淺述我國建筑索結構的概念、類型與發展

淺述我國建筑索結構的概念、類型與發展

來源：中國建設報

近年來,索結構在建筑結構中越來越多地得到應用，其建造技術也得到迅速發展。北京工業大學空間結構研究

中心主任、中國鋼結構協會空間結構分會理事長張毅剛教授在《建筑索結構的概念、類型與發展》一文中詳細地介

紹了懸索結構、管內預應力結構、張弦結構、拉索結構、斜拉結構、索拱結構、吊掛結構等七種類型的結構及其在

我國最新的工程實踐，并就各種類型建筑索結構的組成與受力特點及其在建筑鋼結構與幕墻（采光頂）中的應用與

發展進行了論述。——編者

⒈引言。

我國在建筑結構中應用預應力索始于20世紀50年代，1991年中國土木工程學會橋梁與結構分會在無錫召開

了全國索結構學術交流會，盡管預應力索在橋梁結構中應用更多，會上還是展示了在建筑結構中應用的良好勢頭。

2002年，中國工程院院士、浙江大學教授董石麟和北京工業大學教授陸賜麟整理了我國主要預應力鋼結構工程（不

包括膜結構工程），截至到2001年有28項。光陰荏苒。目前，我國建筑結構中預應力索的應用已經遍地開花，無

論是設計理論還是制作建造技術均有了長足的進步。據不完全統計，僅新發展起來的空間張弦結構已經有18項工

程；近幾年新建的火車站已有12個應用了索結構；綜合起來估計有數百項工程。1997年，中國工程院院士、哈爾

濱工業大學教授沈世釗等所著《懸索結構設計》中所列的索結構形式，均有了新的工程實踐，且不斷創新。隨著114

米×144米跨度的雙向張弦桁架、122米跨度的張弦網殼、148米跨度的張弦桁架、310米跨度的輻射布置索桁架等

世界上最大的工程落戶我國，相關的內容很值得總結、梳理，以推動行業更好地發展。

索結構通常由索與其它材料的結構組成，可包括：索與鋼結構、索與膜結構、索與鋼筋混凝土結構、索與玻

璃結構組成的各種結構體系，應用于建筑結構、橋梁結構、圍護結構（幕墻、采光頂）中。

建筑索結構是指在建筑結構中應用索作為承重結構或通過張拉索對剛性結構體系施加預應力，提高或改善結

構的受力性能而形成的結構體系，這里主要討論的是其在鋼結構與幕墻（采光頂）的應用中形成的各種類型體系。

根據建筑索結構近年來的發展，按其組成和受力特點可歸納為：懸索結構、管內預應力結構、張弦結構、拉索結構、

斜拉結構、索拱結構、吊掛結構。

⒉懸索結構

懸索結構主要承力構件是索，懸掛于支承結構上，采用雙層索時在上下弦索之間使用撐桿或拉桿聯系。根據

布索的不同方式形成了索桁架、索網、勁性索和索穹頂。

平行布置索桁架是由上下弦索加聯系桿構成，形如桁架，故稱索桁架。1986年建成的吉林冰上運動中心滑冰

館屋蓋最早采用索桁架，59米跨度，平行布置，需要支撐系統以保證多榀索桁架能夠共同工作。近年來，索桁架被

大量用作玻璃幕墻的支承體系，在采光頂中也有應用。

輻射布置索桁架是將索桁架輻射布置，與受壓外環梁和受拉內環梁（索）組成圓形或橢圓形屋蓋結構，可以

采用一層外環兩層內環或兩層外環一層內環的形式。1961年建成的北京工人體育館屋蓋是我國最早的此類結構，跨

度94米。近年來，輻射布置索桁架也用于采光頂。2006年建成的佛山世紀蓮體育場屋蓋，外環達到310米，內環

125米，是世界上跨度最大的此類結構。正在建設的深圳寶安體育場屋蓋，外環為237米×230米的近似圓，內環129

米×122米，呈馬鞍面，建筑更加美觀，但結構建造難度增大。

索網是兩方向的索交叉布置，就形成了索網。通常承重方向的索下凹，穩定方向的索上凸，構成雙曲拋物面。

