大跨空间结构的开展----回顾与展望沈世钊土木工程学报 

摘要：大跨空间结构是现在开展最快的结构类型。 

大跨度修建及作为其中心的空间结构技能的开展状况是代表一个国家修建科技水平的重要标志之一。膜结构就空间网格结构和张力结构两大类介绍了国内外（但首要是国外）空间结构的开展现状和远景。对这一范畴几个重要理论问题，包含空间结构的形状剖析理论、大跨柔性属盖的动力风效应、网壳结构的稳定性和抗震功能等问题的研讨提出了观点。 

一、概 述

在这实践的三维世界里，任何结构物本质上都是空间性质的，只不过出于简化规划和缔造的意图，人们在许多场合把它们分化成一片片平面结构来进行结构和核算。与此同时，无法进行简略分化的真实意义上的空间系统也一直没有中止其本身的开展，并且日益显示出一般平面结构无法比拟的五光十色和发明潜力，体现出大自然的美丽和奇特。空间结构的杰出作业功能不仅仅体现在三维受力，并且还因为它们通过合理的曲面形体来有用反抗外荷载的作用。当跨度增大时，空间结构就愈能显示出它们优异的技能经济功能。事实上，当跨度到达必定程度后，一般平面结构往往已难于成为合理的挑选。从国内外工程实践来看，大跨度修建大都选用各种方式的空间结构系统。 

近二十余年来，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家开展很快。修建物的跨度和规划越来越大，现在，标准达150m以上的超大规划修建已非单个；结构方式五光十色，选用了许多新资料和新技能，开展了许多新的空间结构方式。例如1975年建成的美国新奥尔良"超级穹顶"（Superdome），直径207m，长时间被认为是世界上最大的球面网壳；现在这一位置已被1993年建成夏径为222m的日本福冈体育馆所替代，但后者更闻名的特点是它的可开合性：它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成，扇形沿圆周导轨移动，体育馆即可呈全关闭、敞开1／3或敞开2／3等不同状况。1983年建成的加拿大卡尔加里体育馆选用双曲抛物面索网屋盖，其圆形平面直径135m，它是为1988年冬季奥运会修建的，外形极为漂亮，迄今仍是世界上最大的索网结构。70年代以来，因为结构运用织物资料的改善，膜结构或索-膜结构（用索加强的膜结构）获得了开展，美国缔造了许多规划很大的气承式索-膜结构；1988年东京建成的"后乐土"棒球馆，也选用这种结构技能尤为先进，其近似圆形平面的直径为204m；美国亚特兰大为1996年奥运会修建的"佐治亚穹顶"（Geogia Dome，1992年建成）选用新颖的全体张拉式索一膜结构，其准椭圆形平面的概括尺度达192mX241m。许多雄伟而赋有特征的大跨度修建已成为当地的标志性标志和闻名的人文景观。 

因为经济和文化开展的需求，人们还在不断寻求掩盖更大的空间，例如有人想象将整个街区、整个广场、乃至整个山沟掩盖起来构成一个可人工操控气候的人聚环境或休闲环境；为了发掘和维护古代坟墓和重要奇迹，也有人想象选用超大跨度结构物将其掩盖起来构成关闭的环境。现在某些发达国家正在进行标准为300m以上的超大跨度空间结构的规划方案讨论。 

能够这样说，大跨空间结构是最近三十多年来开展最快的结构方式。世界《空间结构》杂志主编马考夫斯基（Z.S.Makowski）说：在60年代"空间结构还被认为是一种兴趣但仍属生疏的非传统结构，但是今日已被全世界广泛承受。"从今日来看，大跨度和超大跨度修建物及作为其中心的空间结构技能的开展状况已成为代表一个国家修建科技水平的重要标志之一。 

世界各国为大跨度空间结构的开展投入了很多的研讨经费。例如，早在20年前美国土木工程学会曾组织了为期 10年的空间结构研讨方案，投入经费 1550万美元。同一时期，西德由斯图加特大学掌管组织了一个"大跨度空间结构归纳研讨方案"，每年研讨经费100万马克以上。这些研讨作业为各国大跨度修建的蓬勃开展奠定了坚实的理论基础和技能条件。世界壳体和空间结构学会（IASS）每年定时举办年会和各种学术交流活动，是现在最受欢迎的闻名学术团体之一。 

我国大跨度空间结构的基础本来比较单薄，但跟着国家经济实力的增强和社会开展的需求，近十余年来也取得了比较迅猛的开展。工程实践的数量较多，空间结构的类型和方式逐步趋向多样化，相应的理论研讨和规划技能也逐步完善。以北京亚运会（1990）、哈尔滨冬季亚运会（1996）、上海八运会（1997）的许多体育修建为代表的一系列大跨空间结构--作为我国修建科技进步的某种标志在国内外都取得了必定影响。 ?? 　　种种痕迹阐明，我国尽管尚是一个开展中国家，但因为国大人多，跟着国力的不断增强，要缔造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间修建物的需求十分旺盛，并且这种需求量在必定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构范畴面对的巨大机会。 

但与世界先进水平相比，我国大跨空间结构的开展仍存在必定距离。首要体现在结构方式还比较拘束，较少斗胆立异之作，阐明新颖的修建构思与先进的结构发明之间尚缺乏理想的有机结合，尤其是150m以上的超大跨度空间结构的工程实践还比较少；结构类型相对地集中于网架和网壳结构，悬索结构用得比较少，而一些有巨大远景的新颖结构方式如膜结构和索-膜结构、全体张拉结构、可开合结构等在国外已有不少成功的工程实践，在我国则还处于空白或困难起步阶段。状况看来是，我国空间结构的开展通过十余年来在较为平整的草原上的奔驰之后，好像遇上了一个需求尽力跃上的新台阶。这一新台阶包含资料和生产条件等技能问题，也包含没有很好处理的一些理论问题。为促进我国空间结构进一步的更高层次的开展，有待科技作业者和企业家尽力发明条件，以求得这些技能问题和理论问题较快较好地处理。 

大跨空间结构的类型和方式十分五光十色，习惯上分为如下这些类型：钢筋混凝土薄壳结构；平板网架结构；网壳结构；悬索结构；膜结构和索膜结构；近年来国外用的较多的"索穹顶"（Cable Dome)实践上也是一种特别方式的索－膜结构；混合结构(Hybrid Structure)，通常是柔性构件和刚性构件的联合使用。 　　在上述各种空间结构类型中，钢筋混凝土薄壁结构在50年代后期及60年代前期在我国有所开展，其时缔造过一些中等跨度的球面壳、柱面壳、双曲扁壳和扭壳，在理论研讨方面还投入过许多力气，制定了相应的规划规程。但这种结构类型日前使用较少，首要原因可能是施工比较费时费事。平板网架和网壳结构，还包含一些未能独自归类的特别方式，如折板式网架结构、多平面型网架结构、多层多跨框架式网架结构等，总起来可称为空间网格结构。这类结构在我国开展很快，且继续不衰。悬索结构、膜结构和索膜结构等柔性系统均以张力来反抗外荷载的作用，可总称为张力结构。这类结构赋有开展远景。