充分展示。目前許多高校對涉及索托結構, 索網結構等以高強鋼索與鋼材為主承重結構的預應

力鋼結構新體系正在進行理論研究, 積極準備工程實踐, 可以預期新型的預應力大跨空間網架鋼結構在

將來必將有廣闊的發展空間。3) 結構新材料的應用進一步推動空間網架結構的發展。在普通碳素鋼獲得

大

量應用的同時, 不銹鋼、鋁合金、膜材也在許多大跨度網架建筑中獲得了應用, 國際上已有許多專

業生產公司建成了較多的鋁合金結構。我國的相關科研院所和企業也已經開始進行基礎性研究和工程實

踐, 積極進行產品研制、開發, 并進行了一些工程實踐,取得了較好的技術經濟效果。4) 計算技術的進

步為空間網架結構的發展創造了有利條件。當前已經研發出一些網架分析軟件,一般這些軟件都具有完善

的前后處理功能, 可在計算機上進行復雜的空間網格結構設計, 隨著研究的深入, 軟件程序在功能上將

更趨完善, 涵蓋面也將會不斷擴展。5) 產、學、研緊密結合是推動空間網架結構發展的源動力。從20 年

來網架生產企業的發展過程可以看出堅持產、學、研相結合是企業興旺發達的重要保證。未來產、學、

研一體化的更加緊密結合將可以使得企業最便捷地將科研成果轉化為生產力, 以最新技術促進產品質量

的提高, 加速產品更新換代, 增強在市場競爭中的優勢。

空間網架結構今后發展的一個重要趨勢就是大跨度空間網架結構, 大跨空間網架結構也是衡量我國

建筑科技水平的重要標志之一, 我國當前針對于大跨度空間網架結構所涉及需要的新體系、新技術、新

材料還存在很大欠缺, 有待進一步研究和完善, 以更充分的體現大跨度空間網架結構的先進性、經濟性

與合理性,最終促使我國空間鋼結構積極、健康地發展, 更好的為我國經濟建筑服務。

6. 新型穹頂鋼結構安裝方法

隨著人們生活水平的不斷提高，工業生產及文化、體育事業的不斷進步，社會對建筑結構有了更高的

要求。近十余年來，空間網殼結構發展迅速，不斷有新的結構形式被提出、被研究，并在實際工程中應

用。等高線型大跨度穹頂網殼結構就是一種新型的網殼結構形式。目前已封頂的佛山嶺南明珠體育館屋

蓋鋼結構正是采用了這種新型穹頂網殼形式。本文將以佛山嶺南明珠體育館穹頂鋼屋蓋工程作為實際工

程背景，對該類結構的安裝方法進行初步探討。

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(一)工程概況

等高線型大跨度穹頂網殼鋼結構形式為世界首創，屬于非典型的桁架結構，是斗拱式結構的半球型屋

頂。它的構思是與普通穹頂結構完全相反的，改變以往穹頂結構是拱的旋轉體這種考慮方法，改為水平

環的集結體。其外形的形成不同于其它工程，完全以環梁結構發揮主導作用。由于其外形類似于地圖上

表示山體高程的等高線，因此筆者暫且將這種結構稱為等高線型大跨度穹頂網殼結構。佛山嶺南明珠體

育館鋼屋蓋的結構形式就是由這種類似等高線的15 層環梁結構實現的。在構造方面，屋蓋采用連續的穹

頂結構，整個鋼屋蓋由一大二小連在一起的三個球殼構成， 其構造層次由三部分組成：環向水平桁架、

內層桁架間支柱及斜撐、外層斜拉桿組成的單層網殼）。整個建筑物在環梁的第1 層到第3層將跨度和高

度都不同的3個館牢固的連接在一起。在上下水平環梁連接方面，鋼管形成的網狀結構實現了整個體育館

抵抗風力和地震力等水平作用力的能力，整座體育館結構形成一個穩定安全的體系。整個金屬屋頂鋼結

構采用連續穹頂網殼鋼結構施工。它具有大跨度，大空間，節點量大，桿件多，受力復雜，而且多根桿

件從不同角度匯交，制作、加工、安裝困難等特點。

（二）安裝方案

