大跨空间结构的应用与发展

1、现代大跨空间结构在中国的应用与发展RSS打印复制链接大中小发布时间：2011-10-10 09:57:55今天我想跟大家讨论一个问题，讨论现代大跨空间结构在中国的应用与发展，什么是现 代？怎么划分？是怎样产生的？它包括哪些类型等等，提一些看法，大家都可以讨论，而且 结合中国的情况，我们当前应用的现在大跨空间结构的情况，以及存在的问题等等跟大家做 些讨论。我没有举国外的例子，仅在中国的应用和发展。我争取在四十分钟以内，因为这个问题也比较多，大家一起讨论、提一些看法。我想讲 六个问题：一是引言；二是现代空间结构的分类；三是现代刚性空间结构的应用与发展；四 是现代柔性空间结构的应用与发展；五是现代刚

2、柔性组合空间结构的应用与发展。第一，引言，几年前也和有关同志讨论过，空间结构我认为可以分为三个历史阶段：现 代空间结构由两部分组成，这个我们从下面这张图来看，我们的空间结构可以认为是古代的 空间结构、近代的空间结构以及现代空间结构，我们想这么分。划分的节点实际上是很难的， 应该有一段时间，这里正好有些工程，我正向划分是1925年到1975年。现代空间结构 主要是从1975年开始，近代空间结构是1925年到1975年，古代空间结构是从1900 年到1925年。在近代空间结构的发展采用了一些新的技术，采用了结构的组合、材料的组合，应用一 些结构概念以及结构创新形成在近代发展起来的组合网架结构、一些

3、其他的结构。这个年代 是这么看，蓝色的线是现代空间结构，分两部分，一部分是新材料发展以后；第二部分是近 代空间结构在原有的基础采用新的建设以后，蓝的线1975年这个里面也有，我们近代空间 结构和古代空间结构也并不是死的。为什么19251975年呢？古代的空间结构大家知道 罗马的万神殿，主要是拱券式穹顶结构，比如说南京的无梁殿主要是砖石。最早的薄壳结构是德国耶拿玻璃厂，后来四十年代、五十年代比较典型的是罗马小体育 馆。网架、网壳空间结构也在德国，一个蔡司天文馆，15米跨度，后来各个国家也都有了。 我们国家的网架代表是首都体育馆。古老的悬索结构我们国家古代1825年竹索桥和铁索桥， 近代一点195

4、3年美国瑞雷竞技馆和北京工人体育馆。1975年美国庞提亚克体育馆是16 8mx220m，巨型的气承式充气膜结构。后来日本人在东京设立了棒球馆。我们第一部分 材料采用了轻质、高强的材料、模材、索材以及钢棒。向轻盈、高效空间发展，如气承式膜 结构。第二部分由这些近代空间结构，网格结构、RC壳，不再是单一，钢筋混凝土、钢筋都 在一起，或是钢材，包括其他的材料都合在一起，结构形式也不是单一的，多种的组合。另 外采用预应力技术，包括结构的概念与形体的创新形成了一些新的空间结构，典型的比如说 组合网架等等。现代空间结构由这两部分组成，大致的年代从上个世纪的七、八十年代开始 到现在大概有三十几年的时间。从1

5、975年到现在大概35年的时间，其中中间的50年近代空间结构是比较多的。另 外要说的我们近代空间结构还在用，并不是现在网架结构和网壳结构就不用了，这张图说明 当代空间结构发展的情况，大致的内容，由什么组成的，这是我想讲的引言。第二，现代空间结构的分类。现代空间结构的分类以往有传统的分类方法，五大空间结 构：薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、薄膜结构，还可以更细的分。所有的空间 结构按这五大空间结构分类我感觉现在不太够，有些空间结构不能包含在里面，前几年我们 提出了分类方法按组成空间结构的基本单元，组成空间结构的基本单元不管是哪一种结构五 大单元组成，这五大单元是：板壳单元、梁单元、索单元

6、、杆单元、膜单元。对这五大单元我们做些说明，五后面有一系列的具体空间结构，具体的空间结构有具体 空间结构的名称，网架结构、立体桁架、双层网壳是杆单元组成的。预应力网壳是由杆单元 组成的等等。组合网架结构，上面是钢筋混凝土，是由混凝土的板，这块板肯定要带梁的， 是由梁单元以及下面的杆单元组成。我们统计一下总共有具体名字的是38种，这个图大家 可以看一下，我们有几点说明，这38点总共有17个小类，刚性单元组成是7种，3类柔 性空间结构，7类刚柔组合空间结构。这38种空间结构其中17种空间结构是由杆单元或是由索单元、梁单元，比较活跃的 是杆单元、梁单元、索单元。按这样的分类方法，我感觉空间结构分类直

7、观性比较强，一看 就清楚，他由什么东西组成的很清楚。它是由什么单元组成的，分析计算的时候用哪些单元 的软件来分析？包容性把所有的空间结构都包含里面。开放性是今后新的空间结构还要发展， 都可以往里面填充。说到现代空间结构，这里面总共有17种，根据刚才的分类方法是属于现代空间结构， 在这个图里黄色的是现代空间结构，从空腹网壳开始。下面我讲快一点，把每一个空间结构 的特点和我们国内的工程应用情况做个介绍。第三，现代刚性空间结构，空腹网壳，树状结构，多面体空间刚架结构，局双层网壳， 组合网架结构，折板型网壳。空腹网壳，典型的就是国家大剧院，原来安德鲁搞的时候由140片空腹壳组成的，没有 交叉杆，我们通

