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.

8

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