1969年建成的浙江人民體育館屋蓋（80米×60米）是我國早期的此類工程。1988年建成的四川體育館，用跨度102.45

米、矢高39.27米大拱作為中間支承，兩邊是雙曲拋物面索網，類似工程后來建成了好幾座。

近年來索網更多地應用于幕墻和采光頂，如采用單層索網支承玻璃幕墻。深圳市民中心博物館采光頂，采用

斜向布置的雙層索網，覆蓋30米×54米。2004年建成的天津一汽豐田停車場，柱網是26米×24米~35米×24米，

采用雙向多跨連續索桁架作為每塊雙曲拋物面索網的支承體系，這里應用了兩種形式的索桁架，共覆蓋5萬多平方

米。

索穹頂是上弦索徑向布置，下弦索環向布置，其間徑向布置斜索和豎直壓桿，最終與周邊受壓環梁一起構成

了索穹頂（CableDome）。由于整個結構以拉索為主，輔以少量壓桿，結構效率極高。國外已有多個工程，我國的

學者一直在研究，難點在于預應力的施加過程。2009年，無錫科技交流中心工程采用了24米跨度的索穹頂，采用

地面組裝，整體提升，分次逐級張拉的施工方法成功地建成了我國首個剛性屋面索穹頂。

勁性索結構是將剛性構件做成下垂形式如同柔性索一樣地使用，就稱為勁性索。向下荷載作用時，剛性構件受

拉；向上風荷載作用時，利用其抗彎剛度，以拱的形態來承擔荷載。顯然勁性索結構的建造要比柔性索容易，結構

效率也較好。2008年建成的北京南站雨篷結構首次采用了勁性索結構。工字鋼梁跨度為9.772米~67.500米，最大下

垂高度為6.464米，端部設了斜拉索，主要用來穩固鋼梁。

⒊管內預應力結構

在鋼管內穿索并施加預應力，使其成為預應力拉桿是預應力鋼構件中的一種通常做法。近年來，將這一做法直

接應用于雙層管結構的下弦管，用以提高結構剛度，節省下弦桿用鋼，稱管內預應力結構。這樣，不僅索的張拉施

工方便，同時還有利于索的防火與防腐。2000年建成的宿遷市文體館屋蓋焊接空心球網殼，呈雙曲拋物面，投影

80米×62.5米。經過方案比較認為，下弦管內穿索的方案控制位移效果最好，內力變化均勻，用鋼量少。

近年來，管內預應力結構的應用較多，譬如，2002年建成的濟南戰役紀念館網架屋蓋跨度為42米。2009建成

的東北師范大學體育館跨度為40米~70米，用立體桁架構成曲面造型。2005年建成的南京奧體中心游冰館跨度為

78米~27米，在上拱的下弦管內使用了預應力索。同年建成的成都市新世紀國際會展中心展館跨度為73.06米~89.976

米，在下凹的下弦管內使用預應力索。應該指出，下弦上拱時，豎向荷載作用引起的變形將使管內的索趨于松弛。

管內預應力結構設計中應注意索與鋼管變形的協調及極端情況下斷索情況驗算。

⒋張弦結構

張弦結構是指上弦剛性構件（結構）與下弦索通過撐桿聯結成的自平衡體系，通過對下弦索施加預應力提高結

構剛度，改善上弦內力分布。1957年第一個張弦桁架模型試驗在哈爾濱工業大學進行，跨度為12米。1958年在山

西大同煤礦四老溝礦建成了全國第一個張弦桁架輸煤棧橋，跨度為25米，采用預應力鋼筋后比原設計的鋼結構節

省鋼材達51%。此后，張弦桁架的應用得到推廣。1999年上海浦東國際機場(一期)航站樓竣工投入運營，入口處、

辦票廳、商場和登機廊4個大空間屋蓋均采用了張弦結構，跨度依次為49.3米、82.6米、44.4米和54.3米。張弦

結構在上海浦東國際機場的成功應用引起了人們廣泛的關注，推動了張弦結構在大空間屋蓋中的應用和發展。目前，