8、过分析研究，发现它抗扭性不行、稳定性不行，我们建议他加四道交叉杆， 安德鲁吸收了我们的经验，现在的国家大剧院里面有交叉杆，这是一个特例。空腹网架，是 宝安体育馆。树状结构，实际上是多级分枝立柱支承结构，它可以分为主、次要，按粗、中、端枝来 分，用这样的结构体系，后面都可以解释。这是深圳的文化中心。这个是杭州的奥体中心， 当时搞的其中一个方法是用树状结构。这个是浦东国际机场二期，我觉得这是简单的树状结 构。多面体空间框架结构，典型的例子是水立方。水立方大家都清楚，由多面体组成的。墙 体里面由多面体的连边组成，这就是多面体的结构体系。大家可以看到多面体空间刚架结构 有一个特点，内部每一个结点有四根

9、杆相交，一个框架至少有六个杆，他只有四个杆。局部双层网壳，它是梁单元和杆单元组合，薄膜内力处为主用单层网壳，有些弯曲内力 处为主用双层网壳。这是广西桂平市体育馆，这个是杭州奥体中心，它是花瓣式的，有三层 的，有双层的。这是南通的体育场，大部分是单层，但是用立体桁架分一下，通过网的体系 把它划分为一块一块的，有的地方是单层。组合网架，去掉上弦，替代RC带肋板，用两种材料钢筋混凝土、钢材，承重作用合而 为一，可以用高层，多层也可以。这是新乡百货大楼是多层建筑，36米X36米跨度的百货 大楼。上海购物中心七层、八层用组合网架。折板型网壳，外形为折板型，可梁元或杆元，可以单层也可以双层，早期杭州有一个

10、工 程，杭州陈经纶网球场。深圳大运体育中心，深圳大运会游泳馆。还有广州大剧院，这个是 在我们学校专门做了一个模拟大运会场馆。第四，现代柔性空间结构：气承式充气膜结构，和柔性支承膜结构。气承式充气膜结构，气囊式、气承式中的一种，1.003atm，高压体系，膜面K0，膜 材要求强度：半透明，自洁性，耐燃性。膜材：织物基层+涂抹，PVC、PTFE、ETFE。充 气膜结构在上个世纪的70年代在上海展览馆北馆做了一个，后来拆掉了，28米X36米。 当前在2010年大家知道在内蒙古的鄂尔多斯在响沙湾做了 105米X95米的展览馆，我们 国内比较大一点的就是这个。柔性支承膜结构其实是索膜结构，它的水平更高一

11、些，它是索单元、膜单元的组合，索 膜协调，一般是风荷载控制，通常是与刚性支承混合应用。威海市体育场，236mx209m。 典型的是上海世博会，97mx840m。这里面索膜结构的组成图，有边索、谷索、吊索等。 这是施工安装的情况。这是深圳欢乐谷音乐厅，也是柔性支承的。第五，现代刚柔性组合空间结构的发展和应用张弦梁结构、弦支网壳，索穹贤网壳，张弦气肋梁，预应力网架，斜拉网架，张弦立体 桁架，预应力装配弓式结构，索桁结构，索穹顶。张弦梁结构，现在用得比较多了，实际梁、下弦、竖三种单元组合在一起。最早的是上 海浦东国际机场，浦东机场的二期是多跨梁式的，张弦梁可以用V字型的支撑支承。弦支网壳，这两年搞得

12、比较多，而且水平也比较高，怎么组成的我就不说了，大家看看 工程。这是国内比较早的工程，天津保税区的大堂，35米，后来发展到60米到80米。 这是北工大的羽毛球馆。济南体育馆。深圳新火车站跨度43米，这是它的剖面，这在世界 上也是第一个。索穹顶-网壳组合结构，这个还没有工程，做了一些实验，这是索穹顶与单层网壳的组合 结构，在我们学校做过模型实验。济南体育馆的时候我们做了一个方案，傅总也做了一个方 案，最后没有采用。张弦气肋梁，这是当前世界新的一种结构体系，我们国内还在研究，它是张弦气肋梁， 充气肋代替张弦梁的竖梁，2007年瑞士做了一个汽车站，这个张弦梁中间不是肋而是充气 结构在一起的。这种我们

13、国内也在研究，今后的发展方向还需要进一步的研究。这种结构体 系国外用在桥梁里也有。预应力网架，这是早期1994年在广东清远有一个体育馆，六根弦的。攀枝花有一个体 育馆，缺角八边形。高安体育馆，拉了四根索，围成四支点的。上海购物中心有四道索。斜拉网架，杭州的黄龙体育中心，除了稳定斜拉后面加了一些稳定索。这是在浙大搞了 一个斜拉的结构，这是它的计算模型。张弦（立体）桁架，早期是广州的会展中心，这是施工的情况，北京奥运会的体育馆， 这是当时跨度最大的张弦桁架，这是它的构造情况。预应力装配弓式结构，这个我们国内自己搞的，加一个索再提起来，再增加一段，再加 一根索，施工安装比较方便，比较大型的机器设备。国内第一个典型工程1994年建成的， 钓鱼台国宾馆的网球馆。索桁结构，由承重索和稳定索再加竖杆组成的，自平衡体系。这是吉林冰球馆、佛山世 纪莲体育场，宝安体育场、乐清体育场的索不是封闭的，一半的地方断掉了，是这样体系， 这是它的计算模型，在浙大做实验。索穹顶，效率比较高，省钢材。我们国内第一个索穹顶。这是72米鄂尔多斯体育馆