[密技]：空间大跨度结构发展五十年

linxiang1101

空间大跨度结构是建筑工程发展的一个重要标志，我国自五十年代以来就开展了对薄壳结构、悬索结构的研究开发与应用，建成了一批有影响的代表性工程，并取得了一大批研究成果。八十年代由于计算机技术的发展，空间网格结构在理论研究、标准规范和工程实践等方面均取得了举世瞩目的成绩。随着国力的增强，新材料的不断出现，空间结构由单一结构形式发展为组合结构、混合结构等多种结构形式，应用范围也从公共建筑、体育建筑发展到工业建筑乃至建筑的各个领域。50年来，空间大跨度结构取得的辉煌成就使我们能充满信心地去营造21世纪更广阔的空间。

一、五十年空间大跨度结构的发展历程

　建国50年来，空间大跨度结构经历了四个发展时期：第一时期为五十年代末至六十年代中期，第二时期为七十年代末至八十年代中，第三时期为八十年代末到九十年代初，第四个时期为九十年代。这四个发展时期都是依据当时的国力和建筑技术水平，反映出各自的结构特点与技术水平。

1、五十年代末至六十年代中期

　五十年代末，随着建国十年来国力的复苏，国家已有能力关注大型体育馆与大跨度公共建设的需要。广大结构设计研究人员也以空前的热情投入于薄壳结构、悬索结构的理论研究。这些理论研究紧密结合工程需要，在当时产生了很好的效果。

在薄壳结构方面，我国技术人员对球壳、圆柱面柱、双曲扁壳、组合扭壳等作了系统的理论研究，发表了一大批高质量的论文。在理论研究的基础上，进行了大量的工程实践，其中代表性的工程如新疆某工厂的金工车间，采用跨度60m的椭园旋转壳体结构，目前该工程仍为国内最大跨度的薄壳结构。还建成了跨度42m双曲扁壳的北京网球馆。建成于1959年的北京火车站，其跨度为35m×35m，也采用双曲扁壳结构。薄壳结构取材容易、材料省、结构与建筑围护合二为一，造价低，除模板制作稍麻烦外，施工相对简便，计算分析可用连续化方法求解，这些都是符合当时的技术水平与施工条件的。配合大量的理论研究与工程实践，于1965年完成了国内第一本空间结构方面的规程《钢筋混凝土薄壳顶盖及楼盖设计计算规程》(BJG16－65)，这一规程对以后薄壳结构的设计与施工起到了积极的指导作用。

　与薄壳结构相对应，开展悬索结构的研究与工程实践也是该时期的一个显著特点，当时对悬索结构的分析方法也是采用连续化分析方法，也曾对各种类型的索结构进行过系统研究。悬索结构方面有代表性的工程为：建成于1961年的北京工人体育馆，96m直径，采用车辐式双层悬索结构；建成于1967年的浙江人民体育馆，椭圆形平面，长轴80m，短轴60m，屋盖采用双曲抛物面预应力鞍形索网体系，该结构体系屋盖包括外环梁配筋，其耗钢量17.3kg／㎡。依据当时的国力，在确保安全的前提下节省用材，尤其是节约钢材，这也是当时追求技术水平的一个显著特点。

　网架结构，1964年在上海用角钢焊接成了一个当时并不为人们看好的网架，该项目是华东师院球类房，跨度为31.4m×40.5m，采用正方四角锥结构形式。它是中国空间结构历史上的第一个空间网架，当时任何人都不会想到，就由此引发了八十年代、九十年代中国空间网架结构的空前繁荣。该时期最有影响的，且目前仍为国内最大跨度的网架，是1967年建成的首都体育馆，跨度为99m×112m，该结构分析时是国内第一次采用电算，用差分法以手工方式填写总纲。1956年建成的天津体育馆屋盖平面尺寸为52×68m，采用带拉杆的联方型圆柱面网壳。建成于1967年的郑州体育馆，其直径64m，是我国早期的代表性网壳结构。

　整个五十年代末至六十年代中是中国空间结构一个较为辉煌的时期，虽然工程项目不多，但工程已包括薄壳、悬索、网架、网壳等多种结构形式，并且这些工程都具有跨度大的特点。如北京工人体育馆、浙江人民体育馆、北京首都体育馆等，在国际空间结构技术上都有一定的影响。这一时期的理论研究与工程实践为今后中国空间结构的发展，奠定了坚实的基础。