（1）方案的比較分析：該工程結構是真正意義上的空間鋼結構，從結構特點不難看出，安裝階段的空

間剛度與結構形成整體后的空間剛度相差十分懸殊，安裝過程中構件內力的變化、結構安裝的穩定性、

結構的變形等都難以控制，且其吊裝區域面積大，吊裝半徑達幾十米，吊裝難度極大，所以，安裝方案

的好壞是整個工程實施最關鍵的一個環節，且難度也是最大，安裝方案的優劣將直接影響到工程質量、

工期和安全。因此，選擇經濟可靠、快速并有可操作性的安裝方案就顯得尤為重要。網殼的安裝是指將

工廠加工好的零部件運至

施工現場并利用各種施工方法將網殼擱置在設計位置上的過程。網殼的安裝方法隨拼裝方法和安裝機

具的選用不同，主要有高空散裝法、整體吊裝法、整體提升法和整體頂升法等幾種’!(。高空散裝法是

將小拼單元或散件直接在設計位置進行總拼的方法。由于散件在高空拼裝，垂直運輸就無須起重機或無

須大型起重機，但卻需要搭設大規模的拼裝支架。這對大跨度大空間的穹頂網殼來說需要耗用大量材料。

另外，此種結構對安裝精度要求很高，而應用高空散裝法在網殼拼裝過程中拼裝支架容易產生位移和沉

降，拼裝支架的變形將影響網殼的拼裝精度。整體吊裝法是指網殼在地面總拼后，采用單根或多根拔桿、

一臺或多臺起重機進行吊裝就位的施工方法。應用這種方法時，建筑物在地面以上的結構必須待網殼制

作安裝完成后才能進行，不能平行施工。當場地許可時，可在場外地面總拼網架，然后用起重機抬吊至

建筑物上就位，這樣雖解決了場內結構拖延工期的問題，但起重機必須負重行駛較長距離。所以，無論

是場內還是場外拼裝網架，對大跨度大空間的穹頂鋼結構來說都不太現實。整體提升法是指在結構柱上

安裝提升設備提升網架。此安裝方法使用的提升設備一般較小，利用小機群安裝大網架，起重設備小，

成本比較低。由于提升設備能力較大，可以將網架的屋面板、防水層等全部在地面及最有利的高度進行

施工，從而大大節省施工費用。網架整體提升法只能在設計位置垂直上升，不能將網架移動或轉動，適

宜于施工場地狹窄時施工。

（2）實際選用方案

a)方案選擇分析：對佛山嶺南明珠體育館鋼屋蓋來說，該結構桿件較多，跨度較大，如果采用常規搭

設滿堂輔助支架， 起重機械設于跨外的施工安裝的方法，不僅起重機的作業半徑大，高空拼裝工作量較

大，而且用于支承鋼結構的支架材料及工作量之大可想而知，同時鋼結構安裝對土建結構施工和設備安

裝帶來種種限制，這顯然不是可行的安裝方案。由于近年來安裝技術的不斷提高，液壓設備、載重小車、

電腦同步控制等先進技術已進入鋼結構安裝領域，如果采用鋼結構原地整體散裝，進行整體提升的安裝

方案，則投入的費用將不能承受，且由于整個屋蓋面積較大，在技術上存在不安全的隱患，同時具有上

述跨外吊裝方案中的種種限制，故這也不是理想的安裝方案。此外，該結構有另一個特點，就是施工過

程的簡易化。我們可以利用結構特點將穩定的水平環層層疊加，并結合頂部整體提升組成穹頂，從而節

省施工費用。

（3）安裝方案的確定

從以上安裝方案相比較以及根據工程特點和場地環境，佛山嶺南明珠體育館鋼屋蓋工程最終選擇安裝

方案為：采用高性能大型履帶吊車從場外分段吊裝與場內局部進行整體提升相結合的安裝方案。

（4）安裝方法和總體步驟

本工程采用的安裝方法，是將- 個館的環形桁架進行合理分段劃分，根據現場吊車能力劃分成需要

的吊裝分段，在地面拼裝區域進行整體拼裝，再拆開用炮臺車運輸到起吊位置吊裝，在結構頂部區域采

用局部整體提升進行安裝，這樣大大有利于施工進度及施工安全。

下面以主場館為例，介紹佛山嶺南明珠體育館鋼屋蓋的安裝步驟：第一步：吊裝臨時支承胎架；第