張弦結構是建筑索結構中應用最廣泛、發展最快的結構形式，設計理論與建造技術趨于成熟。

單向張弦結構的上弦是由梁、拱、桁架或立體桁架構成的，張弦結構屬于單向受力，一般平行布置，輔以支撐

系統保證結構平面外的穩定。幾個跨度最大的工程均采用了張弦立體桁架。譬如，2002年建成的廣州國際會議展覽

中心展覽大廳屋蓋，跨度為126.6米；同年建成的黑龍江省國際會議展覽體育中心主館屋蓋，跨度為128米。2009

年建成的上海世博會主題館西展廳屋蓋，跨度為144米；同年建成的東營黃河口模型廳屋蓋，最大跨度為148米，

立體桁架包括穿索張拉節點都采用了焊接球節點。

提高單向張弦結構的平面外剛度和抗風能力是該類結構應用中必須引起重視的問題。許多工程設計成空間體

系，以提高單向張弦結構的平面外剛度，如寶鋼游泳館改造、浦東國際機場二期工程、如皋市行政綜合服務中心屋

蓋等。為提高其抗風能力，如皋市行政綜合服務中心屋蓋加設了抗風索，延安站站臺雨篷在上弦管內適度澆灌水泥

砂漿，增加恒載以抵抗風吸力。以上表明張弦結構應用的技術在不斷地提高。

雙向張弦結構的雙方向布置張弦體系克服了單向結構平面外剛度小的弱點，一般采用正交布置。2003年北京建

工研究院進行了此類結構的試驗研究，近年來有了一些應用。2007年建成的北京中石油大廈中庭采用了43.2米×40.5

米的雙向張弦結構；同年建成的國家體育館采用了114米×144.5米的雙向張弦結構，橫向14榀，縱向8榀，成為

目前世界上跨度最大的雙向張弦結構。

空間張弦結構的上弦是單層網殼或空間桁架體系，下弦索撐體系采用多向或空間布置形成空間工作，近年的發

展有幾種形式的應用。2008年建成的南京蘇遠大廈中庭，跨度為72米，該工程成功地嘗試了上部單層網殼與下部

三向布置索撐體系組合的張弦網殼。2007年建成的北京大學體育館上弦采用放射與環向布置的空間桁架體系，平面

80米×64米，構成了張弦空間桁架結構。即將竣工的廣州南沙體育館（亞運會武術館），跨度為98米，采用張弦

梁輻射布置，輔以中央拉環的結構形式。利用張弦結構的自平衡特性，該工程采用了雙層結構的做法，有效地減小

了結構高度。

2000年建成的昆明柏聯廣場中庭跨度為15米，上弦采用矢跨比1/25的單層網殼，下部的索撐體系環向和徑向

形成空間布置，是SuspenDome結構體系在我國的第一次嘗試，其后陸續建成10余座此類結構。2008年建成的濟

南奧林匹克體育中心體育館，跨度達到122米，是目前世界上跨度最大的此類結構。安徽大學體育館做成六邊形，

邊長47.44米，索撐體系沿著6條主肋布置。渝北體育館設計成三角形，單邊跨度81米，索撐體系采用魚腹式布置。

這些工程充分體現出我國建造技術的日益進步與創新能力。

空間張弦結構設計與建造過程中，預應力損失以及支座的合理使用是值得注意的問題。還有幾種張弦結構形式

值得進一步關注并推進它們發展。

張弦剛架是將索撐體系應用到剛架，增加橫梁剛度，可以有效節省用鋼量。譬如，2004年建成的大連周水子國

際機場航站樓跨度為53.5米。

張弦兩鉸拱是將索與撐桿根據兩鉸拱在全跨荷載作用下的彎矩合理地布置在受拉側。譬如，新柏林火車站。我

國在張弦兩鉸拱方面已有些研究，但尚無工程應用。

張弦成形結構的實際應用有2002年建成的99.6米跨度的海南航空股份有限公司海口基地1號維修機庫，其采

用了Strarch體系：拱架下弦管預留間隙，通過張拉下弦管內的索，一端支座滑動，下弦間隙并攏，使上弦拱起，柱