　 2、七十年代末至八十年代初

　在整个六十年代末至七十年代中的十年“文革”期间，中国空间结构的发展基本上处于停滞状态，完成的工程也只限于几座网架，如建成于1975年的上海体育馆，直径110m，平板型三向网架。在七十年代末“文化大革命”结束后，随着国民经济的恢复，空间结构工程界的一批有识之士，倾全力发展中国的空间结构。主要以中国建筑科学研究院牵头开发出螺栓球节点网架与有中国特色的焊空心球节点网架，并主编《网架结构设计与施工规定》(JGJ7－80)，这一规程是国际上最早的在网架结构设计与施工方面的技术规程，于1981年颁布试行。规程的颁布使设计、施工安装有章可循，是网架结构今后得以大发展的关键因素之一。在此期间国内已开发出以空间桁架位移法的电算程序，可以用于网架的内力分析与计算。同时八十年代初期已出现了4～5家网架结构专业化生产厂家。至此网架结构作为一种成熟产品，形成了设计、制作、施工安装的一套完整体系。网架开始广泛用于大跨度体育建筑。当时建设的一些省会城市的体育馆，基本上都采用平板型网架结构，如上海游泳馆，不对称六边形平面，对角最大距离95m；1984年完工的河北省体育馆70.4m×83.2m；陕西省体育馆66m×90m；深圳市1985年落成的四柱支承的60m跨度，外围尺寸90m×90m的平板二向正交网架等等。在我国对外援建的体育馆多达8座，跨度一般为60m～80m，均采用平板网架。这一时期的一个显著特点，是大跨度体育馆中基本上采用平板型网架结构，而且大多只以建造省会及中等城市的体育馆。总体来说网架结构已大量应用，但相对而言其它结构型式发展与应用很少。

　该时期的一个可喜迹象是网架在单层工业厂房的应用中作了初步尝试，如1981年完成的唐山机车车辆厂16000㎡单层厂房，采用网架结构，柱网尺寸为18m×18m。随后北京石化公司东风化工厂地毯装置主厂房，其柱网尺寸为18m×18m，总面积达4万平方米。通过这些工程，积累了大量宝贵经验，为今后网架在单层厂房的广泛应用打下了坚实的基础。

　 3、八十年代中至九十年代初

　该时期是中国空间结构空前繁荣时期，建筑师已不再简单满足于普通的平板网架结构，开始追求新型的建筑造型，要求结构工程师以新的结构形式来代替平板网架。此时空间结构进入日新月异的发展阶段。

悬索结构再次得到重视，其优美的曲线造型乐于被建筑师们采用。在理论研究方面已编制出可用于索结构、索网结构的非线性分析软件，可以对索桁架、索网等进行分析计算，并对一些新型的结构形式，如横向加劲单曲悬索屋盖、空间双层索系，国内的研究单位与高校都做了系统的分析与试验研究。在短短的七、八年间，国内就完成了各类形式的悬索与斜拉结构计20余座。其中具有代表性的是1986年建成的吉林滑冰馆，平面尺寸59m×72m，采用空间双层索系；1989年建成的安徽体育馆，跨度53m×72m，采用横向加劲单曲悬索结构，这一结构形式随后相继用于上海扬浦体育馆、广东潮州体育馆。鞍形索网与中央大拱组合的杂交结构有74m×79m的四川体育馆，卵形平面73m×89m的青岛市体育馆。这里值得一提的是在山东淄博地区，由于设计人员的不懈努力，在淄博及周边地区共完成6座中小跨度的悬索结构工程，且包含了各种结构形式，是应用与推广悬索结构的一个成功典范。

　与悬索结构的发展相适应，一种造型美观、受力合理、制作简便的网壳结构兴起也是该时期一个突出特点。针对网壳结构的受力特征，尤其是网壳结构的稳定问题作了从连续化到离散化的大量研究工作。网壳的节点形式，特别是对于单层网壳，有采用焊接球节点、嵌入式毂式节点，当跨度较小的单层球面网壳有加粗螺栓，加大套筒的螺栓球节点。由于成熟的网架加工与施工安装技术，可方便地应用于网壳，因此在八十年代后期至九十年代初网壳结构发展很快，据不完全统计这一时期的网壳工程有五、六十项之多。结构分有单层、双层，类型上分有球面壳、圆柱面壳、双曲扁壳、扭壳及各种复杂曲面壳及组合曲面网壳。单层球面网壳当时首推建成于l989年的山西稷山选煤厂煤库，直径47.2m，用嵌入式毂式节点。济南动物园l989年建成两座单层球面网壳，直径分别为40m与46m，采用焊接空心球节点。建成于1989年的濮阳中原化肥厂尿素散装库，平面尺寸58m×135m，采用双层圆柱面壳。嘉兴发电厂干煤棚，平面尺寸80m×102m，采用双层三心圆柱面网壳。各种网壳结构形式多样化是该时期的一大特点。