二步：第1層水平鋼桁架吊裝，并與兩小館的第1層閉合，使之形成強大的約束力，有利于上層桁架的吊

裝；第三步：第2 層水平鋼桁架吊裝；第四步：第3-9 層水平鋼桁架吊裝，同時設置頂部提升區域的地

面拼裝胎架；

第五步：第11-15 層水平鋼桁架在平臺上組裝；第六步： 第11-15 層水平鋼桁架整體提升；第七步：

第10層水平鋼桁架塞裝；第八步：第11-15 層水平鋼桁架整體提升就位，并與第10 層桁架連接；第九步：

主場館鋼屋架逐層受力釋放。

（三）施工效果：安裝結果證明，該方案很好地解決了本工程鋼結構的安裝難題，最終保證體育館滿

足建筑功能和結構功能的雙重要求，收到了良好的施工效果，且鋼結構工期比計劃提前了10天。

7. 網殼結構穩定性研究

網殼結構的失穩或者說屈曲形式的分類方法很多, 最易接受的分類方法是以網殼結構失穩后因產生

大變形而造成的新的幾何外形作為依據。 導致網殼結構失穩的因素很多, 這些因素又是相互影響的。研

究表明可能導致網殼結構發生失穩的因素有:(1) 網殼結構的薄膜和彎曲剛度;(2) 網殼結構拓樸結構和

周面的曲率;(3) 結構所用的材料特性;(4) 結構的初始缺陷;(5) 結構的支承條件;(6) 網殼結構的節點

剛度; (7)荷載及荷載類型。

(一)國內外研究現狀：自六十年代以來, 網殼結構的非線性穩定性研究一直是國內外學者們注意的焦

點。英、美、德、意大利、澳大利亞、羅馬利亞、波蘭等國的研究人員進行了多方面的理論分析和實驗

研究。國內對網殼結構的研究進行得稍晚, 但也已取得了不少研究成果。同濟大學、浙江大

學、東南大學、河海大學、哈爾濱建筑大學、天津大學、杭州城市設計研究院等單位分別就不同的課

題進行了研究。這些研究工作的內容大致可分為以下幾方面: 網殼結構大位移幾何非線性和單元彈塑性

變形的穩定性分析方法研究, 網殼結構節點連接理論分析和實驗研究, 網殼結構對初始缺陷的敏感性及

網殼結構的極限承載力, 大型網殼結構穩定性試驗方法探討, 網殼結構動力分析, 球殼結構優化設計,

網殼網格劃分研究以及對許多工程設計的實際分析等內容。

（二）今后的研究方向：

網殼結構穩定的分析模型、計算方法已趨于實際精細化, 理論研究的趨勢是分析模型的系統化;網殼

穩定設計的研究方向是引入可靠性分析[ 53] 。今后還有許多工作要做:

( 1) 彈塑性穩定分析：網殼結構的非線性穩定分析, 近年來大多處于彈性非線性階段的分析, 同時

考慮彈性幾何非線性及單元材料非線性的研究只是剛剛起步, 還需進一步探討。在網殼結構彈塑性有限

元分析時, 桿件部分進入塑性后桿件的單元剛度矩陣的正確表達式是極重要的, 關鍵是結構在加載過程

中塑性開展的規律和塑性區的范圍和位置。塑性區發展后有可能形成塑性鉸也有可能不形成塑性鉸。這

些都與結構型式、拓撲及結構內力重分布能力有關。此外, 結構的加載歷史十分重要。彈塑性失穩的全

過程跟蹤分析方法也值得研究。適用幾何非線性問題的解法不應直接沿用至雙非線性問題。例如, 在幾

何非線性全過程分析中常用的弧長法仍是在基本假定的基礎上采用了線性疊加原理。在材料非線性問題

中, 線性疊加原理是否適用值得推敲。

(2) 初始缺陷靈敏度及影響的研究：初始缺陷影響的研究可歸結為初始缺陷對結構屈曲荷載縮減的估

計、結構的屈曲類型 及結構對初始缺陷的靈敏度估計。初始缺陷影響的研究應從缺陷的實質上加以分析,

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至今絕大多數研究考慮的幾何偏差不應作為一種缺陷因素, 而是缺陷的反映。缺陷的影響是初應力引起