子立直，拱架成形。該工程是國外公司設計與建造的。該結構成形前實際上是張弦結構，成形后如果將下弦管連接

起來就成為管內預應力結構。由于張拉過程是實質的成形過程，因此稱為張弦成形結構。這方面我國已有研究，如

進行張弦成形桁架、張弦成形網殼試驗研究等，但尚無工程應用。

⒌拉索結構

在網殼、拱等有水平推力的結構中合理增設拉索，對拉索施加預應力以減小剛性構件（結構）支座端的水平推

力，提高結構的剛度，稱為拉索結構。

拉索網殼較典型的工程有1994年建成的攀枝花體育館屋蓋，跨度為64.9米，間隔柱頂布置拉索。這是我國最

早的拉索網殼，類似的結構后來又建造了許多。攀枝花體育館屋蓋結構的支座處設置了短撐桿，但它不同于張弦結

構中撐桿的作用，主要用于提高施加預應力的效果，并改善柱頂周邊桿件受力。2005年建成的河南新鄉豫新電廠干

煤棚跨度為81.8米，為減小拉索在自重作用下的撓度，加設了吊桿。

拉索拱在近年來應用的較多，而且多重拉索結構的做法被關注的程度較高。研究表明，采用多重拉索結構不僅

節約建筑空間，而且有利于使上部拱的內力分布更均勻。譬如，北京海關總署辦公樓加層，跨度為16.8米，采用了

交叉拉索；2008年建成的深圳某多功能劇場屋蓋，跨度為44米，采用了三重拉索。

⒍斜拉結構

通過桅桿（塔）和斜拉索為剛性構件（結構）提供彈性支撐，減小剛性構件（結構）受力的跨度，稱為斜拉結

構。

常見的斜拉結構有斜拉鋼梁（拱）、斜拉懸挑桁架、斜拉網架（殼）等，可用單桅桿或成對桅桿。1990年建成

的國家奧體中心游泳館通過70米高的塔斜拉117米跨度的箱梁是斜拉結構在我國最早的應用。1993年建成的新加

坡港務局(PSA)倉庫斜拉網架（120米×90米）是我國成功建設的項目。近年來，斜拉結構有了較多的應用，譬如，

浙江黃龍體育中心、新疆體育館、長春經濟技術開發區體育場等工程均是典型的應用形式。

⒎索拱結構

索適用于受拉，拱適用于受壓，索與拱之間通過拉索或拉桿連接，使它們共同工作，增大結構剛度和提高索的

形狀穩定性故稱索拱結構。

1989年建成的北京朝陽體育館平面為69米×78米，這是我國第一個索拱結構；2007年建成的吉林省速滑館跨

度為91.28米。這兩個工程都是索在上弦、拱在下弦。在近年來的應用中，發展了拱在上弦、索在下弦的索拱結構

形式。這種形式的索拱結構形如張弦結構，但它與張弦結構的根本區別是索與拱之間使用拉索或拉桿而不是撐桿。

2006年建成的鄭州新鄭國際機場屋蓋最大跨度為47.6米，就采用了這種形式。研究表明，下弦索雖然處于上凸狀

態，仍然有減小水平推力的作用。2009年新落成的廣州新火車站跨度為50米~68米，屬于索拱結構體系的創新。

⒏吊掛結構

在支承結構下設置吊索，為剛性結構提供彈性支承就構成了吊掛結構。

國內的幾個工程均用拱作為支承，吊索下面懸掛網架。1990年建成的江西省體育館混凝土拱跨度為88米、高

51米吊掛網架屋蓋，是我國第一個吊掛結構。2006年建成的長江防洪模型試驗大廳4榀桁架拱跨度為120米、高

45.5米,懸吊5塊90米×90米網架，以滿足整個試驗大廳不設柱子的要求。

⒐結束語

本文以近年來的一些典型工程為例，歸納介紹了建筑索結構的七種類型，各種類型結構的受力特點及其新的發

展與應用。筆者認為，我國建筑索結構的應用百花齊放，創新形式不斷涌現，建造技術日益成熟，已經進入發展高

潮期，且方興未艾。

（作者系北京工業大學空間結構研究中心主任、中國鋼結構協會空間結構分會理事長）