　在这一时期，又喜逢第十一届亚运会于1990年在北京召开，期间新建各类场馆共计22座，其结构形式多样，有网架结构、网壳结构、悬索结构、杂交结构等。大跨网壳结构在亚运会体育建筑中具有鲜明特点，如平面59.2m×59.2m的北京体育学院体育馆，采用四角带落地斜撑的四块组合双层扭网壳。北京奥林匹克综合馆，平面尺寸72m×83m，采用斜拉网壳结构。北京石景山体育馆正三角形边长99m，采用中间带三角支撑的组合型双层扭网壳。此外还有采用中间索拱与索网组合的北京朝阳体育馆，其椭园平面66m×78m。北京亚运会场馆的另一个鲜明特点是由几种结构形式按其各自特点组合形成杂交结构。

为了发展的需要，九十年代初对《网架结构设计与施工规定》(JGJ7-80)进行了修订，并于1991年颁布了《网架结构设计与施工规程》(JGJ7-91)，技术规范的修订与颁布极大地促进了网架结构的应用与发展，如1990年建成的西安秦兵马俑2号坑96m×96m网架，仍是国内一个较大跨度结构。另外研究开发出的新型的组合网架结构，即用钢筋混凝土板作上弦，腹杆、下弦杆为钢杆件组合而成，如1987年建成的江西抚州地区体育馆，平面尺寸45.5m×58m。1987年落成的新乡市百货大楼加层扩建工程，楼层平面尺寸34m×34m，共加盖4层。这一时期，国内的组合网架达到20余座。

网架结构计算分析方面的重大突破是九十年代初，国内的几家研究单位、高校与设计单位都先后开发出实用化的网架结构CAD程序，可以完成网架的前处理，自动满应力设计，节点的自动设计，结构图与加工图的绘制等功能，使网架的设计快速、准确，有力地推动了网架结构的普及。

网架结构在大面积工业厂房建设中得到更进一步的推广，如长春第二发动机厂6万㎡大面积单层工业厂房网架、柱网18m×18m，这一时期网架在单层工业厂房中的应用更加成熟，更乐于被设计人员采用。首先是大柱网便于满足工艺流程要求，其次是杰出的整体力学性能及快速的安装与相对较低的造价使得在越来越多的工业领域应用，包括汽车制造、治金、轻工、纺织、造船等行业都采用大面积大柱网网架结构。正是这点，拓展了网架结构的应用领域，面向了量大面广的市场，因而最具中国特色。

二、近期的发展

近时期，主要从1995年开始至今，中国的空间结构发展正向更深的层次迈进，其主要特点为：网架的应用仍是最大的主流，网壳的跨度进一步加大，薄壳结构基本上不采用，悬索结构绝少采用，张拉整体结构正处于研究的高潮，膜结构在工程化方面开始起步。

网架结构仍是空间结构的最主要形式，国内目前有网架专业化生产并有一定规模的生产厂家，估计全国合计有50～60家(若包括各小厂、小公司则将在200家以上)，有4～5家厂家产值超过亿元，全国网架年竣工面积估计达200万㎡以上，这个数量在世界上遥遥领先。跨度方面比较有影响的是1995年9月安装完工的北京首都机场2×153m×90m的四机位巨型机库，该机库大门处为153m双跨连续跨的格构式大梁，306m×90m的三层网架支承于前侧的格构式大梁与周边柱上，屋盖钢结构用钢量为5000t。同期完成的还有厦门太古机库，154m×70m；成都飞机维修公司机库，140m×82m。

网壳结构，现今向着更大的跨度发展，如1995年安装完毕的哈尔滨速滑馆，采用双层网壳结构，两端的半球壳加中间圆柱面壳，尺度达86.2m×191.2m。采用螺栓球节点，由于网壳结构受力合理，其耗钢量仅为50kg/㎡。

随着材料技术的发展，铝合金材料也在网架、网壳结构中得到了应用。一些科研院所、大专院校都对此展开了研究，并在工程中应用，如某研究基地中的零磁车间，平面尺寸为22m×26m，整个建筑物的墙体及屋盖均采用了铝合金网架结构。此外，在上海的八运会体育场馆中铝合金结构也得到了应用。