的,最后量測到的幾何是初應力作用下已經自平衡后的幾何。盡可能準確地估計初始缺陷的影響直接影響

到結構的設計。然而工程中的缺陷統計資料及目前的缺陷分析方法均很少, 所以深入的研究是極為迫切

的。

（3) 多自由度體系臨界荷載的確定：在全過程分析方法中多自由度體系的臨界點、臨界荷載的確定、

以及如何進行處理都存在問題。

(4) 多參數體系的研究：對于荷載敏感型網殼結構,應當研究靜載與活載,尤其是不對稱活載之間的適

當比例對其臨界荷載的影響。研究不同類型荷載共同作用時加載次序的影響。

(5) 穩定分析的數學方法：在網殼結構平衡路徑全過程的跟蹤中, 目前仍無公認比較完善的參數控制

迭代方法。完善結構的分枝失穩分析可與目前非線性科學中的混沌、多級分叉相聯系。這方面工作已開

始, 但還不系統完整。

(6) 網殼結構屈曲研究的手段：結構的穩定試驗對模型的制作精度和加載系統都有特定的要求。尋求

廉價而精確的試驗依然是今后的方向。除此之外, 計算機技術的發展, 尤其是可視化技術的發展也為研

究結構屈曲機理, 失穩過程等提供了新的手段。從而有可能形象地顯示結構屈曲模態, 屈曲的全過程以

及形狀變化等。

(7) 網殼構造的研究：節點構造、網殼結構的形體及網格劃分對網殼的屈曲特性有顯著的影響。網

殼結構節點連接的理論分析和實驗研究, 網殼結構的拓樸、形狀、截面優化等問題仍在學者的探討之中。

(8) 網殼結構穩定的設計研究：目前的設計思想仍然是將結構穩定的計算歸結為結構各構件單元的

穩定計算。設計研究的趨勢有兩個方向, 一是間接引用理論研究成果, 從設計過程的各個方面進行深入

的研究,通過逐個消除誤差確保整體設計的安全性和合理性; 二是直接引用理論研究成果, 對結構設計

體系進行雙非線性分析和計算機仿真, 從分配上確保穩定設計的安全性和合理性, 這是一種全新的設計

方向, 在計算機軟件技術高度發展的將來, 是完全可能的。

在網殼結構設計、計算以及使用階段, 存在著許多不確定性因素。為了彌補由傳統的確定

性參數概念帶來的不安全性, 引入可靠性分析是必要的。

8. 懸索結構的分類、特點及應用

（一）懸索結構的特點

（1）受力合理、節約材料：懸索結構是一種受力比較合理的建筑結構形式, 將懸索結構與簡支梁兩

者的受力情況進行對比, 就可以看出這種合理性, 簡支梁在豎向荷載作用下, 上纖維壓應力的合力與下

纖維拉應力的合力組成了截面的內力矩, 合力間的距離即為內力臂, 它總在截面高度的范圍內, 因此要

提高梁的承載能力, 就意味著要增加梁的高度。但在懸索結構中, 鋼索在自重下就自然形成了垂度, 由

索中拉力與支承水平力間的距離構成的內力臂, 總在鋼索截面范圍以外, 增加垂度也就加大了力臂, 從

而可以有效地減少索中拉力和鋼索截面面積。

（2）施工比較方便：由于鋼索自重很小, 屋面構件一般也較輕, 因而給施工設帶來了很大的方便。

安裝時不需要大型起重設備，施工時不需要腳手架，也不需要模板。這些都是有利于加快施工進度，降

低工程造價，因而與其他結構形式比較造價較低。

（3）便于建筑造型：懸索結構由于索網布置靈活，便于建筑造型，可以適應多種多樣的平面形狀和

完形輪廓，因而能夠較自由的滿足各種建筑功能和表達形式的要求，使建筑結構的道完善的結合。這也