国内有5至6所大学与研究单位对张拉整体结构的力学特性与构成机理等理论问题作了较为深入的研究，有些单位还开发了分析程序并做了模型试验予以验证。

膜结构的研究在中国已有10余年的历史，对膜结构的力学性能，膜结构的初始形状确定，非线性静力分析、剪裁分析作了系统的研究，并与模型试验相验证，理论方面已有了足够的准备。但主要由于膜材料供应的原因，中国的膜结构工程实践才刚刚起步，这些工程有些是由国外承包商完成的，有些是国内企业施工的或购买进口膜材或采用国内生产的性能较差的膜材。如由国外承包商承建的上海体育场立体桁架顶上的膜结构，是膜结构用于空间结构的一个成功范例。由于从材料到施工都是国外技术，造价远远高于传统结构，但对于膜结构的发展，意义是深远的。1995年由国产材料、国内力量施工的北京顺义某游泳馆，平面尺寸为30m×36m，采用气承式空气膜，预计使用年限10年以上，虽然构造、施工方面都做得很不够细致，但毕竟可以称得上国内第一个全国产化的膜结构。国内随后相继建成的膜结构有苏州乐园音乐广场，面积2650㎡，由5根桅杆支承构成5座伞状张拉膜；天津开发区泰达体育场看台，由14个7.8m×7.2m伞形膜组合成雨蓬；1998年初竣工的长沙世界之窗剧场膜结构，平面是扇形，面积为3500㎡，采用索与膜结合的张力膜结构。膜结构以其自重轻、跨度大、施工快、造型优、结构与使用性能卓越而具有远大的的发展前途。

1992年建设部组织了中国建筑科学研究院等单位对原《钢筋混凝土薄壳顶盖及楼盖结构设计计算规程》(BJG16-65)进行了修订，并于1998年颁布了《钢筋混凝土薄壳结构设计规程》(JGJ/T22-98)。但国内薄壳结构工程近期除了江西宜春1994年建成拱跨48m的双曲抛物面混凝土扭壳后，一直再没有工程应用，主要原因是支模工作量大，施工相应较困难，同时计算工作也较麻烦，这是薄壳结构最近很少采用的原因。同样对于悬索结构，虽然结构性能很好，但由于分析太复杂，又没有实用化的分析软件，而且对于边缘构件要求很高，因而近年来也没有发展。

三、未来展望

中国的空间结构在新的2I世纪来临之际还将会有很大的发展，首先是综合国力不断强盛，中国已逐步具有建造超大跨度的经济实力。其次是体育运动的需要，如能承办2008年的奥运会或建室内田径场和足球场，国内的近100m跨度就满足不了需要。同时一些公共建筑或特殊工业建筑如展览馆、候机候车厅、大型干煤棚、大型飞机维修库，都有这方面的迫切需求。最后是国内对于大跨、超大跨建筑，其结构方面的研究与设计及制造方面，对网架网壳技术上已很成熟，而对张拉整体及膜结构，其基本条件也趋于成熟。对中国的空间结构今后将侧重于下列几个方面的发展：

网架结构仍是空间结构的主流，其最大跨度将会达到150m，因其网格尺寸与跨高的原因，将会采用三层网架。网架结构以其平面布置灵活、节奏感强、施工速度快，还将在各种场合广泛采用。网架结构在大柱网单层工业厂房的应用还将继续，但轻钢结构以其低廉的价格将会占据网架结构的一定市场份额。

网壳结构其最大跨度将会达到180m～200m，达到目前先进发达国家的水平，因其跨度较大，不会简单应用现行螺栓球节点技术，将在杆件的截面形式，节点连接方式有所考虑与突破。今后将类似于螺栓球网架，超大跨度网壳的所有制作与加工都在工厂自动化控制下完成，现场有相当好的安装精度，对于单层网壳的非线性稳定方面的研究更加成熟，单层网壳的装配式刚性节点将有重大空破。网壳结构以其受力合理、造型美观、制作安装方便而乐于被建筑师们采用。

薄壳结构主要对于现浇结构，但模板支架复杂，而预制装配整体性不好，由于这些原因，不会较多采用，并且薄壳结构由于稳定方面的原因，限制了薄壳结构在大跨方面的发展。

张拉结构将成为21世纪最为热门的发展方向，对于张拉结构来说，大致可分为张拉整体结构、斜拉索杂交结构、悬索结构和膜结构。其中的张拉整体结构、膜结构以其结构较巧、受力合理、施工极为简便并具有突出的结构性能而被看好，可跨越更大的跨度。我们要在力学分析、材料的国产化、施工方法等方面大力投入并加以研究与开发。对于膜结构包括张拉整体结构，要较好解决该类结构的非线性分析问题，要解决初始形状判定，要解决剪裁分析，使程序达到实用化、工程化。张拉结构由于较轻、较柔，要对抗风性能予以特别重视。

中华民族是勤劳、智慧的民族，在过去的50年中，我们的空间结构取得了辉煌的成就，相信我们的空间结构将会拥抱更加灿烂的明天。

zhzb0126

纯属历史。