是建筑師們樂于這種形式的主要原因。

（二）懸索結構的主要形式：懸索結構的形式很多，根據索網、邊緣構件和下部支撐結構的不同配置，

可以構成一系列形式各異的懸索結構。如將懸索結構和其他結構結合，又可以派生出許多新型的結構。

懸索按受力狀態分成平面結構和空間結構。

（1）平面懸索結構：

主要在一個平面內受力的平面結構，多用于懸索橋和架空管道。按結構形式分為：①單層懸索結

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構。可用做柔式懸索橋，也可用于屋蓋，結構剛度較小，在可變荷載作用下變形較大，宜在索上鋪設重

屋面。②加勁式單層懸索結構。通過在索下面若干吊桿吊有加勁桁架（或加勁梁），以增強結構的剛度。

③雙層懸索結構。其上索與下索曲率相反，并通過其間的受拉斜腹桿中施加預應力而具有較好的剛度。

（2）空間懸索結構：

一種處于空間受力狀態的結構，多用于大跨度屋蓋結構中。按結構形式分為：①圓形單層懸索

結構。用于圓形平面的屋蓋，其索按輻射狀布置，整個屋面形成下凹的旋轉曲面。各根索的外端

固定于周邊的鋼筋混凝土圈梁上，內端固定于圓心附近的拉環上。當圓心處允許設柱時，可形成

傘形懸索結構。②圓形雙層懸索結構。其外形與上述結構類似，只是有上下兩層索，從而可以有

不同布置形式的預應力拉桿以增強剛度。中國北京工人體育館直徑94米的比賽大廳屋蓋即采用

了這種結構形式。其圓心附近的拉環除承受環向拉力外，在豎直方向還承受壓力。③雙向正交索

網結構。由互相正交的兩組索組成。下凹的一組為承重索,上凸的一組為穩定索,兩組索形成負高

斯曲率的曲面。對其中一組索施加預應力時，另一組索也同時獲得預應力的效果。通過施加預應

力，可使兩組索在屋面荷載作用下始終貼緊，且獲得良好的剛度。這種索網可用于橢圓平面、矩

形平面、菱形平面或其他平面的屋蓋。意大利米蘭體育館屋蓋采用了圓形平面的馬鞍形索網結構,

直徑140米，是目前世界上最大的索網結構。中國浙江省人民體育館屋蓋采用80×60米橢圓平

面的馬鞍形索網，其索端固定于一個空間曲梁上。為了減 小曲梁內的彎矩，在索網下還設置了

一層水平拉索。 除上述懸索結構外，工程中還常用斜拉索結構，如斜張橋和斜拉索屋蓋。這種

斜拉索主要是用來減小屋面或橋面結構構件的跨度，以滿足整個結構的大跨度要求和達到節省材

料的目的。

隨著卷材薄鋼板的發展，近年來，有的國家采用懸掛板帶結構。如聯邦德國法蘭克福航空港飛

機庫的屋蓋，平面尺寸達270×100米，分為兩跨，每跨由10條長13米、寬7.5米的板帶組成，

板帶之間用3米寬的采光帶隔開。

除上述各種懸索外，還有一種結構是利用鋼索來吊掛混凝土屋蓋的，這種結構叫懸掛式結

構，其特點是：充分利用鋼索所具有的抗拉特點，而減小鋼筋混凝土屋蓋所承受的彎曲力。下圖

所示日本代代木體育館，采用高張力纜索為主體的懸索屋頂結構，創造出帶有緊張感、力動感的

大型內空間。

在各種形式的懸索結構中，索的邊緣構件及地錨的合理性和可靠性具有極其重要的意義，

在一定程度上決定著結構的技術經濟指標和安全。

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